多用途でハイスループットなシーケンスでオーストラリアのゲノミクスセンターの成長をサポート

はじめに

オーストラリアでDeakin Genomics Centreを設立する上で、2つの原動力が中心となっていました。¹ まず、シーケンスコストを削減し、シーケンスデータのターンアラウンドを迅速化することでした。2つ目は、農家、産業、および保全科学者を含む大学やより大きなコミュニティに役立つゲノミクスハブの構築でした。それだけではありません。

Deakin Universityの生命環境科学部の教授兼主任であるChris Austin博士は、2017年後半にDeakin Genomics Centreを設立しました。大学のメインキャンパスであるウォーンポンドジーロンにあり、クイーンズクリフ海洋研究ステーションの近くにあります。MiniSeqシステムと2つのMiSeqシステムに加えて、施設には、ハイスループットで大規模なシーケンスプロジェクトを処理するNovaSeq 6000システムがあります。Deakin Genomics Centreは、6人のスタッフが常駐する重要な教育施設であり、Deakinゲノミクス研究コミュニティと学部および大学院の教育プログラムの成長をサポートしています。また、幅広い種を研究し、さまざまなプロジェクトを実施しているオーストラリアの研究者やその海岸線をはるかに超えた研究者とのゲノム研究のコラボレーションも促進されています。

オースティン博士は次のように述べました。古代のウレミ松からアルパカ、アカゲ、エビ、アワビ、真菌、バクテリアまで、すべてをシーケンスしました。Deakin Genomics Centreは、単なる有償サービス契約の作成ではなく、コラボレーションのハブとなっています。施設の能力のおかげで、私たちは常に新しい研究者たちと会っています。

iCommunityは、Austin博士とDeakin Genomics Centreの准教授兼マネージャーであるLarry Croft博士と、農業と水産養殖のコラボレーション、生物多様性と保全の研究、そして次世代シーケンス（NGS）がこれらの研究の取り組みにもたらす価値について話しました。

Chris Austin博士は、Deakin Universityの生命環境科学部の教授兼主任であり、Larry Croftは、Genomicsの准教授であり、Deakin Genomics Centreのマネージャーです。

Q：Deakin Genomics Centreが設立された理由

Chris Austin（カリフォルニア州）：昨年ジーロン大学に着いたとき、さまざまな分野や学校でゲノム研究に取り組んでいる研究者が何人かいました。しかし、それらは分離され独立しており、シーケンスの大半は不必要な費用で外注され、多くの場合、長い遅延があり、実験計画、サンプル調製、またはバイオインフォマティクスに関する支援がありませんでした。

ゲノミクス施設が、ディーキン大学に新しい貴重な研究プラットフォームを提供できることに気づきました。Deakin Genomics Centreを設立することで、研究者にゲノミクスサービスを提供し、研究の開始からデータ解析まで支援することができます。また、学生に最新のゲノム技術と手法を紹介し、学生が進学したり、商業分野での職を得るための最高の機会を与えることもできます。

Q：かつては古いゲノム法で行われていたNGSの先進的な研究はどのように行われましたか？

Larry Croft（LC）：NGSは研究研究を変革しています。例えば、10年以上前に、興味深い明るい赤色のシュードモナスコロニーを同定しました。ゲノムのどこかに点変異があることはわかっていましたが、どこにあるか分からなかったため、サンプルを冷凍庫に入れました。10年後、MiSeqシステムでシーケンスを行い、3時間以内に赤色の原因となった変異を特定しました。これまで私が取り組んだことのある科学論文では、おそらく最速のターンアラウンドでした。

CA：NGSは、Deakin Universityの有名なサイエンティストであり、オーストラリア科学アカデミーのメンバーであるJohn Endler教授の研究に、重要な新しい側面を追加しました。彼は、当科の地下室で何千ものガピーの集団をさまざまな光のレジームの下で長年維持してきました。彼は、これらの環境下での性的選択と行動の側面を研究し、さまざまな表現型形質の進化を研究しています。

数年前は、80～100人のシーケンスが可能なNGSシステムがありませんでしたが、研究では何千人もシーケンスすることができました。NovaSeq 6000システムは、多くの子犬ゲノムのシーケンスを費用効果の高い方法で簡単に行うことができます。これらの実験集団で記録された重要な表現型形質に関連する特定の遺伝子をすでに同定しています。これは、NGSが既存の研究プログラムにさらなる価値を付加する方法の古典的な事例です。

