若年者の腸内細菌叢が高齢者の体力を改善するマウスの研究

オープンアクセス
公開日：2022年12月26日
若年者の腸内細菌叢が高齢者の体力を改善するマウスの研究

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01386-w

Kwang H. Kim, Yusook Chung, ...Jihyun F. Kim 著者名を表示する
マイクロバイオーム10巻、記事番号：238（2022）この記事を引用する

2 Altmetric（アルトメトリック

メトリクス詳細

概要
背景
加齢は、生体が徐々に体力や機能を失っていく自然なプロセスである。この劣化の過程を理解し、それに介入するために多大な努力が払われてきた。腸内細菌叢は宿主の生理機能に影響を与え、微生物群集の異常はしばしば宿主疾患の病因の根底にある。しかし、微生物叢と宿主の老化の相互作用については、まだほとんど解明されていない。本研究では、若年者由来の腸内細菌叢が高齢者の生理機能や表現型に及ぼす改善効果について系統的に検討した。

研究結果
生後5週間の若齢マウスから12ヶ月齢のマウスに糞便微生物叢を移植すると、筋繊維の太さと握力が増加し、皮膚の角質層が厚くなり保水力が高まった。また、25カ月齢のマウスに幼若期の腸内細菌叢を移植したところ、筋肉の厚さがわずかに増加した。12ヶ月齢のマウスに若齢者由来の微生物叢を移植すると、細菌が濃縮され、宿主の体力向上や遺伝子発現の変化と有意な相関が見られた。これらのマウスの真皮では、Dbn1の転写が最も上昇し、DBN1発現細胞は2倍に増加した。Dbn1ヘテロ接合体マウスは、皮膚バリア機能と水分補給に障害を示した。

結論
若年由来の腸内細菌叢が、腸内細菌組成や筋肉・皮膚での遺伝子発現を変化させることで、高齢者の体力を若返らせることを明らかにした。Dbn1が、若い微生物叢によって誘導され、皮膚の水分補給を調節することが初めて明らかになった。この結果は、若い人の腸内細菌叢が高齢者の活力を向上させるという確かな証拠を示しています。

動画の概要

背景
加齢は、生体の構造と完全性の不可避的な劣化であり、生理のあらゆる側面で機能低下を伴う [1,2,3,4] 。老化プロセスの理解と制御は、歴史上大きな関心を集めてきました[5, 6]。老化の兆候は、テロメアの短縮や細胞周期の停止といった細胞レベルだけでなく、認知機能の低下、ドライアイ、慢性腸炎、骨格筋量の低下、皮膚のしわなど、臓器や生物レベルでも起こっている[1]。

何兆もの微生物が宿主の腸の粘膜表面に存在し、食物、宿主由来の分子、他の微生物などの無数の因子と動的に相互作用しています [7, 8]。腸内細菌叢は、免疫および代謝の恒常性の維持に重要な役割を果たす宿主の仮想臓器と考えられています [9, 10]。微生物叢の恒常性の乱れであるディスバイオーシスは、炎症性腸疾患、肥満、代謝性肝疾患、2型糖尿病、心血管疾患、癌、そして神経疾患など様々な疾患に繰り返し関与しています [10, 11]。蓄積された証拠は、腸内細菌叢が宿主の加齢に伴って変化することを示唆している [12]。さらに、腸内細菌叢は、いくつかの加齢関連疾患の基礎となる重要なプレーヤーとして浮上している [13, 14]。

近年、腸内細菌叢を異なる年齢のレシピエント群に移植することで、宿主の健康との因果関係を実証する研究がいくつか行われている。そのうちのいくつかは、高齢者由来の腸内細菌叢が炎症を促進し、2例では認知機能の低下も促進することを見いだした[15,16,17]。また、別の研究では、高齢者由来の微生物叢が若い無菌マウスに肥満誘発性を付与することが示された[18]。反対に，アフリカ産の若いターコイズメダカの腸内細菌叢は，脊椎動物で初めて，筋機能や運動量が改善され，老齢メダカの寿命を延ばすことが明らかにされた[19]．また、トランスクリプトーム解析により、腸の老化は炎症の増加と増殖の減少に関連していることが示されました。メダカは数ヶ月しか生きられないので、脊椎動物の老化関連研究の良いモデルである。しかし、ヒトなどの哺乳類とは遠縁であるばかりか、その腸内細菌叢は陸上脊椎動物のそれとは異なっています[20,21,22]。さらに、高等脊椎動物において、若齢由来の微生物叢が筋肉や皮膚の性質を含む体力に対抗的な効果を及ぼす基礎的なメカニズムは、まだ解明されていない。

