細菌の宿主シフト：公衆衛生への影響

再発する感染症は公衆衛生にとって大きな問題だよね。研究によると、ウイルスや細菌みたいな病原体が一つの宿主から別の宿主に移ると、新しい危険な病気を引き起こすことがあるんだ。ウイルスに関する研究は多く行われているけど、細菌もよく宿主を変えることに気づかれてきてる。これが起こると、人間、動物、さらには植物に影響を与える新しい病気が生まれることがあるんだ。

宿主を変える細菌に関する研究の多くは、人間や野生生物に影響を与えるものに焦点を当ててきた。例えば、黄色ブドウ球菌は主に人間に影響を与える細菌だけど、いろんな家畜、特に牛でも見つかっている。似たように、マイコプラズマ・ガリセプティカムは鳥から野生のハウスフィンチに移って、これらのフィンチが感染にどう反応するかを変えちゃってる。もう一つの例がバクテリアのキシレラ・ファスティディオサで、600種類以上の植物に影響を与え、コーヒーの植物からオリーブの木への移行に関連する特定の遺伝的変化があるんだ。でも、ほとんどの研究はこれらの移行の自然発生を見ていて、宿主間の細菌の移動に焦点を当てた実験的な研究はあまり多くないんだ。

最も良い実験的な研究のいくつかは、昆虫とそれらの細菌パートナーに関するものなんだ。例えば、テントウムシとスピロプラズマというバクテリアの研究では、このバクテリアが異なる宿主の子孫にどれだけ影響を与えるかが、宿主種の関係の近さに依存することがわかった。別のバクテリアであるウォルバキアでも同様の結果が観察されていて、近縁種の間でウォルバキアを移動させる方が、非常に異なる種の間で移動させるよりも成功しているんだ。この関連性のパターンはウイルスにも当てはまるみたいで、二つの種の関連性から特定のウイルス感染に対する感受性を予測できるようだ。でも、宿主と密接に結びついていない自由生活の細菌にも同じパターンが当てはまるかどうかはまだ不明なんだ。

この研究では、異なる宿主種が細菌感染にどう反応するかを見たかったんだ。36種類のショウジョウバエを選んで、4つの異なる細菌病原体にさらしたんだ。ショウジョウバエの中で、細菌の脅威に対する主な免疫反応は2つのシステム、トール経路とIMD経路に関わってる。この経路それぞれが、異なる種類の細菌からの感染と戦うのを助けるんだ。これらの経路の中には、迅速に変化することができる遺伝子があることはわかっているけど、種間の違いが感染への反応にどう影響するかはまだ不明なんだ。

私たちが研究した4つの細菌は、ショウジョウバエに影響を与えることでよく知られている。腸球菌ファエカリスは人間由来で、宿主の中で生き残るのを助ける毒素を生産するけど、ショウジョウバエには害を及ぼす。黄色ブドウ球菌は人間で見つかったもので、ショウジョウバエの特定の反応に依存して生き残るんだ。Pseudomonas entomophilaは野生の細菌で、消化を妨げることでショウジョウバエに害を与える。最後に、Providencia rettgeriは野生のショウジョウバエの血液の中で見つかっているんだ。

#昆虫の飼育と接種手順

この研究を行うために、私たちはフライを温度と湿度が管理された多世代のストックボトルで育てたんだ。感染に対する反応に性別や交配状態が影響しないように、オスのフライを使ったんだ。細菌を導入する前に、若いオスのフライを特別なメディアに移して、1週間新しいメディアに移し続けた。これで彼らが健康で適切な年齢になったことを確認したんだ。

細菌感染のために、フライがCO2で眠っている間に針を使って細菌を導入した。この方法で消化系を迂回して、細菌が効果的に導入されるようにしたんだ。フライが感染した後、14日間彼らの生存を監視し、毎日死んだフライの数を記録したよ。

細菌に感染したフライの種の中で、細菌の負荷も見たんだ。感染から16時間後に各フライが持っている細菌の数を測ったんだ。これはフライをきれいにし、開いて、細菌を培養してどれだけいるかを数えるという技術の組み合わせを使用して行ったんだ。

#宿主の関係と系統の理解

異なる宿主種の関係が、細菌感染にどう反応するかに影響を与えるかを調べるために、系統樹を作成したんだ。この樹は異なる種の遺伝子に基づいて、どれだけ近縁であるかを示している。これを調べることで、異なる種が感染にどのよう反応するかのパターンを見て取れるんだ。

私たちは、36種類のショウジョウバエのさまざまな遺伝子から配列を集めるために遺伝的方法を使った。これを使って、この種の間の関係を視覚化するための樹を作ったよ。この樹は、なぜある種が細菌感染に対して感受性が高いか低いかを理解するのに重要なんだ。

#細菌病原体のテスト

私たちは各細菌種がショウジョウバエにどのように影響を与えるかを調べたんだ。注目した4つの細菌は、黄色ブドウ球菌、腸球菌ファエカリス、Providencia rettgeri、Pseudomonas entomophilaなんだ。各細菌は宿主と異なる相互作用をし、異なる死亡率を引き起こすんだ。