"ライス、キュウリ、蟹、アルパカなど、種を改善するための遺伝子マーカーを同定し、固有の多様性を維持しようとしています。"

Q：Deakin Genomics Centreはどのような種類のコラボレーションが魅力ですか？

CA：NovaSeq 6000システムを持つことは、国際的な協力者から関心を集めています。同大学はインドで強いつながりがあり、ベトナムやマレーシアの研究機関と仕事をした経験があります。各国のゲノムプロジェクトで当社と提携するだけでなく、学生やスタッフをトレーニングのためにディーキン大学に派遣しています。これは、この新しいインフラとNovaSeq 6000システムの存在から、当社が恩恵を受けるもう1つの方法です。

さらに、これらの国際プロジェクトの多くは、エビやエビなどの重要な商業生物種のアグリゲノミクスやアクアゲノミクス研究を目的としています。これはディーキン大学にとって非常に有用です。当社は、選択的な育種を通じて農場レベルでの効率を向上させるなど、グローバルな影響力を持ち、コミュニティにとって重要な高品質の研究を行っている大学と見なしたいと考えています。

ゲノム選択は、農家が何世紀にもわたって行ってきた従来の育種をゲノムで拡張したものです。発展途上国では、農家が作物、家畜、または水産養殖品種を改善するために遺伝子選択を使用するのを支援するゲノミクスやインフラストラクチャにアクセスできないことがよくあります。魚やエビなどの高タンパク質食品の定番を改善することは、国が市民の福祉を向上させるための強力な戦略です。

Q：どのような農業プロジェクトに取り組んでいますか？

CA：当社の農業研究では、商業用作物や従来の品種ではない品種を研究する傾向があります。ライス、キュウリ、甘草、アルパカなど、種を改善するための遺伝子マーカーを同定し、固有の多様性を維持しようとしています。

LC：従来の農業育種には、基本的に育種という欠点があります。例えば、アルパカは望ましいフリースのために育まれています。しかし、そのフリースの遺伝子マーカーは、アルパカ死産を引き起こす遺伝性疾患と関連しています。シーケンスにより、育種の問題を排除しながら、必要な形質を特定して維持することができます。集団を混合することで、私たちは繁殖し、多様性と自然を集団に取り戻しています。

Q：水産養殖の遺伝子選択プロジェクトと農業の遺伝子選択プロジェクトの違いは？

CA：水産養殖の遺伝子改善は、種の性質上、農業よりも難しい場合があります。ほとんどの魚や甲殻類に関する既存のゲノム知識は限られています。これにより、成長や疾患抵抗性を改善するためのツールとして分子ベースの選択的育種を使用する能力が低下します。このような場合の最初のステップはゲノムのシーケンスです。

LC：水産養殖遺伝子研究は、多くの場合、保全研究をサポートします。魚を特定の形質に育てる人々と、野生種の保護にフォーカスする人々を結び付けます。多様性を確保するためには、野生の魚を育種集団に取り入れることが重要です。その結果、ブリーダーたちは野生種の保護に投資されます。

"...大規模集団シーケンスを非常に深く、安価に実施できます。絶滅危惧種のシーケンスや、生物多様性研究のためのeDNAシーケンスなどの新しいアプリケーションをサポートします。"

Q：NGSは、保全および環境DNA（eDNA）の生物多様性研究をどのようにサポートしていますか？

LC：私たちは、絶滅危惧種の動植物のシーケンスに深く関わってきました。絶滅危惧種が最初に起こることの1つは、断片化した集団の島に分離されることです。これらの断片化した集団は育種を開始し、集団の遺伝的多様性は減少し、種は死滅し始めます。

CA：NovaSeq 6000システムにより、大規模集団シーケンスを安価に実行できます。絶滅危惧種のシーケンスや、生物多様性研究のためのeDNAシーケンスなどの新しいアプリケーションをサポートします。昔は、ネットをつかんで現場に出て、シーケンスに興味のある生物を直接サンプリングする必要がありました。今日では、水のサンプルを入手し、ろ過し、eDNAを抽出し、シーケンスしています。生物多様性調査では全く異なる視点があります。