本研究の目的は、若齢者由来の腸内細菌叢が高齢者の生理機能に及ぼす活性化効果を系統的に明らかにし、その過程で極めて重要な役割を果たす微生物および宿主の遺伝的要因を検討することである。そこで、若齢（生後5週間）マウスの糞便中の微生物叢を老齢（12ヶ月）マウスおよび超老齢（25ヶ月）マウスに移植し、腸内細菌叢を観察した。そして、腸内細菌叢のプロファイルをモニターし、2ヶ月後の臓器量、血清学的検査、免疫細胞性、遺伝子発現プロファイル、老化現象について調べた。さらに、マウスの表現型や遺伝子発現の変化と相関のある微生物分類群を解析した。また、若齢者由来の腸内細菌叢を投与された老齢マウスで最も発現が上昇したDbn1ヘテロ接合体マウスについて、選択した表現型について検討した。

方法
マウス
動物実験は、ガチョン大学のInstitutional Animal Care and Use Committee（IACUC番号：GIACUC-R2019030）および延世大学のInstitutional Animal Care and Use Committee（IACUC番号：2018-0145）の承認を受け、実験動物の世話と使用のためのガイドに準拠した。

思春期を迎えた哺乳類の雌は初潮を迎えて性的に成熟したとみなされ、マウスでは早ければ生後4週間後に起こる[23, 24]。生殖機能的に老化した閉経前後の雌（マウスでは9〜12ヶ月間）は性ホルモンレベルが激減し、プログラムされた老化の開始に大きく寄与する [25,26,27]; 閉経は雌の生殖寿命の最終かつ不可逆的な終了となる [28]．24ヶ月齢以上のマウスでは生存率が著しく低下し、超高齢とみなされるようになります[29]。これらの性質に基づき、本研究では、5週齢の雌マウスを若齢、12カ月および25カ月の2匹の高齢マウスをそれぞれ老齢および超高齢と定義した。

2019年7月下旬、3週、12ヶ月、25ヶ月のC57BL6雌マウスを、韓国のDaejeonにある実験動物資源センターから入手し、12時間明暗サイクル下で特定病原体フリー（SPF）施設に維持した。マウスは、実験開始前に2週間、ガチョン大学の実験動物施設に馴化させた。マウスには通常のChow食を与えた。各マウス個体には識別のために尾札を付け、処理群にランダムに割り当てた。これにより、微生物構造、RNA配列、加齢に伴う表現型などの異なる種類のデータを照合することができる。

Dbn1の皮膚特性への関与の検証に用いたDbn1Het C57BL/6マウス（16週齢）は、Korea Mouse Phenotyping Center（KMPC）より入手した。Dbn1WTとDbn1HetマウスはDbn1Hetとの交配により維持した。Dbn1遺伝子の完全欠損（Dbn1-/-）により胚性致死となった。出生4週間後、子マウスを母親のいるケージから分離し、以下のプライマーを用いて遺伝子型を決定した：5′-GTCCTTCCTCTTGGTCATTCCCおよび5′-TGGAGAAACCAGGAGATGTTG（野生型用）、5′-GCTACCATTACCAGTTGTCTGTGTCおよび5′-CAGAGCCCAAGACTAATACCC（ノックアウト用）。

