病理学

病原遺伝学は、ハイスループットスクリーニング技術とバイオインフォマティクスを使用して、コード化された微生物耐性、および微生物が宿主に感染して病気を引き起こす可能性のある毒性因子（VF）を研究する分野です。^{[1] [2] [3] [4]}これには、宿主の外で培養できない病原体のゲノムの研究が含まれます。 ^[5]過去、研究者や医療専門家は、感染性生物の病原性特性を研究して理解することが困難でした。^[6]新しい技術により、病原体ゲノムははるかに短時間かつ低コストで特定および配列決定できるため、^{[7] [8]}病原体の感染症や病気の診断、治療、さらには予測と予防の能力が向上します。^[9]これにより、研究者はゲノム進化イベント（遺伝子の喪失、増加、重複、再配置）と、それらのイベントが病原体の耐性と病気を引き起こす能力にどのように影響するかをよりよく理解できるようになりました。^[8] この情報の流入により、膨大な量のデータを解析し研究者がアクセスできるようにするためのバイオインフォマティクスツールとデータベースの必要性が生じました。[ ^{10] [11]}また、毒性をよりよく理解するために、以前に絶滅した致命的な病原体を再構築することの賢明さについて倫理的な疑問も生じています。^[12]

ゲノミクスが研究されていた初期の頃、科学者たちは遺伝情報の配列を決定することが困難だと感じていました。^[13]この分野が爆発的に発展し始めたのは、1977年にフレッド・サンガー博士が同僚とともに、現在サンガー法として知られる方法を用いてバクテリオファージのDNAベースのゲノムを配列決定したときでした。^{[14] [15] [16]} DNAを配列決定するサンガー法は分子生物学を飛躍的に進歩させ、完全なヒトゲノムを含む他の生物のゲノムを配列決定する能力に直接つながりました。^{[14] [15]}

インフルエンザ菌のゲノムは、1995年にJ.クレイグ・ベンターとハミルトン・スミスが全ゲノムショットガンシーケンシング法を用いて配列決定した最初の生物ゲノムの一つでした。^{[17] [15]}それ以来、次世代ゲノムシーケンシング（NGS）やシングルセルゲノムシーケンシングなどの、より新しく効率的なハイスループットシーケンシングが開発されました。^[15] サンガー法では一度に1つのDNA断片を配列決定できますが、NGS技術では一度に何千もの配列を配列決定できます。^[18] DNAを迅速に配列決定できることで、原核生物のゲノムは当初考えられていたよりも多様であるため、種内で少数の株だけではなく複数の株を配列決定する必要があるという発見など、新しい洞察が生まれました。^[19] 大腸菌はこれが重要である理由の一例であり、種の2つの株で毒性因子をコードする遺伝子は少なくとも30パーセント異なっています。^[19] このような知識は、ゲノムの増加、減少、変化に関するより徹底した研究と相まって、病原体が宿主環境でどのように相互作用し、どのように宿主に感染して病気を引き起こすのかについて、研究者に貴重な洞察を与えています。^{[19] [13]}

新しい情報が大量に流入するようになったため、科学者が新しいデータを適切に分析できるように、バイオインフォマティクスの需要が高まっています。これに応じて、この目的のためのソフトウェアやその他のツールが開発されました。^{[10] [20]} また、2008年の時点で、保存された配列の量は18か月ごとに倍増しており、データを整理して研究を支援するためのより優れた方法が緊急に必要になっています。^[21] これに応じて、NCBI病原体検出プログラム、Pathosystems Resource Integration Centre (PATRIC)、^[22] Pathogenwatch、^[23]病原細菌の毒性因子データベース (VFDB)、^{[24] [3] [21]}ヒトおよび動物病原体の毒性因子のVictorsデータベースなど、公開されているデータベースやその他のリソースが多数作成されています。^[25] 2022年まで、最も多く配列決定されている病原体はサルモネラ・エンテリカと大腸菌 - 赤痢アメーバです。 ^[10]病原体ゲノムに関連するシークエンシング技術、バイオインフォマティクスツール、データベース、統計、法医学、疫学、臨床診療、食品安全への応用が広範囲に検討されている。^[10]

