健康な腸内細菌叢は5つのシグネチャーで定義される

健康な腸内細菌叢は5つのシグネチャーで定義される

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2023年6月19日
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クアドラム研究所とアールハム研究所の研究者らが、ヒトの腸内細菌叢の状態を定義する新しい方法を開発した。
何千もの多様なマイクロバイオームを分析することで、彼らはサンプルに存在する細菌の生態系に基づく一連の共通シグネチャーを特定した。これらのシグネチャーによって、研究者はマイクロバイオームの乱れが人間の健康に及ぼす影響を特定し、より深く理解することができるようになる。
ヒトの腸内細菌叢は、私たちの健康とウェルビーイングに大きな影響を与える数百の異なる微生物種からなる複雑なコミュニティである。
これらの微生物は、誕生時に私たちをコロニー化し、年齢を重ねるにつれて確立されたコミュニティへと形成される。誰にでも固有の微生物が存在し、それは幼少期の生活、食事、免疫システム、その他の要因によって形成される。成人するまでに、マイクロバイオームの構成はかなり安定するが、健康に悪影響を及ぼすほど悪化することもある。
病気における健康へのこのような役割のため、マイクロバイオームの構成とそれが健康にどのように影響するかを理解することに多くの関心が寄せられている。
研究者たちは、マイクロバイオームの変化と様々な疾患との関連性を指摘しているが、マイクロバイオームは人それぞれ異なるため、「正常な」マイクロバイオームとはどのようなものかを理解する必要がある。
湖や熱帯雨林のような生態系と同じように、マイクロバイオームの生態系でも異なる種が共存し、相互に影響し合っている。微生物のさまざまな組み合わせが集まって、安定した「健康な」マイクロバイオームを形成することがあるため、どのような定義であれ、微生物の変動スペクトルをすべて考慮する必要がある。
この問題を解決するため、ノリッジ・リサーチ・パークにあるクアドラム研究所とアールハム研究所の研究者たちは、5,000人以上の腸内細菌叢を分析する研究を主導した。
この研究結果は、『Cell Host & Microbe』誌に掲載された。この研究は、欧州研究評議会とUKRIの一部であるバイオテクノロジー・生物科学研究評議会から資金提供を受けた。
均一で偏りのないデータセットを得るため、研究チームは3大陸13カ国の人々の糞便サンプルを用いた。サンプルは、加齢に伴うマイクロバイオームの大きな変化を考慮し、乳児、幼児、成人のものである。
研究チームは、サンプルのメタゲノムを使って、それぞれのヒト宿主の腸内に存在する微生物種とそのゲノムを再構築した。その後、機械学習アルゴリズムを用いて、安定したマイクロバイオーム生態系の中で「ギルド」として一緒に働いているのが一般的に見られる細菌の種類を特定した。
そこから、マイクロバイオームの生態学的相互作用に直接関係する5つの腸内マイクロバイオームの「シグネチャー」を特定することができた。個々のマイクロバイオームは、これら5つのシグネチャーのうちの1つ（通常は組み合わせ）によって特徴づけられる。このモデルは、加齢時に見られるようなマイクロバイオームの生態系における既知のシフトに適合する。また、体調不良や感染症に関連するこれらのシグネチャーからの逸脱を検出することもできる。
「5つの腸内シグネチャーは、世界中で見られる典型的な腸内細菌叢を表しています。実際、非西洋諸国のマイクロバイオームでモデルをテストしたところ、ほぼ完璧に適合することがわかりました」と、クアドラム研究所とアールハム研究所のグループリーダーであるファルク・ヒルデブランド博士は語った。
5つのシグネチャーはそれぞれ、バクテロイデス属、ファーミキューテス属、プレボテラ属、ビフィドバクテリウム属、エシェリヒア属という異なる細菌群に支配されている。
これらのシグネチャーはそれぞれ、生態系やヒトの宿主に異なるサービスを提供する可能性のある細菌のギルドを表している。
「我々は、それぞれのシグネチャーがマイクロバイオームにおいてどのような機能的役割を果たしうるかを分析した。例えば、バクテロイデスのシグネチャーは、炭水化物の分解に関連する酵素に富んでおり、食物から栄養素を放出する重要な役割を示唆しています。一方、ビフィドバクテリウムは、複雑な炭水化物の健全な発酵に関連していました」と、ヒルデブランド・グループの元ポスドクで、現在はフランスのボルドー大学インリア・センターの研究員であるクレマンス・フリウ博士は語った。
