A global genomic and structural resource for the human skin microbiome

人間の身体は単独の生物ではなく、活気に満ちた生態系であり、私たちの内側や表面に生息する微小な生命がひしめき合う景観である。これら多くの微生物が住処とする場所の中でも、皮膚は広大で露出したフロンティアとして際立っている。皮膚は乾燥しており、酸性で、栄養も乏しい環境であるが、それにもかかわらず、細菌、真菌、ウイルス、そして古細菌からなる複雑なコミュニティを支えている。数十年にわたり、科学者たちはこの皮膚マイクロバイオームが、免疫システムにその機能を教え、物理的な障壁を維持する上で極めて重要な役割を果たしていることを理解してきた。しかし、私たちのこの世界に対する見方は、これまでぼやけたものだった。皮膚には腸内と比較して微生物が少なく、またヒトのDNAがサンプルの微生物信号をかき消してしまうことが多いため、研究者たちはそこに生息する生物の完全なライブラリを構築することに苦心してきた。誰がそこにいて、彼らが何を行う能力を持っているのかという包括的なカタログがなければ、これらのコミュニティがいかにして健康を維持しているのか、あるいは疾患が発生したときにどのように変化するのかを理解することは困難である。

研究チームは今回、より広い網を投げかけ、人間の皮膚に隠された多様性を照らし出す大規模な新しいリソースを創出した。中国全土から新たに収集された数千のサンプルと、世界中の既存データを組み合わせることで、彼らは皮膚微生物から約50万個のゲノムを再構築した。「グローバル・スキン・メタゲノム・データ（Global Skin Megagenomic Data）」として知られるこの取り組みは、皮膚に数万種もの、科学者がこれまで見たことのない種が存在することを明らかにしている。この研究は、単にこれらの新しい生物を列挙するだけでなく、彼らの遺伝的設計図をマッピングすることで、どのような役割を果たすのかを推測している。研究者たちは、これまで研究されてこなかったタンパク質の三次元構造を予測するために高度なコンピュータモデルを使用することで、以前は目に見えなかった膨大な生物学的機能の貯蔵庫を掘り起こした。この成果は、皮膚マイクロバイオームを、謎に包まれた理解の乏しい層から、詳細で高解像度なマップへと変貌させ、私たちの身体が微小な世界とどのように相互作用しているかを理解するための新たな基盤を提供している。

この新しいマップを構築するために、研究者たちは驚異的な量の遺伝物質を集めた。彼らは、年齢、肌質、健康状態が多岐にわたる中国のボランティアから収集された12,409個の皮膚サンプルをシーケンスし、さらに世界中の公開データベースから4,396個のサンプルを追加した。また、実験室で培養された細菌や真菌から得られた約3,000個のゲノムも組み入れた。強力なコンピュータを用いて、これらのDNA断片をつなぎ合わせ、完全なゲノムへと組み立て、452,397個の明確に異なる微生物ゲノムを再構築した。このプロセスにより、11,891の細菌および古細菌のグループ、165の真菌のグループ、そして77,770のウイルスのグループを、種レベルのカテゴリーとして特定することができた。おそらく最も重要なことは、これら種レベルのグループのうち、既存のデータベースに一致するものがないものが約43,000存在したことであり、これらは完全に科学界にとって未知の存在であることを意味している。これらの発見は、既知の皮膚微生物の系統樹を77パーセント近く拡大させ、私たちの皮膚に存在する生命の多様性が、これまで想像されていたよりもはるかに豊かであることを明らかにした。

研究の結果、これらの新しく発見された微生物は、影に隠れた珍しい異物などではなく、広く分布し、豊富に存在していることが判明した。彼らは顔の脂っぽい領域、腕や脚の乾燥した部分、そして体の湿ったひだの中に生息している。彼らは健康な皮膚にも、円板状エリテマトーデス、白斑、円形脱毛症、男性型脱毛症を含む様々な疾患の影響を受けた皮膚にも存在する。実際、いくつかの疾患状態においては、これらの未知の微生物が全微生物コミュニティの4分の1以上を占めていた。研究者たちは、これらの新しい生物が何をしているのかについても調査した。彼らの遺伝子を分析した結果、これらの未分類の微生物が栄養素を処理したりビタミンを生成したりする独自の能力を持っていることが分かった。また、これらの新しいグループは抗生物質への耐性遺伝子を保持していることも判明し、科学者が既知の細菌のみに注目していたために、皮膚がこれまで見過ごされてきた薬剤耐性の隠れた貯蔵庫であることを示唆している。

