大腸菌の系統的調査から腸内細菌叢における短鎖脂肪酸および乳酸の生合成に寄与する潜在的な遺伝子を発見した

Discovery of potential genes contributing to the biosynthesis of short-chain fatty acids and lactate in gut microbiota from systematic investigation in E. coli.

• Chunhua Zhao
• Hongjun Dong
• Yanping Zhang
• Yin Li

抄録

微生物相は、ヒト、家畜、野生動物の内部環境や健康に重要な役割を果たしている。短鎖脂肪酸（ＳＣＦＡ）と乳酸は、ヒトの微生物叢の構成と機能に影響を与える一次代謝物である。よく知られているキー合成遺伝子によると、腸内微生物叢には多くのSCFA産生菌や乳酸産生菌が確認されている。しかし、未知の遺伝子もまた、SCFAや乳酸の形成に寄与している可能性がある。このような遺伝子の同定は、有益なマイクロバイオータの安定した構造を維持するための新たな工学的ターゲットと新たな戦略を提供することになる。本研究では、大腸菌をモデルとして、これまでによく知られている遺伝子以外にも、SCFAs や乳酸の産生に関連する可能性のある遺伝子を解析した。本研究では、大腸菌をモデルとし、19 の候補遺伝子の機能を、標的遺伝子の欠失および過剰発現を用いて調べた。その結果、yciA, tesA, tesB, menI などのチオエステラーゼ遺伝子がアセテートや酪酸の生成に寄与することが示唆された。また、乳酸に関しては、ldh遺伝子に加えてmgsA、lldDが機能していることがわかった。同時に、これらの機能性遺伝子の腸内細菌叢における分布を調べた。その結果、ほとんどの細菌がよく研究されている遺伝子を持っているのに対し、一部の細菌には、これまでに報告されていない遺伝子が含まれていることが分かりました。これらの結果は、腸内細菌叢における新たなSCFA産生菌や乳酸産生菌の発見のための洞察と遺伝学的ターゲットを提供するものである。

Microbiota play important roles in the internal environment and health of humans, livestock and wild animals. Short-chain fatty acids (SCFAs) and lactate are primary metabolites that can impact the composition and function of human microbiota. According to the well-characterized key synthesis genes, many SCFA- and lactate-producing bacteria have been identified in the gut microbiota. However, unknown genes may also contribute to the formation of SCFAs and lactate. The identification of such genes will provide new engineering targets and new strategies for maintaining a stable structure of beneficial microbiota. In this study, we used Escherichia coli as a model to analyze possible genes related to SCFAs and lactate production besides the well-characterized ones. The functions of nineteen candidate genes were studied by targeted gene deletion and overexpression. Results indicated thioesterase genes such as yciA, tesA, tesB, and menI can contribute to acetate and/or butyrate formation. As for lactate, mgsA and lldD can function in addition to ldh gene. At the same time, the distribution of these functional genes in gut microbiota was investigated. Most bacteria contain the well-studied genes whereas some bacteria contain some of the described unusual ones. The results provide insights and genetic targets for the discovery of new SCFA- and lactate-producing bacteria in gut microbiota.