細菌に関する基礎知識 第２回「16S rRNA遺伝子解析とは」

　DNA配列解読技術の進歩により、様々な環境（土壌・海水・生体表面や内部など）に生息する微生物から遺伝子情報であるDNAを抽出し、網羅的に解析（メタゲノム解析）することが可能になりました。これまでのように特定の微生物のみに着目した研究から、多数の生物群の相互関係を俯瞰的に捉える研究が進められています。
　​「16S rRNA遺伝子解析」とは、微生物のうち「細菌」に着目し、その存在比率を推定する手法です。採取した微生物からDNAを抽出し、細菌と古細菌などの原核生物が有している「16S リボゾームRNA遺伝子（16S rRNA遺伝子 または16S rDNA）」という遺伝子断片を増幅・解読することで行います。16S rRNA遺伝子の塩基配列は細菌種毎に少しずつ異なっており、その配列の違いを解読することで、どのような細菌がどれ位の割合で存在するかを知ることができるのです。

　初期の研究では、解析したい細菌種をそれぞれ単離し、培養して増殖させた上で、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR: Polymerase chain reaction）によって16S rRNA遺伝子断片を増幅・解析していました。従って、単離培養できない（培養条件が確立していない）細菌種は推定することができませんでした。近年になって細菌叢の研究が急速に進展した背景には、単離培養を介さずに採取した微生物群の塩基配列を短時間に大量に解読することのできる「次世代シーケンサー」の開発と共に、配列情報の処理に用いるコンピュータの能力向上があるのです。　
　この16S rRNA遺伝子は、生命維持に必須な機能を担っており、変異が入ってしまうと死に至ってしまう領域があります（保存領域）。しかし、変異が入っても死に至らない領域（超可変領域）が保存領域の間に9つ点在しており（V1~V9）、進化の過程で変異が蓄積され細菌種の特徴を示すようになりました。16S rRNA遺伝子解析では、この超可変領域を菌種の推定に使用します。16S rRNA遺伝子は約1,500 bpの長さがあり、超可変領域の全ての配列を解読するには費用が掛かってしまいます。そこで、一般的にはV1〜V9の１部の配列（例えばV3-V4領域やV1-V2領域など）を解読・解析することで細菌種の推定を行います。ただ、解読する超可変領域の数や場所を限定すると、遺伝学的に近縁な関係にある種の分類が困難な場合があることを念頭において解析する必要があります。この16S rRNA遺伝子解析は、細菌種を分類を完全にできるものではありませんが、細菌叢の研究で非常に有用な解析手法となっています。
　因みに、リボソームRNA遺伝子は１細胞のゲノム当たりのコピー数が種によって異なっています。例えば、アクネ菌であれば３コピー、大腸菌であれば７コピー保有しています。従って、16S rRNA遺伝子のコピー数を解析することは、細菌数を調べることと同義ではありません。