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アプリケーション概要
ゲノム分割されたメタゲノムを取得、AMR 遺伝子と微生物との関連付け、ファージと宿主の関連付け、代謝経路を再構築
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アプリケーションガイドライン
革新的な技術と計算ツールを活用してメタゲノムサンプルを解読し、研究、産業に応用
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メタゲノムデコンボリューション
単一サンプルから数百の高品質な株レベルのゲノムをアセンブル
メタゲノムサンプル中に存在する膨大な数の微生物を同定するために、様々なシークエンシング戦略が開発されてきました。最も一般的に使用されているアプローチは、(i)
細菌の 16S リボソーム RNA (rRNA) 遺伝子または真菌の内部転写スペーサー（ITS） 領域を標的とした、アンプリコンベースのショートリードシークエンシング、または(ii)
ショットガンメタゲノムショートリードシークエンシングです。データが生成された後、課題となるのは、各シークエンシングリードの分類学的起源を同定し、複雑な微生物集団を構成するすべてのメンバー（細胞全体）の存在量のごく一部しか存在しない微生物でさえも）のゲノムを再構築することです。メタゲノムデコンボリューションのための多くの計算手法は、参照ゲノムへのアライメント、ビニング、その他先験的知識や統計的仮定を必要とする手法に依存しています。
Phase Genomics 社の ProxiMetaTM プラットフォームは、メタゲノムデコンボリューションにおける当て推量を排除します。細胞内で共存する配列の直感的な証拠（Phase Genomics
社の近接ライゲーションキット（Hi-Cキット）を用いて生成）を用いて、ショットガンシークエンシングのリードを、それらが属する細菌、真菌、藻類、原生動物、およびウイルスに高い信頼性で割り当てます。近接ライゲーションデータは、ゲノムのスキャフォールディングに必要な長距離情報も提供し、可動性エレメントの宿主への帰属を可能にします。
ProxiMetaTM プラットフォームを用いた高品質アセンブリの事例：
・ヒトの糞便サンプル
・ウシのルーメンサンプル
・廃水サンプル
・埋立地の分解ポリウレタンから回収された微生物群集
・地ビール
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ヒトマイクロバイオーム
私たちの健康（あるいは不健康）を維持する数百万もの微生物たち
ヒトマイクロバイオーム（人体に生息するあらゆる微生物の遺伝物質）は、数百万ものいでんし（私たち自身の遺伝子の約200倍）で構成されています*1。これらの驚くべき微生物群は、私たちの発育に不可欠であり、食物の消化も助け、免疫システムを制御し、病原体から私たちを守り、そして疾患の新たなバイオマーカーを提供します。マイクロバイオームの機能不全は、肥満、糖尿病、自己免疫疾患、その他多くの疾患と関連しています。
ヒトマイクロバイオームの全メンバー（培養不可能なものも含む）について、再現性のある菌株レベルの特性評価を行うことは、微生物群集構造、遺伝子機能、代謝産物と健康転帰を結びつける上で不可欠です。Phase
Genomics 社の ProxiMetaTM メタゲノムデコンボリューションプラットフォームは、参照ゲノムやビニングの様なアプリオリな情報に頼ることなく、ヒトマイクロバイオータの高品質でスケーラブル、培養不要の
de novo デコンボリューションを可能にすることで、ヒトマイクロバイオーム研究における新しいスタンダードを提供します。さらに、プラスミドやその他の可能性遺伝子要素を特定の微生物群に正確に割り当てることで、生物学的および医学的に関連する多くの疑問に初めて答えることが可能になります。
ProxiMetaTM プラットフォームの活用事例：
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ウイルスゲノムの再構築と宿主の同定
ファージを発見し、等主と結びつける - 培養は不要
ウイルスは細菌、古細菌、真核生物に感染し、遍在しています。微生物系において、ウイルスは感染と遺伝子水平伝播の媒介者として宿主の進化と個体群動態を形成し、その結果、微生物が生息する自然生態系と人工生態系に重大な影響を与えています*1,*2。