糞便微生物叢の移植
糞便微生物叢移植（FMT）のドナー試料を調製するために、若齢（Y；5週間：思春期）、老齢（O；12ヶ月：更年期）、超老齢（VO；25ヶ月：老化）のC57BL6雌マウスからそれぞれ腹を軽くこすって2週間馴化後の新鮮糞便を採取し、終始厳格な嫌気条件下で維持管理した。糞は群ごとにプールし、10%グリセロール添加PBS（30 mg feces/mL PBS; 約5 × 108 colony-forming units/mL）と混合し、ボルテックスで十分にホモジナイズした。10分間沈殿させた後、上清を40μmのセルストレーナーでろ過し、均質なアリコートを-80℃の冷蔵庫で保存した。

この微生物懸濁液の約100μLを、オートクレーブした給餌針を用いて週2回、計8週間にわたって経口投与することにより、各C57BL6雌マウスに移した。FMTの提供者を表すために上付き文字を使用した。従って、若齢マウス（Y）の糞を12ヶ月齢群、25ヶ月齢群に与えた場合は、それぞれOldY、vOldYと表記する。対照（C）として、10％グリセロール入りPBS100μLを老齢マウス（OldC）または超高齢マウス（vOldC）に投与した。同様に、老齢マウスまたは超老齢マウス（OまたはVO）の糞をそれぞれ12ヶ月齢群または25ヶ月齢群に投与し、OldOまたはvOldVOマウスとした。すべてのレシピエントマウスはSPF条件下で飼育され、FMTのタイムライン中は週2回体重を測定した。受動回避、握力、皮膚性状、視覚能力の検査は、最後のFMTの3日後に実施した。その後、すべてのマウスを安楽死させ、生理的変化の測定のために犠牲にした。

既存の腸内細菌叢をクリアランスして微生物叢枯渇型老齢（xOld）マウスを作製するため，抗生物質（1 g/L ampicillin，0.5 g/L vancomycin，1 g/L metronidazole，1 g/L neomycin，2.5 mg/L amphotericin B）入り飲料水を7日間自由摂取させてFMT24時間前に回収し，FMTを実施した．xvOldにするために超高齢マウスでバクテリアクリアランスを試みたところ、抗生物質投与に耐えられず死亡した。

糞便微生物叢の解析
糞便サンプル用Fast DNA SPINキット（MP Biomedicals, Irvine, CA, USA）を用いて、メーカーの説明書に従って、DNAを抽出した。16SリボソームRNA（rRNA）遺伝子のV3-V4領域は、配列特異的プライマー（337F：CCTACGGGA（N）GGCWGCAG、806R：GACTACHVGGTM（A）TCTAAT）を用いてChun Laboratory（韓国ソウル）によりIllumina MiSeqプラットフォームで配列決定された。生シーケンスデータは、QIIME2パイプライン（バージョン2017.10）を用いて解析した。DADAを用いたq2-demuxプラグインでアダプター配列をデマルチプレックスおよびトリミングし、配列バリアントをアンプリコン配列バリアント（ASV）にクラスタリングした。系統樹はq2-alignmentとq2-phylogenyプラグインを使用して構築した。配列変異は、SILVA参照データベース[30]を用いて分類学的に割り当てた。特徴量表と系統樹の距離はRに取り込んで下流で解析した。

観察されたASVの数、Chao1、Shannonの多様性を含むアルファ多様性指標は、phyloseqとvegan Rパッケージを使って計算された。線形判別分析効果量（LEfSe）は、要因クラスカル-ワリス検定（P < 0.05）[31]を使用して、微生物バイオマーカーを識別した;対数LDAスコアの閾値は2.0であった。スピアマンの相関係数は、12ヶ月齢のレシピエントマウスにおいて0.5％以上の相対存在度を有する細菌種について、psych Rパッケージを用いて算出した。

受動的回避試験
マウスの認知反応を調べるために、受動的回避試験を行った。マウスを30秒間明室に入れておき、ゲートが開くと暗室へ移動できるようにした。暗室に移動後すぐにゲートを閉め、足で電気ショック(0.5 mA)を2秒間与えた。ゲートが開いてから暗室に入るまでの時間をトレーニング時間として記録した。その後、マウスをホームケージに戻した。24時間後、マウスを明室に30秒間戻し、暗室のゲートを開けた。開門後、マウスが暗室に入るまでの時間を保持時間として記録した。

