マラリアはアフリカにおいて依然として主要な死亡原因および疾病原因であり、特に5歳未満の乳幼児に深刻な影響を与えています。この疾患を予防する最も効果的な手段は、ハマダラカ（Anopheles）成虫を標的とする殺虫剤です。これらの対策が広く実施された結果、現在では最も一般的に使用されている殺虫剤に対する耐性がアフリカ全土に蔓延しています。この表現型を引き起こす根本的なメカニズムを理解することは、耐性の拡大を追跡し、それを克服するための新たな手段を開発するために不可欠です。
本研究では、ブルキナファソ産の殺虫剤耐性のあるAnopheles gambiae、Anopheles cruzi、Anopheles arabiensisの個体群と、同じくエチオピア産の殺虫剤感受性のある個体群の微生物叢構成を比較しました。
殺虫剤耐性菌と耐性菌の微生物叢構成に違いは見られませんでした。殺虫剤ブルキナファソの感受性集団において、殺虫剤耐性が認められました。この結果は、ブルキナファソの2カ国におけるコロニーを対象とした実験室研究によって確認されました。対照的に、エチオピア産のAnopheles arabiensis（ハマダラカ）では、殺虫剤曝露後に死亡した個体と生存した個体の間で、微生物叢の構成に明確な違いが見られました。このAnopheles arabiensis集団の耐性についてさらに調査するため、RNAシーケンシングを実施し、殺虫剤耐性に関連する解毒遺伝子の発現差、ならびに呼吸、代謝、シナプスのイオンチャネルの変化を発見しました。
私たちの研究結果は、場合によっては、トランスクリプトームの変化に加えて、微生物叢が殺虫剤耐性の発達に寄与する可能性があることを示唆しています。
耐性はしばしば媒介蚊 Anopheles の遺伝的要素として説明されるが、最近の研究ではマイクロバイオームは殺虫剤への曝露に応じて変化することが示されており、これらの生物が耐性において役割を果たしていることを示唆している。実際、中南米の媒介蚊 Anopheles gambiae の研究では、ピレスロイドへの曝露後に表皮マイクロバイオームに有意な変化が見られ、有機リン剤への曝露後にはマイクロバイオーム全体が変化することが示された。アフリカでは、ピレスロイド耐性はカメルーン、ケニア、コートジボワールの微生物叢の構成の変化と関連付けられており、実験室で適応した Anopheles gambiae はピレスロイド耐性の選択後に微生物叢の変化を示している。さらに、実験室で定着した Anopheles arabiensis 蚊に対する抗生物質による実験的処理および既知の細菌の追加は、ピレスロイドに対する耐性の増加を示した。これらのデータを総合すると、殺虫剤耐性は蚊の微生物叢に関連している可能性があり、殺虫剤耐性のこの側面は病気媒介生物の防除に利用できる可能性があることが示唆されます。
本研究では、16Sシーケンシングを用いて、西アフリカと東アフリカで実験室でコロニー化した蚊と野外で採集された蚊の微生物叢が、ピレスロイド系殺虫剤デルタメトリンへの曝露後に生存した蚊と死亡した蚊で異なるかどうかを調べた。殺虫剤耐性という観点から、アフリカの異なる地域に生息する蚊の種や耐性レベルが異なる微生物叢を比較することは、微生物群集に対する地域的影響を理解する上で役立つ可能性がある。実験室コロニーはブルキナファソ産で、ヨーロッパの2つの異なる実験室（ドイツではAn. coluzzii、イギリスではAn. arabiensis）で飼育された。ブルキナファソ産の蚊はAn. gambiae種群の3種すべてを代表し、エチオピア産の蚊はAn. arabiensisを代表していた。本研究では、エチオピア産のAnopheles arabiensisは生蚊と死蚊において異なる微生物叢の特徴を示したのに対し、ブルキナファソ産および2つの研究室産のAnopheles arabiensisでは特徴が見られなかったことを示す。本研究の目的は、殺虫剤耐性についてさらに調査することである。Anopheles arabiensisの個体群に対してRNAシークエンシングを実施したところ、殺虫剤耐性に関連する遺伝子が発現上昇している一方で、呼吸関連遺伝子は全体的に変化していることがわかった。これらのデータをエチオピア産の別の個体群と統合することで、この地域における主要な解毒遺伝子が特定された。さらにブルキナファソ産のAnopheles arabiensisとの比較を行ったところ、トランスクリプトームプロファイルに有意な差が認められたが、それでもアフリカ全域で過剰発現している4つの主要な解毒遺伝子が特定された。