細菌以外にも、研究者たちはこれまでほとんど無視されてきた豊かなウイルスと真菌の世界を掘り起こした。彼らは約19万個のウイルスゲノムを特定したが、そのほとんどは細菌に感染するウイルスである「バクテリオファージ」であった。これらのウイルスは細菌の宿主と複雑な関係を築いており、細菌の個体数を抑制する自然な調節因子として機能している可能性がある。研究は、これらのウイルスの多くが皮膚に特有のものであり、腸内や海洋には存在しないことを示しており、皮膚環境のユニークさを強調している。同様に、Malassezia（マラセチア）属によって支配されている皮膚の真菌成分も、多くの未知の種を含んでいることが分かった。研究者たちは、異なる真菌のグループが複雑な化学物質を作り出す特殊な能力を備えていることを発見したが、これは彼らが皮膚の過酷な条件を生き抜いたり、ヒトの宿主と特定の形で相互作用したりするのに役立っている可能性がある。

この研究の最も革新的な側面の一つは、チームが「機能的なダークマター（機能的な暗黒物質）」の問題にどのように取り組んだかである。生物学において、科学者はタンパク質のように見えるものの、データベース内の既知のタンパク質とは一致しない遺伝子を見つけることがあり、その機能は謎のまま残される。この問題を解決するために、研究者たちは17億個以上のタンパク質配列の三次元構造を予測した。人工知能を使用してこれらのタンパク質の形状をモデリングすることで、正確な遺伝子配列が分からなくても、それらが何をする可能性があるかを推論することができた。彼らは、既知のマッチがない79,434のタンパク質グループに焦点を当てた。そのうち1,018個に対して、信頼度の高い3Dモデルを生成した。これらのモデルは、タンパク質が酵素として機能することを示唆する独特な形状やポケットを明らかにし、微生物が栄養素を分解したり分子を輸送したりするのを助けている可能性が高い。発見されたものの中には、医学や産業に利用できる可能性のある新しいタイプの酵素が含まれており、未知の遺伝コードのリストを、潜在的なツールのライブラリへと変えたのである。

研究者たちはまた、ウイルスとそれが感染する細菌との関係を追跡した。彼らは、ウイルスが特定の細菌グループを標的にする傾向があり、皮膚に一般的な特定の種類の細菌を好むことを発見した。これは、ウイルスが細菌の個体数を一極集中させるのを防ぐことで、皮膚のマイクロバイオームを形成する上で重要な役割を果たしていることを示唆している。研究は、これらの新しく発見された未知の細菌もこのウイルスのネットワークの一部であることを示しており、これらが広範な生態系に統合されていることを示している。この相互接続された視点は、環境の変化や宿主の健康状態の変化に直面しても、皮膚マイクロバイオームがいかに安定し、回復力を持っているかを説明する助けとなる。

この包括的なリソースは、ヒトの皮膚に関する私たちの理解における大きな飛躍を意味する。生物の詳細なカタログと、それらが使用する遺伝的ツールを提供することで、この研究は皮膚マイクロバイオーム研究の進展を遅らせてきた主要な障壁を取り除いた。それは、皮膚が細菌、真菌、ウイルス、そして古細菌が複雑な方法で相互作用する、多領域にわたる複雑な生態系であることを示している。数千種の新しい種を発見し、その潜在的な機能をマッピングしたことは、これらの微生物が人間の健康にどのように影響を与えるかについて、まだ学ぶべきことが多く残されていることを示唆している。このチームが作成したデータとツールは現在、他の科学者たちにも公開されており、彼らはそれらを用いて新しい問いを探求し、より優れた診断法を開発し、そして、私たちの皮膚の自然な住人と戦うのではなく、それらと共に働くことで、皮膚疾患を治療する新しい方法を見つけ出すことができるのである。