これらのシグネチャーに基づいて腸内細菌叢を分類できるようになることで、研究者が腸内細菌叢の有害な変化を特定し、その意義について新たな洞察を得られることを期待しています」。
ファルク・ヒルデブランド博士
未熟児のマイクロバイオームではエシェリヒア属のシグネチャーが優勢で、急速にビフィドバクテリウム属に取って代わられた。バクテロイデス菌がそれに続き、ファーミキューテス菌とプレボテラ菌は1歳以降に出現する。これらのシグネチャーは、成人のマイクロバイオームを支配しており、そのほとんどは組み合わせである。
バクテロイデス（Bacteroides）とプレボテラ（Prevotella）のシグネチャーは、それぞれ西洋と非西洋の集団における「コア」シグネチャーであり、他のシグネチャーの微生物が補完できるような重要な栄養サービスを提供しているようである。
バクテロイデス（Bacteroides）シグネチャーは西洋のマイクロバイオームで優勢であるのに対し、プレボテラ（Prevotella）シグネチャーは非西洋のマイクロバイオームで優勢であった。
「プレボテラとバクテロイデスのシグネチャーにおけるこの顕著な違いは、他の研究でも指摘されている非常に強いシグナルであった。しかし、その根本的な原因は、超加工食品、衛生習慣の違い、身体活動レベルの違いなど、食生活やライフスタイルの違いにあるのではないかと推測している。しかし、興味深いことに、我々のデータには、抗生物質の使用がこの特徴的な違いの重要な要因であるかもしれないという証拠もありました」とヒルデブランド博士は語った。
宿主が最近抗生物質で治療された場合、バクテロイデスのシグネチャーが優勢になることがよくあります。バクテロイデス類は、欧米の腸内細菌叢に残る、乱れた腸内生態系の中核なのかもしれません。なぜこのシグネチャーがこれほど中心的な役割を担っているのか、そしてなぜそれが西洋化した国でのみそうなのかを理解するための今後の研究努力が望まれる。
エシェリヒア・シグネチャーが優勢になると、悪い知らせになるようだ。エシェリヒア・シグネチャーが優勢になると、悪い知らせになる。早産児にこの菌が多いのは、壊死性腸炎という壊滅的な細菌性疾患に関係している可能性が高い。このシグネチャーは高齢者にも多く見られ、おそらく腸内細菌叢の崩壊と関連している。
エシェリヒア菌を不健康で病原性の可能性のあるシグネチャーとして分類するのはもっともなことのように思われる。しかし、この研究の強みは、典型的で健康的なマイクロバイオームを説明し、乱れた不健康な可能性のあるマイクロバイオームを特定する明確な方法を提供したことである。
「これらのシグネチャーに基づいて腸内細菌叢を分類できるようになったことで、研究者たちが腸内細菌叢の有害な変化を特定し、その意義について新たな洞察を得られるようになることを期待しています」とヒルデブランド博士は語った。
「これらのシグネチャーは、マイクロバイオームの異常な状態を検出し、疾患の進行を評価し、潜在的な治療法の有効性を理解するための貴重なツールになると考えています」。
編集者への注釈
Enterosignatures define common bacterial guilds in the human gut microbiome」はCell Host and Microbe誌に掲載された。
Clémence Frioux、Rebecca Ansorge、Ezgi Özkurt、Chabname Ghassemi Nedjad、Joachim Fritscher、Christopher Quince、Sebastian M. Waszak、Falk Hildebrand

アールハム・インスティテュートについて
アールハム研究所は、ゲノミクスのレンズを通して自然界を理解することに焦点を当てた、ライフサイエンス研究、トレーニング、イノベーションの拠点です。
地球上のあらゆる生命を対象に、生命システムの解読や生物学の予測に必要な最新のツールやアプローチの開発・検証を専門としています。
アールハム研究所はノリッジ・リサーチ・パーク内にあり、UKRIの一部であるバイオテクノロジー・生物科学研究評議会（BBSRC）から戦略的資金援助を受けている8つの研究所のひとつであり、他の研究資金提供者からの支援も受けている。
EarlhamInst / アールハム研究所
Tags: マイクロバイオーム, 健康
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