病原体は、原核生物（古細菌または細菌）、単細胞の真核生物、またはウイルスである可能性があります。原核生物のゲノムは、真核生物に比べてゲノムサイズが小さいため、通常、配列決定が容易です。このため、病原細菌の行動の報告には偏りがあります。報告の偏りに関係なく、動的なゲノムイベントの多くは、すべての種類の病原体生物で類似しています。ゲノムの進化は、遺伝子の増加、遺伝子の喪失、ゲノムの再編成によって発生し、これらの「イベント」は複数の病原体ゲノムで観察され、一部の細菌性病原体は3つすべてを経験します。 [ ^{13]ただし、病原ゲノム学は}、病原体と宿主の相互作用を理解することだけに焦点を当てているわけではありません。個々の病原体または協力的な病原体の行動に関する洞察は、病原体の毒性因子の開発または継承に関する知識を提供します。^[13]感染を引き起こす小さなサブユニットをより深く理解することで、効率的で費用対効果の高い新しい治療法を開発できる可能性があります。^[26]

病原体、特に細菌が変化する環境で生き残るためには、高い可塑性を持つ動的なゲノムが必要である。 ^{[19]ハイスループットシーケンシング法と}インシリコ技術 の助けを借りて、これらの動的なゲノムイベントの多くを検出、比較、カタログ化することが可能である。これらのイベントは病原体の機能と構造を変える可能性があるため、病原体の検出と治療ではゲノム多様性が重要である。^{[27] [28]}病原体のメカニズムを理解するには、病原体の複数のゲノム配列を解析する必要がある。比較ゲノミクスは、科学者が異なる種や株のゲノムを比較できる方法論である。^{[29]比較ゲノミクス研究の成功例はいくつかあり、その中には}リステリア^[30]と大腸菌^[31] の解析がある。いくつかの研究では、病原性微生物と非病原性微生物の違いに取り組もうとしている。しかし、単一の細菌種には多くの株があり、それぞれの株のゲノム内容は異なるため、この調査は困難であることが判明しています。^[31]

微生物株やゲノム内容の変化は、病原体耐性や疾患を引き起こす能力に影響を与える3つの特定の進化イベント、すなわち遺伝子獲得、遺伝子喪失、ゲノム再編成など、さまざまな力によって引き起こされます。^[13]

遺伝子の喪失は、遺伝子が削除されたときに起こります。これが起こる理由はまだ完全には解明されていませんが、^[32]新しい環境や生態学的地位への適応が関係している可能性が最も高いです。^{[33] [34]} 一部の研究者は、遺伝子の喪失が実際に病原体の適応度と生存率を高める可能性があると考えています。^[32] 新しい環境では、一部の遺伝子は生存に不要になる可能性があり、そのため、それらの遺伝子の突然変異は最終的に「許可」され、不活性な「疑似遺伝子」になります。^{[33]これらの疑似遺伝子は、} Shigella flexneri、Salmonella enterica、^[35]、Yersinia pestis などの生物で観察されています。^{[33]時間の経過とともに、疑似遺伝子は削除され、} Buchnera、Myobacterium leprae、Chlamydia trachomatisで見られるように、生物は内部共生者または絶対細胞内病原体 として宿主に完全に依存するようになります。^[33] これらの削除された遺伝子は、生物が病原性を持つことを防いでいた可能性があるため、抗毒性遺伝子（AVG）とも呼ばれています。^[33] 病原体がより毒性を持ち、宿主に感染して生き残るためには、これらのAVGを排除する必要がありました。^[33] 逆のプロセスも起こり得、リステリア株の分析中に見られました。ゲノムサイズが縮小すると、病原性株から非病原性のリステリア株が生まれることが示されました。 ^[30]ゲノム配列でこれらの疑似遺伝子/AVGを検出するシステムが開発されています。^[8]

