口腔マイクロバイオームのディープシーケンスにより、歯周病のシグネチャーを発見

Deep sequencing of the oral microbiome reveals signatures of periodontal disease.

抄録

口腔マイクロバイオームとは、ヒトの口腔内に生息する微生物の複雑な生態系であり、数千種類の細菌が生息している。口腔内の病原性細菌の増殖は、歯周炎という炎症性疾患を引き起こし、心血管疾患のリスクファクターとなることが知られています。歯周炎の発症に関連する個々の細菌種については多くのことが知られていますが、健康から病気への移行を支えるシステムレベルのメカニズムについてはまだ十分に理解されていません。我々は、16S rRNA遺伝子と群集DNAの配列決定を通じて、15個の歯肉縁下プラークサンプル（2人の歯周炎患者からそれぞれ4個ずつと、残りの3人の健常者サンプル）を用いて、歯周炎に伴う遺伝、代謝、生態系のグローバルな変化を垣間見ることができた。また、全メタゲノム解析により、培養不可能なTM7を含む口腔マイクロバイオームの主要な構成要素のゲノムを明らかにすることができました。その結果、疾患マイクロバイオームが病原性因子に富み、宿主の恒常性維持機能の破綻を利用した寄生的な生活様式に適応していることが明らかになりました。さらに、疾患サンプルは、完全に健康なサンプルには見られない共通の構造を有しており、疾患状態は、口腔マイクロバイオームの可能な構成の空間の中で狭い領域を占めている可能性が示唆された。本研究は、歯周病における口腔内細菌群の役割を理解するためのツールとして、ハイスループットなシーケンシングが有効であることを示すものである。わずかな量のシーケンス（イルミナ76 bp PE 2レーン）と高いヒトDNA汚染（最大90%）にもかかわらず、我々はいくつかの口腔内微生物を部分的に再構築し、健常者と疾患者の口腔内マイクロバイオームのシステムレベルの差異を予備的に明らかにすることができた。

The oral microbiome, the complex ecosystem of microbes inhabiting the human mouth, harbors several thousands of bacterial types. The proliferation of pathogenic bacteria within the mouth gives rise to periodontitis, an inflammatory disease known to also constitute a risk factor for cardiovascular disease. While much is known about individual species associated with pathogenesis, the system-level mechanisms underlying the transition from health to disease are still poorly understood. Through the sequencing of the 16S rRNA gene and of whole community DNA we provide a glimpse at the global genetic, metabolic, and ecological changes associated with periodontitis in 15 subgingival plaque samples, four from each of two periodontitis patients, and the remaining samples from three healthy individuals. We also demonstrate the power of whole-metagenome sequencing approaches in characterizing the genomes of key players in the oral microbiome, including an unculturable TM7 organism. We reveal the disease microbiome to be enriched in virulence factors, and adapted to a parasitic lifestyle that takes advantage of the disrupted host homeostasis. Furthermore, diseased samples share a common structure that was not found in completely healthy samples, suggesting that the disease state may occupy a narrow region within the space of possible configurations of the oral microbiome. Our pilot study demonstrates the power of high-throughput sequencing as a tool for understanding the role of the oral microbiome in periodontal disease. Despite a modest level of sequencing (~2 lanes Illumina 76 bp PE) and high human DNA contamination (up to ~90%) we were able to partially reconstruct several oral microbes and to preliminarily characterize some systems-level differences between the healthy and diseased oral microbiomes.