Q：どのような種類のeDNA研究を実施しましたか？

CA：サメや侵襲的な海洋生物のeDNA研究を共同研究者とともに実施しています。海洋水サンプルの存在を検出し、個人の遺伝子シグネチャーを同定するためにもシーケンスしました。

また、200を超える染色体の大きな反復ゲノムを持つ、北部ヤビーまたは赤ツバメ（Cherax quadricarinatus）として現地で知られる淡水ザリガニのシーケンスも行いました。その集団の多くは局所的であり、環境の変化によって脅かされています。アブラナ科のザリガニは水産養殖に使用され、世界中のアブラナ科の原産地の範囲を超えて広く導入されています。eDNA研究により、その集団の範囲とダイナミクスを理解することができます。

LC：赤い爪のザリガニのゲノムの大きさに驚きました。大きなゲノムサイズと低い集団多様性には相関があるようです。これらのザリガニは隔離された川に生息しているため、親戚と育種することがよくあります。これにより、集団の混合と遺伝的多様性が制限されます。

アブラナ科のアブラナ科のミトコンドリアDNAをシーケンスし、分類学的樹木に移植しました。次に、さまざまなストリームから水サンプルを採取し、eDNAシーケンスを実施して、アカジキの集団構造を決定しました。これにより、大量の繁殖がある、または絶滅危惧種のザリガニがいる川を特定できました。

CA：ベトナムには、エビの池をサンプリングし、eDNAシーケンスを使用して有害なウイルスや細菌の存在を特定する別のプロジェクトがあります。池が健康か病気にかかりやすいかを示す微生物の痕跡を探します。データは、水産養殖種の健康を改善するプロバイオティクスの開発に役立つ可能性があります。

Q：異常な種のデノボシーケンスを実施しましたか？

CA：私の研究グループが最初にシーケンスした魚は、マレーシアで見つかった淡水魚であるアロワナでした。ディーキン大学に進学した後も、この種を研究し続けました。魚の家系図の根底にある古代の魚です。そのゲノムは進化生物学者にとって大きな関心事です。この種にはいくつかの異なる色形があり、マレーシアやインドネシアを含む東南アジアのさまざまな国で自然に発生します。

アローナは世界で最も経済的に価値のある魚の1つです。商業的な価値を持つだけでなく、竜魚とも呼ばれ、中国の伝統の人々によって幸運な魚と考えられています。天然アローナの集団は明るい赤色または金色で、重要な水産養殖産業があります。しかし、魚の性別を判断するのは難しいため、育種には大きな課題があります。性別決定のメカニズムはまだ解明されていません。

アローナのシーケンスを決定した際、当社は魚の養殖コミュニティや、バイオテクノロジーを使用して育種業者やサプライヤーをサポートすることに関心を持つ人々から大きな関心を集めました。このプロジェクトは、魚のジェンダー検査を簡単に開発し、さまざまな色型のマーカーを同定するために企業と協力するきっかけとなったため、Deakin Genomics Centreにとって有益でした。その結果、最初のアローナリファレンスゲノムの作成は、他のさまざまなプロジェクトにつながり、プロジェクトを初期の範囲を超えて拡大させました。

また、オーストラリア最大の淡水魚であるマレータラのシーケンスも行いました。アングルに人気があり、さまざまな水の方法でストックされています。当社の研究は、水産養殖研究者や、さらには保全学者から関心を集めました。一部の集団は特に保全を重視しており、慎重に管理する必要があります。繰り返しになりますが、リファレンスゲノムを持つことで、元の研究を拡大できるプラットフォームが得られました。

Q：シーケンスした固有の種はありますか？

CA：オーストラリアは何百万年もの間、地理的に隔離されてきました。そのため、ここには多くの植物や動物しか見つかっていません。カンガルー、コアラ、オウムは誰もがよく知っていますが、植物や無脊椎動物は生物学的に特徴的で興味深いものです。

環境生物学者として、私たちは常に固有の動植物の研究に関心を持っています。ごく最近、シドニーから約150キロ離れた峡谷でウォレミ松が発見されました。基本的に生きた化石です。

LC：生きたウォレミ松を見つけることは、野生の恐竜を見つけるのと同等の植物です。何百万年も前、これらの木はかつてオーストラリア、ニュージーランド、南極を覆っていました。野生のワレミ松の木を約60本同定し、絶滅の危機に瀕しています。今では、世界中で子孫が成長し、普及しています。これらの松は、北半球の高緯度でも容易に成長します。