遺伝子獲得を推進する主要な力の一つは、水平（横方向）遺伝子伝達（LGT）であると考えられている。^[36]微生物研究では、これらの可動性遺伝子要素が新しいゲノムに毒性因子を導入する可能性があるため、特に興味深い。^[37] 2005年にGillらが実施した比較研究では、LGTがStaphylococcus epidermidisとStaphylococcus aureusの病原体変異の原因である可能性があると仮定された。^[38]しかし、LGTの頻度、その識別、およびその影響については依然として懐疑的な見方が残っている。^[39]特に系統学の研究において、LGTの存在と影響を検証するために 、新しく改良された方法論が採用されている。 ^[40] 遺伝子獲得と遺伝子重複イベントは遺伝子損失によってバランスが取られているため、その動的な性質にもかかわらず、細菌種のゲノムはほぼ同じサイズのままである。^[41]

可動性遺伝子挿入配列は、ゲノム再編成活動において役割を果たすことができる。^[42] 隔離された環境に生息していない病原体には、多数の挿入配列要素とさまざまなDNA反復セグメントが含まれていることがわかっている。^[19]これら2つの遺伝子要素の組み合わせは、相同組換えの媒介に役立つと考えられている。 Burkholderia mallei [43] やBurkholderia pseudomallei ^[ 44 ]^などの病原体は、挿入配列 と反復DNAセグメントによりゲノム全体の再編成を示すことが示されている。 ^[19] 現時点では、ゲノム全体の再編成イベントが微生物の病原性行動を直接引き起こすことを示す研究はない。これは、それが不可能であることを意味するものではない。しかし、ゲノム全体の再編成は細菌ゲノムの可塑性に寄与し、他の要因が毒性因子を導入したり失ったりする条件を整える可能性がある。^[19]

一塩基多型（SNP）は、人間や病原体における幅広い遺伝的変異を可能にします。研究者は、環境毒素の影響、さまざまな治療法が身体に与える影響、病気になりやすい原因など、さまざまな要因を推測することができます。^[45] SNPは、突然変異がどのように、なぜ起こるかを理解するのに重要な役割を果たします。また、SNPにより、科学者はゲノムをマッピングし、遺伝情報を分析することができます。^[45]

パンゲノムの概要 細菌種の最も新しい定義は、プレゲノム時代のものである。1987年に、70%を超えるDNA・DNA再会合を示し、特徴的な表現型形質を共有する細菌株は、同じ種の株とみなされるべきであると提案された。^[46]病原体ゲノム内の多様性により、病原体種のすべての株内に関連する遺伝子の総数を特定することは困難である。^[46]単一の病原体種に関連する遺伝子の総数は無制限である可能性があると考えられてきたが、^[46]一部のグループは、より経験的な値を導き出そうとしている。^[47]このため、パンゲノムとコアゲノムの概念を導入する必要がありました。^[48]パンゲノムとコアゲノムの文献はまた、原核病原体に関する報告に偏りがある傾向がある。パンゲノムやコアゲノムの定義を他の病原体まで拡張する場合には、これらのパンゲノムの特性に関する正式な証拠がないため、注意が必要である。^[要出典]

コアゲノムとは、ある病原体のすべての株に見られる遺伝子の集合である。^[46]パンゲノムとは、その病原体の遺伝子プール全体であり、すべての株に共有されていない遺伝子が含まれる。^[46]パンゲノムは、複数の株の比較分析により、その病原体のコアゲノムと比較して新しい遺伝子が見つからないか（クローズド）、多くの新しい遺伝子が見つかるか（オープン）によって、オープンまたはクローズドになる。^[13]オープンパンゲノムでは、遺伝子はさらに、不要または株特異的として特徴付けられる場合がある。不要遺伝子とは、ある病原体の複数の株に見られるが、すべての株に見られるわけではない遺伝子である。^[48]株特異的遺伝子とは、ある病原体の1つの株にのみ見られる遺伝子である。^[48]パンゲノムの違いは、生物の生活様式を反映している。例えば、多様な生物学的ニッチに存在するストレプトコッカス・アガラクティエは、環境的に隔離された炭疽菌と比較すると、より広範な全ゲノムを持っています。^{[19]全ゲノムについてさらに理解するために、} 比較ゲノミクスのアプローチも使用されています。^[49]最近の発見によると、新しい種の数は増え続けており、地球上には推定10 ^{31 個のバクテリオファージがあり、それらのバクテリオファージは毎秒10 24}個の他のバクテリオファージに感染しており、遺伝物質が継続的に交換されていることは想像しがたいことです。^[46]