握力測定
GSM Grip-Strength Meter (Ugo Basile, 47200)を用いて前肢の握力試験を行った。マウスをアクリル板上に乗せ、装置の金属ワイヤーにかかるマウスのピーク握力をグラム単位で測定した。ピーク力は、3回の独立した試行の平均値とした。

皮膚物性の測定
皮膚水分表現型を測定する前日に、マウスの背部の毛を丁寧に剃った。皮膚の水和は、皮膚の水和が安定するまで皮膚表面にプローブを登録するMoistureMeterSC（Delfin社製）を用いて測定した。静電容量は任意単位（AU）で表示される。経表皮水分損失（TEWL）は、TEWLが安定するまで（1分以内）皮膚表面にプローブを登録するVapoMeter（Delfin）を使用して測定した。測定結果はg/hm2で表示される。

視覚測定
空間周波数閾値（すなわち、視力）は、仮想視運動システム（OptoMotry, Cerebral Mechanics, Medicine Hat, Alberta, Canada）を用いて視運動性眼振（OKN）により評価された。装置の天井に設置されたビデオカメラで画像を記録し、接続されたコンピュータに転送した。ドリフトグリッドの時計回りの動きはマウスの左目の動き、反時計回りの動きはマウスの右目の反応を追跡した。実験者はマウスの頭部と胴体がドリフトグリッドの回転方向に追従しているかどうかを判断した。追従が不明瞭な場合、あるいは追従していない場合は、このプロセスを繰り返した。ヘッドトラッキングを駆動できる最大空間周波数を決定した。

眼圧測定は、キシラジン（10 mg/kg、Rompun®、Bayer Animal Health）およびゾラゼパムとチレタミン（30 mg/kg、Zoletil 50®、Virbac, Carros, France）を腹腔内投与し、麻酔をかけた後、眼圧を測定した。眼圧は、リバウンド型眼圧計（Icare® TONOLAB tonometer, Colonial Medical Supply, Franconia, NH, USA）を用いて、メーカーの説明書に従って測定した。6回連続測定で1回の試行結果が得られ、解析には連続試行の平均値を用いた。

網膜電図（ERG）解析は、Micron Ganzfeld ERG（Phoenix Research Labs, Pleasanton, USA）を用いて実施した。マウスは、スコトピック試験（桿体細胞反応）のために、実験の少なくとも12時間前に暗順応させた。麻酔後、先に述べたように瞳孔を拡張した。瞳孔が完全に拡張したら、ヒプロメロース2.5%（ゴニオビスク®）を塗布し、電極を挿入した。ERGはMicron Ganzfeld ERGを用い、製造元の説明書に従って記録した。スコトピックERGは、-1.7 log cd/s/m2から1.9 log cd/s/m2の範囲でフラッシュ強度を増加させながら取得した。マウスは錐体細胞反応実験の前に15分間光順応させた。光視性ERGは、-0.5 log cd/s/m2から4.1 log cd/s/m2の範囲でフラッシュ強度を増加させながら実施した。値は光刺激に対する10回の応答の平均値に基づくものであった。杆体および錐体細胞の反応の暗黙の時間が決定された。

血液化学
血液サンプルの採取は、3群のFMTレシピエントをCO2ガスで安楽死させ、26G 1mLシリンジを用いて心臓から直接血液を採取した。全血から血清を分離するため，血液サンプルをMiniCollect®チューブ（Greiner Bio-One, Kremsmünster, Austria）に入れ，1×104 rpm，25 ℃で5分間遠心分離を行った．アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ（GOT），アラニンアミノトランスフェラーゼ（GPT）， クレアチニンホスホキナーゼ（CPK），アルカリホスファターゼ（ALP），血液尿素窒素（BUN），アミラーゼ（AMYL）， クレアチニン（CRE），アルブミン（ALB），トリグリセリド（TG）， 総ビリルビン（TBIL），総コレステロール（TCHO）値を算出した．血清サンプル（各10 μL）中のr-グルタミルトランスフェラーゼ（GGT），乳酸脱水素酵素（LDH），高密度リポタンパク質-コレステロール（HDLC）およびクレアチンキナーゼ-MB（CKMB）は，DRI-chem 4000i （富士，港，日本）自動臨床化学分析装置で測定した。