次に、各地域の各種の生きている蚊と死んだ蚊を 16S シーケンス法を使用してシーケンスし、相対的な存在量を計算しました。アルファ多様性に違いは見られず、操作的分類単位 (OTU) の豊富さに違いがないことを示しています。ただし、ベータ多様性は国間で大幅に異なり、国と生死状態の相互作用項 (それぞれ PANOVA = 0.001 と 0.008) は、これらの要素間に多様性が存在することを示しています。ベータ分散に国間で違いは見られず、グループ間に同様の分散があることを示しています。Bray-Curtis 多変量スケーリング プロット (図 2A) は、サンプルが場所によって大きく分離されていることを示していましたが、いくつか注目すべき例外がありました。An. arabiensis コミュニティからのいくつかのサンプルと An. coluzzii コミュニティからの 1 つのサンプルはブルキナファソのサンプルと重複しましたが、ブルキナファソの An. arabiensis サンプルの 1 つのサンプルは An. arabiensis 群集サンプルでは、微生物相が多くの世代にわたって複数の地域にランダムに維持されたことを示している可能性がある。ブルキナファソのサンプルは種によって明確に分離されていなかった。異なる幼虫環境に由来するにもかかわらず、個体がその後プールされたため、このような分離の欠如は予想されていた。確かに、研究により、水生段階で生態学的ニッチを共有することで微生物相の構成に大きな影響を与えることができることが示されている [50]。興味深いことに、ブルキナファソの蚊のサンプルと群集では殺虫剤曝露後の蚊の生存率や死亡率に違いが見られなかったのに対し、エチオピアのサンプルは明確に分離されており、これらの Anopheles サンプルの微生物相の構成は殺虫剤耐性と関連していることを示唆している。サンプルは同じ場所から採取されたため、より強い関連性が説明できるかもしれない。
ピレスロイド系殺虫剤耐性は複雑な表現型であり、代謝や標的の変化は比較的よく研究されている一方、微生物叢の変化の探究は始まったばかりである。本研究では、微生物叢の変化が特定の集団ではより重要である可能性があることを示し、さらにバハルダール産のアラビエンシスにおける殺虫剤耐性を特徴づけ、既知の耐性関連転写産物の変化、およびエチオピア産アラビエンシス集団の以前のRNA-seq研究でも明らかであった呼吸関連遺伝子の有意な変化を示す。これらの結果を総合すると、これらの蚊の殺虫剤耐性は遺伝的要因と非遺伝的要因の組み合わせに依存している可能性があることが示唆され、これはおそらく、耐性レベルの低い集団では土着細菌との共生関係が殺虫剤の分解を補完する可能性があるためである。
最近の研究では、呼吸数の増加と殺虫剤耐性が関連付けられています。これは、バハルダールRNAseqのエンリッチドオントロジー用語と、今回得られたエチオピアの統合データと一致しています。このことからも、耐性が呼吸数の増加につながることが示唆されます。これは、この表現型の原因または結果として、耐性が呼吸数の増加につながることが示唆されています。これらの変化が、以前に示唆されたように、活性酸素種および活性窒素種のポテンシャルの違いにつながる場合、長期共生細菌によるROS清掃に対する細菌耐性の違いを通じて、媒介生物の能力と微生物の定着に影響を与える可能性があります。
ここで提示されたデータは、微生物叢が特定の環境において殺虫剤耐性に影響を及ぼす可能性があることを示す証拠となる。また、エチオピアのAn. arabiensis蚊が殺虫剤耐性を付与する同様のトランスクリプトーム変化を示すことも実証したが、ブルキナファソのものと対応する遺伝子の数は少ない。ここで得られた結論および他の研究で得られた結論に関して、いくつかの留意点が残っている。第一に、ピレスロイドの生存と微生物叢との因果関係を、メタボローム研究または微生物叢移植を用いて実証する必要がある。さらに、異なる地域の複数の集団における主要候補の検証も必要である。最後に、標的移植後研究を通じてトランスクリプトームデータと微生物叢データを組み合わせることで、微生物叢がピレスロイド耐性に関して蚊のトランスクリプトームに直接影響を与えるかどうかについて、より詳細な情報が得られるだろう。しかしながら、総合的に判断すると、我々のデータは耐性が地域的かつ国境を越えて存在することを示唆しており、複数の地域で新しい殺虫剤製品を試験する必要があることを浮き彫りにしている。
投稿日時: 2025年3月24日