ヒトに影響を及ぼす病原体の複数の遺伝的要素が、毒性因子の伝達に寄与している：プラスミド、病原性アイランド、プロファージ、バクテリオファージ、トランスポゾン、および統合的要素と接合的要素。^{[13] [50]} 病原性アイランドとその検出は、病理学に関わるいくつかのバイオインフォマティクスの取り組みの焦点である。^{[51] [52]} 「環境細菌株」は人間に危害を加えたり損傷を与えたりする能力がないというのが一般的な考えである。しかし、最近の研究では、水生環境の細菌が進化を通じて病原性株を獲得したことが示されている。これにより、細菌はより広範囲の遺伝的形質を持つようになり、抗生物質に対する耐性が高まり、人間に潜在的な脅威を引き起こす可能性がある。^[50]

微生物と宿主の相互作用は、微生物同士の相互作用の考慮を覆い隠す傾向があります。しかし、微生物同士の相互作用は、理解と治療が困難な慢性的な虚弱状態につながる可能性があります。^[9]

バイオフィルムは微生物間相互作用の一例であり、最大80％のヒト感染症に関連していると考えられています。^[53]最近、バイオフィルムの形成に関与する特定の遺伝子と細胞表面タンパク質があることが示されました。^[54]これらの遺伝子と表面タンパク質は、in silico法によって特徴付けられ、バイオフィルムと相互作用する細菌の発現プロファイルを形成する可能性があります。^[9]この発現プロファイルは、バイオフィルム微生物の行動を予測したり、バイオフィルム形成を解体する方法を理解したりするために、その後の他の微生物の分析に使用される可能性があります。^[9]

病原体は宿主細胞の細胞プロセスとメカニズムを最大限に活用して、宿主細胞に適応し、操作する能力を持っています。^[9]

微生物は宿主の影響を受け、新しい環境に適応するか、あるいはそれを回避することを学ぶことがあります。これらの行動に関する洞察は、潜在的な治療法に有益な洞察をもたらします。宿主と微生物の相互作用に関する取り組みの最も詳細な概要は、欧州病原体研究アジェンダによって概説されています。^[9]その報告書では、次の特徴が強調されています。

• 感染中の宿主および微生物の遺伝子発現のマイクロアレイ解析。これは、病原体が宿主の防御機構を生き延びることを可能にする毒性因子の発現を特定するために重要です。^[9]病原体は、宿主の免疫系を破壊するためにさまざまな変化を起こす傾向があり、場合によってはゲノムの超可変状態を好むことがあります。^[55]ゲノム発現研究は、タンパク質間相互作用ネットワーク研究によって補完されます。^[9]
• RNA干渉（RNAi）を使用して、感染に対する宿主細胞の機能を特定します。感染は、宿主細胞と病原体細胞の特性のバランスに依存します。髄膜炎などの場合、感染に対する宿主の過剰な反応が起こり、宿主の体が圧倒されることがあります。^[9] RNAを使用すると、急性または慢性感染時に宿主細胞がどのように自己防御するかをより明確に特定できるようになります。^[56]これは、ショウジョウバエにもうまく適用されています。^[56]
• 宿主環境における微生物の相互作用のすべてが悪意のあるものではありません。動物や人間のさまざまな環境に存在する 常在菌叢は、実際には微生物感染と戦うのに役立つ可能性があります。^[9]たとえば腸内細菌叢など、人間の細菌叢には無数の微生物が生息しています。 ^[57]