H&E 染色
マウス組織を氷冷した4％パラホルムアルデヒドで固定し、パラフィンに包埋した。組織は5μmの厚さに切り出し、キシレンで20分ずつ3回、100% EtOHで10分ずつ3回、90% EtOHで10分ずつ2回、75% EtOHで10分脱パラフィンし、ヘマトキシリンとエオシン（H&E）で染色した。染色した組織を含むスライドを脱水し，Shandon Synthetic Mount (Thermo, Inc., Waltham, MA, USA)にマウントした．後肢骨格筋の筋繊維の直径は、ToupViewプログラム（http://www.touptek.com）を用いて、切片のデジタル画像を用いて決定した。

免疫組織化学的染色および免疫蛍光染色
免疫組織化学のために，組織をPBS中の氷冷した4％パラフォルムアルデヒドで固定し，パラフィンブロックにマウントした．試料は3μmの切片に切り出し、脱パラフィン処理を施し、PBSで再水和した。その後、Target Retrieval Solution (Dako, Santa Clara, CA, USA)を用いて高圧で15分間抗原を回収した。次に，標本を氷上で1時間冷却し，PBSで5分ずつ3回洗浄し，PBS中の3％H2O2で30分間ブロッキングして内因性ペルオキシダーゼを除去した．スライドをPBSで洗浄し，Serum-Free Protein Block（Dako）を用いて25℃で2時間ブロックし，一次抗体（1/1000希釈）を用いて4℃で一晩プローブし，ホースラディッシュペルオキシダーゼ標識抗マウス（Dako）または抗ラビットIgG（Dako）二次抗体で30分間染色し，液体DAB+ 基質色素システム（Dako）で現像した．最後に，Mayer's hematoxylin (Dako) で対比染色し，Shandon Synthetic Mount (Thermo) にマウントした．

免疫蛍光法では、組織試料の調製とブロッキングは、免疫組織化学に記載したのと同じ方法で行った。次に、スライドを一次抗体（1/1000希釈）で一晩4℃でプローブし、Cy3標識ヤギ抗ウサギIgG（Thermo）またはA488ロバ抗マウスIgG（Thermo）で2時間標識し、DAPI（Sigma, Burlington, MA, USA）で15分染めた。最後に、スライドをProLong Gold antifade reagent（Thermo）にマウントし、Axio Imager M2 fluorescence microscope（Zeiss, Oberkochen, Land Baden-Württemberg, Germany）で撮像し、Zeiss Zen Blue Editionを用いて解析した。染色には以下の一次抗体を用いた：抗Ki67（Abcam, Cambridge, UK）、抗DBN1（Novus, Denver, CO, USA）、抗ITGB4（Abcam）、および抗KRT10（Abcam）。

マルチプレックスサイトカイン・ケモカインビーズアレイアッセイ
血清サイトカイン定量用Multiplexビーズアレイアッセイは、(#740446; BioLegend, San Diego, CA, USA) を用いて、メーカーの説明書に従って実施された。血清サンプルは、CytoFLEXプラットフォーム（Beckman Coulter, Brea, CA, USA）を介して分析された。

免疫細胞の調製
脾臓、リンパ節、肝臓の単細胞懸濁液は、臓器を機械的にホモジナイズし、40μmまたは70μmのセルストレーナー（BD Biosciences, San Jose, CA, USA）を通過させることで調製された。脾臓については、ACK溶解バッファー（Thermo）を用いて赤血球を除去した。肝細胞は、67%と44%のPercoll gradient (GE Healthcare, Chicago, IL, USA)を用いた密度勾配遠心分離により精製した。

