独立行政机构产业技术综合研究所[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）生物过程研究部[研究部主任 Tomohiro Tamura] 首席研究员（兼生物共生和进化机制研究组组长）武间深津、联合研究员细川贵宏（国立大学法人琉球大学博士后研究员）、合作研究员（日本学术振兴会）、生物共生研究组合作研究员森山稔生物共生和进化机制与日本开放大学和东京大学合作，正在研究卫生害虫臭虫生存必需共生细菌沃尔巴克氏体（沃尔巴克氏体)的全基因组序列水平基因转移8755_8762维生素 B7（生物素）我们发现一组合成基因支持宿主臭虫的生存。
沃尔巴克氏体是一种广泛存在于昆虫体内的寄生共生细菌，但这项研究表明，它是基于与臭虫的营养供应互利共生这种关系异常建立的进化机制已经被阐明。这项研究不仅证明了通过水平基因转移从寄生到互利共生的进化，而且提供了与卫生害虫生存相关的生理学和分子基础的新知识。这项研究成果有望为臭虫这一世界性卫生害虫的预防和控制做出贡献。
该研究成果于2014年6月30日（美国东部时间）发表在美国学术期刊``美国国家科学院院刊''（《美国国家科学院院刊》）。
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| 刚吸完血的臭虫幼虫。尾端呈黑色，是因为肠内残留有上次血粉的粪便。 |
蚊子、跳蚤、虱子、臭虫、采采蝇等吸血昆虫不仅因吸血而引起疼痛和不适，而且还传播各种传染病，成为卫生害虫的一大问题。特别是在发展中国家，它仍然构成严重的社会负担，威胁着许多人的健康和生存。另一方面，在发达国家，许多严重的虫媒疾病几乎被消灭，到1960年左右，虱子和臭虫等经典的吸血卫生害虫几乎消失了。然而，近年来，随着抗药性昆虫的出现以及人类和物质分布的全球化，这些卫生害虫的死灰复燃已成为一个主要问题。特别是在北美、澳大利亚、日本等发达国家，近年来臭虫的爆发和危害伴随着强烈的不适感和厌恶感，可能成为住宿设施、公共设施、公寓楼等的一大问题，是旅游业、住宅业、公共机构等不可忽视的风险因素。
吸血昆虫是卫生害虫和公害虫等各种问题的害虫，其防治必须对人体和环境影响较小，除了喷洒农药等常规防治方法外，还需要开发新的害虫防治技术。
在AIST，我们正在阐明昆虫体内共存的微生物的重要生物学功能，例如植物适应、害虫转化和杀虫剂抗性。2004 年 3 月 25 日、2007 年 6 月 13 日、2012 年 4 月 24 日AIST 新闻稿）并了解宿主昆虫与共生微生物之间的高级生物相互作用，例如繁殖操纵、垂直传播和共生维持 (2007 年 7 月 2 日、2012 年 5 月 28 日AIST 主要研究成果，2013 年 6 月 11 日AIST 新闻稿）。特别是，关于共生微生物和宿主昆虫之间的水平基因转移在生物进化中发挥的重要作用，有值得注意的研究成果（2002 年 10 月 29 日、2013 年 6 月 21 日AIST 新闻稿）。关于吸血昆虫与共生微生物的关系，昆虫中常见的寄生共生菌沃尔巴克氏体（Wolbachia）在臭虫的血液中异常缺乏。B 族维生素2009 年 12 月 22 日AIST 新闻稿）。
以前期这一系列研究为背景，我们利用基因组生物学和实验生理学方法来阐明诸如为什么原本是一种寄生细菌的沃尔巴克氏体会进化为臭虫的共生细菌，以及哪些B族维生素在臭虫与沃尔巴克氏体的共生关系中特别重要等问题。
该研究得到了国家农业与食品研究机构生物产业技术研究支援中心和文部科学省科研补助金的支持。
沃尔巴克氏体本地化的臭虫细菌细胞团，准备了 DNA 样本，并确定了整个沃尔巴克氏体基因组序列，该序列由大约 125 万个碱基对的环状 DNA 组成（图 1）。基因的数量和组成与之前确定的寄生于果蝇、黑腹果蝇和埃及库蚊的沃尔巴克氏体的基因组序列（约127至148万个碱基对）非常相似，没有观察到臭虫沃尔巴克氏体特有的基因组水平特征。然而，当我们比较维生素 B 合成的基因时，我们发现虽然其他沃尔巴克氏体物种的基因组不包含任何维生素 B7（生物素）合成基因，但臭虫沃尔巴克氏体的基因组包含所有 6 个基因（图 2）。
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| 图 1 与臭虫共生的沃尔巴克氏体的基因组结构 |