腸内の多様なコミュニティは、人間の健康にとって非常に重要であるとされています。腸の生態系をより深く理解するためのプロジェクトが数多く進行中です。^[58]たとえば、共生大腸菌株 SE11 の配列は、健康な人間の糞便からすでに決定されており、多くの研究の最初のものとなることが期待されています。^[59]ゲノム解析とそれに続くタンパク質解析を通じて、共生細菌叢の有益な特性をより深く理解し、より優れた治療法の開発方法を解明することが期待されます。^[60]

病原体と宿主の相互作用に関する「エコエボ」の観点は、生態学と環境が病原体の進化に与える影響を強調している。^[13]遺伝子の喪失、遺伝子の増加、ゲノムの再編成などの動的なゲノム要因はすべて、特定の微生物株が存在する生態学的ニッチの変化によって強く影響される。微生物は、環境の変化により、病原性から非病原性に切り替わる可能性がある。^{[30]これは、}ペスト菌であるエルシニア・ペスティスの研究で実証された。ペスト菌は、動的なゲノムイベントを通じて、軽度の胃腸病原体から非常に病原性の高い微生物に進化したようだ。^[61]コロニー形成が起こるためには、さまざまな環境で生存できるように生化学的構成に変化がなければならない。これは、細胞が環境内の変化を感知し、遺伝子発現の変化に影響を与えるメカニズムによるものと考えられる。^[62]これらの株の変化が低病原性または非病原性から高病原性へ、あるいはその逆へとどのように起こるかを理解することは、微生物感染症に対する新しい治療法の開発に役立つ可能性がある。^[13]

第二次世界大戦以降、公衆衛生規制の変更による衛生状態の改善や、より入手しやすいワクチンや抗生物質のおかげで、人類の健康は大きく改善し、死亡率も大幅に減少しました。^[63] 病原遺伝学により、科学者は病原性微生物と非病原性微生物に関する知識を広げることができ、新しいワクチンや改良されたワクチンの開発が可能になります。^[63] 病原遺伝学には、バイオテロの防止など、より広い意味合いもあります。^[63]

逆ワクチン学は比較的新しい。研究はまだ行われているが、連鎖球菌や髄膜炎菌などの病原体で画期的な成果があった。^[64]生化学的、血清学的などのワクチン製造方法は手間がかかり、信頼性が低い。効果を発揮するには病原体を試験管内に置く必要がある。 ^[65]ゲノム開発の新たな進歩により、病原体のほぼすべての変異を予測できるようになり、ワクチンの進歩につながっている。^[65]ブドウ球菌やクラミジアなどの耐性病原体と戦うために、タンパク質ベースのワクチンが開発されている。^[64]

2005年、1918年のスペイン風邪の配列が完成しました。系統解析と併せて、ウイルスの進化と行動、特に人間への適応について詳細な説明を提供することができました。^[66]スペイン風邪の配列決定に続いて、病原体も再構築されました。マウスに挿入された病原体は信じられないほど致命的であることが判明しました。^{[67] [12]} 2001年の炭疽菌攻撃は、バイオテロが想像以上に現実的な脅威である可能性を明らかにしました。イラク戦争では、兵士が天然痘攻撃に備えて予防接種を受けるなど、バイオテロが予想されていました。^[68]スペイン風邪の再構築から得られた技術と洞察を使用して、将来の致命的な病気の流行を防ぐことができる可能性があります。ただし、古いウイルスの復活が必要なのか、そしてそれが利益よりも害をもたらすのかどうかについては、強い倫理的懸念があります。^{[12] [69]} このような脅威に対抗する最善の方法は、予防接種を提供する組織と連携することです。意識と参加が高まれば、潜在的な流行の影響は大幅に減少します。この対策に加えて、攻撃や発生を防ぐための基礎として、天然の貯水池を監視することも考えられます。全体として、研究所と世界的流行警報対応ネットワーク（GOARN）などの大規模組織とのコミュニケーションは、早期発見と発生の防止につながります。^[63]

• サイバーバイオセキュリティ – コンピュータセキュリティの新興分野