利他としての病原体感染による死:実験と数理を連結した集団動態モデル系での解明

病原体感染导致的死亡是利他主义：利用结合实验和数学的群体动力学模型系统进行阐明

• 批准号: 11J06152
• 负责人: 福世 真樹
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2012
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J06152/
• 关键词: 感染; 進化; 利他行動; モデル実験; シミュレーション; 大腸菌; ファージ; 実験

感染の疫学はこれまで、もっぱら流行の観測とその数理モデル化によって進められており、実験的解析は一部の例外を除いてあまり行われていない。研究代表者は去年度までの研究で、自殺型感染防御仮説の検証を、ホストを大腸菌、病原体をλファージとする大規模(10^8個体)集団感染実験系と巨大な(10^4xlO^4)二重二次元格子を用いたシミュレーションの双方から行い、病原体は弱毒の方向に進化し、ホストは病原体に強毒を強いる方向に進化するという、病原体とホストの新たなせめぎ合いを見出した。しかし、感染実験では病原体耐性ホストの出現、空間構造ありでの継代培養方法が確立していない等の問題点が発見された。そこで今年度は、この大規模集団感染実験とシミュレーションを連結したアプローチを、感染の集団生物学の様々な問題へ応用するため、これらの問題点を解決することによる集団感染実験系の改良を行った。具体的には病原体耐性ホストの出現を、"ホストに病原体が感染するためのレセプターをコードしている1amB遺伝子を過剰に発現する"、"病原体のホストへの感染に必要なMgの濃度を調整する"といった手法で、空間構造ありでの継代培養方法は、"ベルベットスタンプによるプレートレプリカ方を用いる"、"通常よりも高い寒天濃度の寒天培地を用いる"といった手法で、それぞれ解決した。また、自殺型感染防御戦略と、その対抗戦略である免疫獲得戦略の進化について数理解析を行ったところ、自殺型感染防御戦略は哺乳類のような増殖コストの高い生物よりも、微生物のような増殖コストの低い生物で、より定着しやすいことが判明した。この病原体の毒性の進化に関する新たな説は、病原体とホストの関係を理解する上での新しい視点を提供する。また、この大規模集団感染実験とシミュレーションを連結したアプローチは、動植物をホストとするウイルスや細菌への応用が期待される。

到目前为止，感染的流行病学仅通过观察流行病并对其进行数学建模来取得进展，除了一些例外，还没有进行太多的实验分析。截至去年的研究中，主要研究者一直在使用以大肠杆菌为宿主、λ噬菌体为病原体的大规模（10^8个人）群体感染实验系统来测试自杀型感染防御假说4)。通过使用双二维网格的模拟，我们发现了病原体和宿主之间的新冲突，病原体进化得毒性减弱，而宿主进化得毒性更强。然而，在感染实验中发现了一些问题，例如病原体抗性宿主的出现以及缺乏已建立的具有空间结构的继代培养方法。因此，今年，为了将这种大规模群体感染实验和模拟相结合的方法应用于感染群体生物学中的各种问题，我们将通过解决这些问题来完善群体感染实验体系。具体来说，可以通过“过度表达编码宿主病原体感染受体的1amB基因”和“调整宿主病原体感染所需的镁浓度”来实现病原体抗性宿主的出现。空间结构的继代培养方法通过“使用绒印的平板复制法”和“使用比通常的琼脂浓度更高的琼脂培养基”等方法来解决。此外，我们对自杀型感染防御策略及其对抗策略——免疫获得策略的演化进行了数学分析，发现自杀型感染防御策略比哺乳动物等生物体具有更高的传播成本，这使得自杀型感染防御策略的传播成本更高。事实证明，它是一种低成本的生物，更有可能进行定殖。这种病原体毒力进化的新理论为理解病原体与宿主的关系提供了新的视角。此外，这种结合大规模群体感染实验和模拟的方法有望应用于动物和植物宿主的病毒和细菌。

项目成果

なぜ感染で死ぬのか? 利他的感染防御としての死の集団実験と数理モデルによる検討

为什么我们会死于感染？作为对感染的利他防御的大规模死亡实验和使用数学模型的调查

• 发表时间: 2012
• 作者: 福世真樹;小林一三;平田 周;福世真樹,佐々木顕,小林一三;平田周;福世真樹,佐々木顕,小林一三
• 通讯作者: 福世真樹,佐々木顕,小林一三

「感染防御戦略としての利他的な死」仮説の検討"Suicidal Defense Against Infection"

检验“利他死亡作为感染预防策略”假说“自杀防御感染”

• 发表时间: 2012
• 作者: 福世真樹;小林一三;平田 周;福世真樹,佐々木顕,小林一三
• 通讯作者: 福世真樹,佐々木顕,小林一三

Why do we die from infection? -Success of an altruistic suicidal defense strategy-

为什么我们会死于感染？

• 发表时间: 2012
• 作者: Masaki Fukuyo;Akira Sasaki;Icbizo Kobayashi
• 通讯作者: Icbizo Kobayashi

なぜ微生物感染で死ぬのか?「感染防御としての死」仮説の検証

为什么我们会死于微生物感染？验证“死亡是对感染的防御”假设

• 发表时间: 2012
• 作者: 福世真樹．佐々木顕;小林一三
• 通讯作者: 小林一三

なぜ感染で死ぬのか?「利他的感染防御」仮説の集団実験と数理モデルによる検討

为什么人们会死于感染？用群体实验和数学模型检验“利他感染保护”假说

• 发表时间: 2013
• 作者: 福世真樹;小林一三
• 通讯作者: 小林一三