メタゲノム技術は、環境ウイルス叢の研究において重要な手段となっています。しかし、ショットガンシークエンスデータには、断片化されたゲノムを再構築するために必要な長距離情報が欠けています。そのため、メタゲノムのアセンブリやビニングのパイプラインは、参照データベースからの先験的知識や統計的仮定に頼らざるを得ません。これらの手法では、複雑な微生物群集において、どの配列がどの細胞に由来するかを確実に特定することもできません。そのため、メタゲノムアセンブリゲノム（MAG）は不完全で汚染された状態となります。さらに、従来のビニング手法では、メタゲノムサンプルに含まれるウイルスの真の宿主を正確に特定することがほとんどできず、微生物生態系の理解に大きなギャップを残しています。
Phase Genomics 社の ProxiMetaTM メタゲノムデコンボリューションプラットフォームは、新しい ProxiPhageTM アルゴリズムを搭載し、近接ライゲーション（Hi-C）技術を用いて、同一細胞内の配列間の物理的相互作用を捕捉します。ProxiPharge は、この付加的な連鎖情報によってメタゲノム解析を強化し、DNA
ウイルス（ファージ）の特異的かつ高感度な宿主帰属を可能にし、その過程でより多くのより高品質な細菌およびウイルスゲノムを再構築します。
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ProxiMetaTM プラットフォームを用いて、ショートリードショットガンおよび近接ライゲーション（Hi-C）シークエンスデータから構築したウイルスメタゲノムアセンブルゲノム（vNAG,
外側リング）
ここに示されている 42 の vMAG はすべて、それぞれ 5kb 以上のコンティグも 3 つ以上で構成され、すべてのコンティグには物理的な宿主接続シグナルがあります。各
vMAG に関連付けられたコンティグは同じ色で示されています。コンティグ内のバーは、同じサンプルから再構成された特定の微生物 MAG との物理的なリンクを表し、ウイルスと宿主の関連を示しています。濃い色のバーは、推定コピー数が多いことを示します。vMAG
全体に並んだバーは、同じ宿主に対する複数のコンティグのつながりを示しています。追加の円形レイヤー（ウイルス）およびバープロット（宿主、右上）は、それぞれ個々のコンティグまたは
MAG の特性を表しています。これらには、長さ、GC 含量、およびロングリードメタゲノムアセンブリへのアライメントに基づく推定完全性が含まれます*3。 |
ProxiMeta パイプラインを用いてウイルスコンティグが同定された細菌宿主
カラーマップは、宿主における各ファージゲノムの推定平均コピー数の対数を表しています。ファージコンティグの上の色は、それらが属する vMAG を示しています。ほぼ完全な
vMAG を形成するウイルスコンティグのみが表示されています。吹き出しは、推定される共感染イベント（水平性）と、複数の宿主に感染する無差別ファージ（垂直線）の例を強調しています。
bioRxiv preprint、アプリケーションノート、World Microbe Forum 2021 Poster をダウンロードして、メタゲノムサンプルからの正確なウイルスゲノムの再構築と宿主帰属についての詳細をご覧ください。 |
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可動性遺伝子と宿主の帰属
可動性遺伝子とその宿主を関連付けることで、完全なマイクロバイオームを得る
可動性遺伝要素 (MGE)の水平遺伝子伝播は、微生物密度の高い環境における遺伝子構成と多様性の原動力となっています。メタゲノムサンプルでは、細菌プラスミド、細菌またはウイルスに関連するファージ、トランスポゾン、抗生物質耐性遺伝子（ARG）などの
MGE が、遺伝物質の最大 25％ を占めることがあります*1。しかし、これらの MGE の多様性と構造、そしてそれらが伝播するメカニズムについては、ほとんど解明されていません。メタゲノムショットガンシークエンシングでは、複雑な未解析の微生物集団の
DNA ライブラリー調製中に断片化・混合されるため、仮定に基づく計算手法では、その DNA を解きほぐすことはできません。例え MGE を同定できたとしても、サンプル採取時に関連していた個々の生物や菌株に帰属させることは事実上不可能です。
Phase Genomics 社の ProxiMetaTM メタゲノムデコンボリューションプラットフォームを使用すれば、MGE の宿主帰属は容易に行えます。近接ライゲーション法によるライブラリー調製は、生体内の細胞内で共存する
DNA 断片を捕捉し、メタゲノムサンプルからアセンブルされたゲノムとショットガンシークエンスデータを用いて同定された MGE とを直接結び付けます。この付加的な情報は、抗生物質耐性の研究と調査において不可欠なものになりつつあります。
ProxiMeta プラットフォームの活用事例：