フライを感染させたとき、死亡率に明らかな違いがあることがわかったんだ。例えば、Pseudomonas entomophilaは70%という最高の死亡率を引き起こし、腸球菌ファエカリスは36%という低い率だった。特定の細菌に感染すると、いくつかのショウジョウバエ種はほぼ全滅する一方で、他の種にはほとんど影響がなかったんだ。例えば、多くの種はPseudomonas entomophilaによってすぐに死んでしまったけど、腸球菌ファエカリスとの感染ではほとんどの種が生き残ったよ。ただし、高い死亡率に直面した種がいくつかいたけどね。

#系統の影響と死亡率

死亡率の変動のどれくらいが宿主種の系統関係によって説明できるかを理解するために、統計モデルを使ったんだ。結果は、系統がフライがそれぞれの細菌にどれだけ感受性があるかの違いに大きな役割を果たしていることを示したよ。

例えば、P. rettgeriについては、死亡率の大半の変動は宿主の関係に起因することがわかった。ほとんどの違いがフライの遺伝的系統に起因してることがわかった。同様に、S. aureusやP. entomophilaについても、死亡率のかなりの部分が系統によって説明されていた。だけど、腸球菌ファエカリスに関しては変動が最小で、他の要因もその病原性や異なるショウジョウバエ種との相互作用に影響を与えている可能性があることを示してるんだ。

#感受性のパターン

私たちの調査では、異なる細菌病原体が異なるショウジョウバエ種の間で独自の感受性のパターンを示すことに気づいたんだ。免疫反応を見てみると、ショウジョウバエ・メラノガスターの免疫系がグラム陽性菌とグラム陰性菌の感染に対して異なる反応を示すことがわかった。これによって、フライの免疫反応がどのタイプの細菌に出会うかによって影響される可能性があるんだ。

異なるタイプの細菌の相関関係を調べたとき、一部の相関は見られたけど、一般的に低かったんだ。つまり、あるタイプの細菌に対する感受性が別のタイプの感受性を予測するわけじゃないんだ。ただし、最も強い相関は2つのグラム陽性菌、S. aureusとE. faecalisの間に見られて、いくつかの共通の免疫応答メカニズムが示唆されているよ。

#細菌負荷と死亡率

より高い細菌レベルが死亡率の増加に繋がるかどうかを探るために、感染後16時間のフライの細菌負荷を測定したんだ。死亡率が増加するにつれて、特にP. rettgeriとP. entomophilaで細菌負荷も増加していることが分かって、感染の重症度は宿主内の細菌の量に関連していることを示唆しているんだ。

だけど、腸球菌ファエカリスの場合、細菌負荷と死亡率の間には有意な相関はなかった。これにより、腸球菌ファエカリスの感染の性質について疑問が生じて、病原性が単に細菌の数に直結していない可能性があるんだ。これは、細菌の数以外の要因が感染の重症度を決定するかもしれないことを示唆していて、細菌が産生する毒素などが関与している可能性があるよ。

#免疫因子の調査

特定の遺伝子が感受性と関連しているか調べたんだ。特に、いくつかの細菌に対する抵抗性と関連があるDiptericin A遺伝子に焦点を当てた。研究中に、いくつかの種でこの遺伝子を配列解析して、抵抗性や感受性に関連する特定の変異を調べたんだ。

抵抗性や感受性に関連するさまざまなアリルを特定できたけど、これらの遺伝的因子が異なる種間の死亡率のパターンを説明する強い証拠は見つからなかった。大部分の種が抵抗性のアリルバージョンを持っていて、変異の幅は限られていたんだ。だから、遺伝的因子は確かに役割を果たすけど、観察された感受性の違いを完全には説明できないことを示唆している。免疫の他の特徴も影響を与えている可能性があるね。

また、体のサイズが感受性に影響を与える要因として調べたけど、私たちの結果は体のサイズが異なる細菌感染に対するフライの反応にあまり影響を与えないことを示したんだ。

#結論

要するに、私たちの研究は宿主の関係が異なるショウジョウバエ種の間で細菌病原体に対する感受性の異なる程度を説明できることを示しているよ。いくつかの病原体は系統によって影響される明確なパターンを示すけど、腸球菌ファエカリスのように、遺伝的因子が完全な説明を提供しないより複雑な相互作用もあるんだ。

この研究は、異なる種が感染にどう反応するか、そしてこれらの相互作用がその進化の歴史にどう影響されるかを理解するためのさらなる研究の重要性を強調しているよ。これらのパターンを理解することは、動植物の集団における感染症のリスクを予測し管理するために非常に重要になるかもしれない。特に病原体が宿主を変え続ける中でね。

今後の研究では、他の免疫因子や環境の影響が病気の反応にどう関与しているかにも注目していく必要があるよ。そうすることで、感染症の拡散を制御するためのより良い方法を開発できるかもしれない。