CA：NovaSeq 6000システムにより、Wollemi松のゲノムのシーケンスが可能になりました。その結果、大きな反復ゲノムがあり、遺伝的変異がほとんどないことがわかりました。驚異的です。

LC：スーパーコンピューターを使用して、ヒトゲノムの2倍を超えるサイズのWollemiゲノムを組み立てています。アセンブリの完了には数か月かかります。

Q：その他の興味深い種のシーケンスをしましたか？

CA：ダーウィンとオーストラリア北部に住み、そこでアカゲのタクソノミーと進化を学んでいる同僚たちと一緒にこの博物館で働いていました。誰もアカゲのシーケンスを行っていないことに気付いたので、地元のサンゴ礁に行き、いくつか集めました。映画ファインディングネモで知られる通常のオレンジと白の縞模様ではなく、茶色の種（Amphiprion ocellari s）を選びました。²

アカゲのリファレンスゲノムは、なぜ多くの色型があるのか、そしてこれらの魚が宿主であるアネモンによって産生される神経毒素にどのように耐えられるかについて、生態学的および生物学的な疑問に答える研究を可能にします。

LC：Deakin Genomics Centreは、タスマニアデビル研究を支援しています。タスマニアデビルの人口は、その数を減らしたユニークな伝染性がんのために減少しています。残りの動物の選択的育種をサポートするゲノムシーケンスを使用して、集団を多様化し、その遺伝的活力を高めています。

また、絶滅危惧種であるクオールについても同様の研究を行っています。Deakin Universityはいくつかのクオールブリードプログラムに関与しており、個人のシーケンスによってこれらの取り組みを支援しています。

Q：NGSへの移行を検討している人にどのようなアドバイスをしますか？

CA：NGSを検討している人には、ゆっくり始めることをお勧めします。時間をかけて知識とスキルを身につけました。

独自のNGSシステムを購入できない研究者には、サービスプロバイダーとの協力をお勧めします。これにより、サンプルの一部を送付し、テクノロジーの利点を理解することができます。

当社では、サンプルを送り込み、プレミアムデータを提供し、結果を確認し、次のステップを支援するプログラムを用意しています。これが、当社と他のサービスプロバイダーの違いです。実験デザインやライブラリー調製、必要に応じてデータ解析、原稿の出版準備などをサポートします。

Q：アグリゲノミクスにおけるNGSの新たなアプリケーションは何ですか？

CA：NovaSeq 6000システムのNGSは、従来の種や珍しい種の選択的育種を促進するための基本的なツールになると思います。オーストラリアでは、羊、小麦、綿花の従来の育種作業が行われており、現在ではハイレベルなゲノミクスの恩恵も受けています。また、遺伝学についてあまり知らないさまざまな種もあります。これらの種を理解するために、ゲノム情報と遺伝情報の長い歴史は必要ありません。種を選べば、シーケンスして大量のデータを迅速に生成できるようになりました。

全ゲノムシーケンス（WGS）により、選択的育種をより効果的に実施できると考えています。WGSは、従来の育種よりも20%以上遺伝的改善率を増加させます。マイクロアレイには、ほとんどの種の遺伝子改善のためのマーカーの密度がありません。WGSは、望ましい形質と有害な形質の関連性を理解するために幅広い遺伝情報を提供し、望ましい形質を選択しながら遺伝的多様性を維持できるようにします。このアプローチは非常に強力になります。

Q：今後、NovaSeq 6000システムをどのような研究に利用する予定ですか？

CA：オーストラリアの淡水魚の全種をシーケンスするプロジェクトについて議論しています。これらの種の進化に対する理解に役立ち、その保全に貢献します。また、ニューサウスウェールズ州のすべての植物種のゲノムスキミングを実施するプロジェクトにも取り組んでいます。これらのプロジェクトは、NovaSeq 6000システムで将来開始したいプロジェクトの規模と性質の完璧な例です。

CA：シーケンスが有用なアプリケーションは、非常に多様です。興味深い環境問題に答える可能性に取り組み始めています。

Deakin Genomics Centreが新しい種をどのようにシーケンスしているかをご覧ください。

オーストラリアにおける新たに発見された生物種のシーケンス

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Deakin Genomics Centreのケーススタディ