・下水サンプル中のレジストームとプラスチドームをマイクロバイオームにリンクさせる
・牛のルーメンサンプル中のウイルスおよび抗菌薬耐性遺伝子を微生物宿主に割り当てる
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真菌ゲノミクス
真菌界の謎を解き明かす
真菌類は真核生物において地球上で最大のグループを構成しており、220万種から380万種と推定されています*1。その中には、科学的、生態学的、そして商業的に重要なキノコ、カビ、酵母、植物寄生性のサビ病菌や黒穂病菌など、そして広く研究されているモデル生物である
Saccharomyces cerevisiae、Schizosaccharomyces pombe、Neurospora crassa、Penicillium chrysogenum など数千種が含まれます。真菌は猛毒を作り出し、人命を脅かす病気を引き起こし、農作物や家畜に壊滅的な被害をもらたす一方、パンやビールなど様々な培養食品や発酵食品、飲料に利用されています。また、真菌は抗生物質、免疫抑制剤、その他の化学療法剤ももたらしてきました。真菌は、進化関係や生体系の動態を明らかにし、細胞周期の制御、クロマチン構造、遺伝子制御を理解し、バイオマーカーを同定し、組換えタンパク質やエネルギーを生産し、バイオレメディエーションにも利用することを可能にしました。
ゲノムスキャフォールディング解析は、真菌研究において不可欠なツールとなりつつあります。動物や植物と同様に、真菌ゲノムには反復配列、重複配列、構造要素といったシークエンシングとアセンブリを複雑にする困難な要素が含まれています。近接ライゲーション（Hi-C）技術を基盤とするこの方法は、こうしたゲノム上の複雑な結び目を解きほぐすことを可能にし、多様でありながらこれまで顧みれなかった生命界全体のゲノムを自在に操る可能性を示しています。
Hi-C の活用例：
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抗生物質耐性とサーベイランス
抗生物質耐性遺伝子、リザーバー、メカニズムの研究で新たな局面を切り開く
世界保健機関（WHO）によると、抗生物質耐性または抗菌薬耐性（AMR）は、世界の健康、食料安全保障、そして開発に対する最大の脅威の1つです*1。可動性遺伝要素（MGE）は、様々な環境リザーバーから抗生物質耐性遺伝子（ARG）を水平伝播させるメカニズムを提供します。効果的なサーベイランス、予防、そして制御戦略を策定するには、ARG
の多様性、存在量、そして分布を徹底的に理解することが不可欠です。しかし現在、ARG の宿主やその拡散を媒介する MGE（プラスミド、トランスポゾン、インテグロン）を同定する能力が、この問題を妨げています。
Phase Genomics 社の ProxiMetaTM メタゲノムデコンボリューションプラットフォームは、AMR 研究のための強力なツールを提供します。近接ライゲーションライブラリ調製は、生体内の細胞内で共存する
DNA 断片を捕捉します。ショットガンメタゲノムとの計算統合により、MGE および ARG と宿主との正確な株レベルでの割り当てが可能になります。
ProxiMeta プラットフォームの活用事例：
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発見、バイオプロスペクティング、機能メタゲノミクス
種、株、遺伝子、遺伝子機能など、さらに多くの発見を
地球上には 1 兆（10 の 12乗）種もの微生物種が存在すると予測されていますが、そのうち 99.999％ は未発見です*1。新しい微生物の発見は、生物多様性の予測や生態学的研究にとって重要であるだけでなく、「バイオプロスペクティング」と呼ばれる自然界からの有用な産物の探索においても重要です。複雑な環境サンプルからの発見と機能メタゲノミクスは、従来、多くの微生物が培養不可能である、または、存在量が非常に少ないこと、そしてアノテーション付き参照ゲノムに基づくデータ解析手法に依存していることなどにより妨げられてきました。
ProxiMetaTM メタゲノムデコンボリューションプラットフォームは、培養を必要とせず、先験的データにも依存しないため、発見とバイオプロスペクティングのために設計されています。サンプル中の細胞含有量がわずか
0.05％ の微生物に対しても高品質なゲノムを組み立てることができるため、新規の生物、菌株、遺伝子の発見や遺伝子機能の予測が容易になります。
ProxiMeta プラットフォームの活用事例：
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複雑な微生物群集の全体像を、あらゆる可動部分を含めて把握する
アプリケーション