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| 图2 各种沃尔巴克氏体基因组中是否存在维生素B族合成途径 |
| “完整”、“不完整”和“缺失”分别表示合成基因组完全存在、部分存在和完全不存在。只有臭虫沃尔巴克氏体具有完整的维生素 B7 合成途径（红圈）。 |
在臭虫 Wolbachia 的基因组中，六个维生素 B7 合成基因排列成簇操纵子这些特征表明细菌在系统发育上是相关的无形体（吞噬细胞无形体)。另一方面，它是昆虫的寄生共生菌卡迪尼姆（Cardinium hertigii) 以及螨虫和昆虫的寄生/共生细菌立克次体（立克次体sp) 质粒，一种引起猪肠炎的病原菌劳索尼亚（胞内劳森菌)（图3）。分子系统发育分析表明，沃尔巴克氏菌基因组中存在的所有 6 个维生素 B7 合成基因与上述细菌密切相关。特别是，它与 Cardinium 基因组上的基因关系最为密切（图 4）。
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| 图3 维生素B7合成基因在臭虫沃尔巴克氏体和其他细菌基因组上的位置 |
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图4基于臭虫沃尔巴克氏体基因组中存在的维生素B7合成基因BioH编码的氨基酸序列的分子系统发育树
括号中的数字表示细菌类群，分支上的数字表示每个系统发育类群的统计可靠性（%）。其他维生素 B7 合成基因也获得了类似的结果。 |
综上所述，（1）大多数沃尔巴克氏菌缺乏维生素B7合成基因。 (2) 只有臭虫Wolbachia具有完整的维生素B7合成基因。 (3)在臭虫Wolbachia的基因组中，合成维生素B7的基因具有紧凑的操纵子结构。 (4)在Cardinium基因组中，合成维生素B7的基因具有相似的操纵子结构。 (5)分子系统发育分析表明，臭虫Wolbachia的维生素B7合成基因与Cardinium基因关系最密切。 (6) 沃尔巴克氏体和卡迪氏菌都是昆虫物种中常见的共生细菌，通常共同感染同一宿主昆虫。基于这些事实，臭虫沃尔巴克氏体基因组中存在的维生素 B7 合成基因很可能是作为操纵子从与臭虫祖先共同感染的共生细菌 Cardinium 中获得的。
我们验证了沃尔巴克氏体维生素 B7 合成基因组对宿主臭虫的生物学意义。
当我们测量用正常兔血饲养的4龄臭虫幼虫和喂食添加抗生素的兔血以消除沃尔巴克氏体感染的4龄臭虫幼虫体内维生素B7含量时，消除沃尔巴克氏体的昆虫的维生素B7含量低于感染沃尔巴克氏体的昆虫（图5A）。这表明沃尔巴克氏体维生素 B7 合成基因确实发挥着向臭虫宿主提供维生素 B7 的作用。
用正常兔血喂养已去除沃尔巴克氏体感染的臭虫幼虫出现率显着低（图5B右），但当将所有B族维生素添加到兔血中后，出苗率恢复到90%以上（图5B左）。此外，当兔子用添加了除维生素 B7 之外的所有维生素的兔血喂养时，出苗率约为 60%（图 5B，中），低于添加所有 B 族维生素时的出苗率。这些营养和生理分析表明，臭虫沃尔巴克氏体提供维生素 B7 的能力无疑在支持宿主臭虫的生长和生存方面发挥着重要作用。
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| 图5 臭虫Wolbachia的维生素B7合成和供应功能分析 |
(A)感染沃尔巴克氏体的4龄幼虫和去除沃尔巴克氏体的4龄幼虫的维生素B7含量。 (B) 添加所有 B 族维生素（左）、添加除维生素 B7 外的所有 B 族维生素（中）和无添加剂（右）的兔血饲养的无沃尔巴克氏体幼虫的成虫羽化率。 * 表示有统计学上的显着差异。条形图中的数字表示分析的个体数量。
未来，我们将继续分析臭虫基因的表达和功能，特别是在Wolbachia定位的细菌细胞中，并阐明宿主侧参与共生建立和维持的分子机制。如果我们能够开发出共生细菌沃尔巴克氏体的维生素B7合成基因组产生的酶的抑制剂，或者开发出一种药物，阻断与维持宿主臭虫之间共生关系有关的基因组的功能（预计将来会揭晓），这将为预防和控制再次成为卫生害虫问题的臭虫提供前所未有的方法。我想从这个角度推动研究。