フローサイトメトリー
細胞を96ウェルプレートに播種し、蛍光色素標識抗体で4℃、暗所にて20分間染色した。その後、2%ウシ胎児血清を含むPBSで細胞を洗浄した。以下の抗体を使用した。CD8 (53-6.7; BD Biosciences), CD62L (MEL-14; BD Biosciences), CCR7 (4B12; eBioscience, San Diego, CA, USA), CD103 (2E7; eBioscience), CD25 (PC61; BioLegend), CD45.2 (104; BioLegend), CD44 (IM7; BioLegend), CD69 (H1.2F3; BioLegend) 及び CD4 (RM4-5; BioLegend)を用いた。死細胞を識別するため，LIVE/DEAD® Fixable Blue Dead Cell Stain（Invitrogen, Carlsbad, CA, USA）で細胞を染色した。染色したサンプルはすべてCytoFLEX LX instrument (Beckman Coulter) を用いて取得し，FlowJo software (BD Biosciences) を用いてデータを解析した．

RNA配列決定
Trizol試薬（Invitrogen）を用いて、遠位結腸、大腿四頭筋（四頭筋）、背部皮膚からそれぞれTotal RNAを単離した。RNAの品質は、RNA 6000 Nano Chip (Agilent Technologies, Amstelveen, The Netherlands) を用いたAgilent 2100 bioanalyzerで評価し、RNA定量はND-2000 Spectrophotometer (Thermo) を用いて実施した。メッセンジャーRNAの配列決定のために、QuantSeq 3' mRNA-Seq Library Prep Kit (Lexogen, Inc., Austria) を用いて、製造者の説明書に従って相補的DNAライブラリーを構築した。簡単に言うと、500 ngのトータルRNAを調製し、その5′末端にイルミナと互換性のある配列を含むオリゴdTプライマーをRNAにハイブリダイズし、逆転写させた。RNA鋳型の分解後、その5′末端にイルミナと互換性のあるリンカー配列を含むランダムプライマーを用いて2本鎖合成を開始させた。二本鎖DNAライブラリーは、磁気ビーズを用いて精製し、すべての反応成分を除去した。クラスター生成に必要な完全なアダプター配列を得るために、ライブラリーを増幅した。完成したライブラリーを精製し、PCR成分を除去した。NextSeq 500 (Illumina, Inc., USA)を用いてシングルエンド75-bpリードでハイスループットな配列決定を実施した。

QuantSeq 3′ mRNA-SeqリードはBowtie2を使ってアライメントした。Bowtie2の指標は、ゲノムアセンブリ配列から生成したものと、ゲノムやトランスクリプトームとのアライメントを行うための代表的な転写産物配列から生成したものがあります。アライメントファイルは、転写産物のアセンブル、その存在量の推定、および遺伝子の発現差の検出に使用されました。生読取数を正規化し、edgeR パッケージを用いて差次発現遺伝子 (DEG) を同定した (P < 0.01) 。DEGは、Bedtoolsのカバレッジを使用して、ユニークアラインメントとマルチプルアラインメントからのリードカウントに基づいて決定されました。DEG の機能アノテーションは、DAVID (http://david.abcc.ncifcrf.gov/) と MEDLINE (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) データベースを用いて行った。

相関解析
ユークリッド距離に基づく完全階層型クラスタリングは、R パッケージの hclust 関数を用いて共起種をクラスタに分類し、デンドログラム樹を高さ 6 で切断して 4 つのクラスタを得た。DEGsと微生物組成の関係を調べるために、スピアマンの相関係数を計算した。P値はBenjamini-Hochberg法を用いて多重比較の問題から0.05のカットオフ値で補正した。

統計解析
宿主表現型データの統計解析は、Prismソフトウェア（GraphPad）を用いて行った。生データは少なくとも3群間の統計的有意性を評価するために一元配置分散分析に供し、一対の比較はStudentのt検定を用いて実施した。平均値はP < 0.05で有意に異なるとみなされた。各実験のサンプルサイズなどの統計的詳細は、関連する図の説明文に記載されている。

結果
若者の微生物叢は、高齢者の筋肉と皮膚の特性を改善する
高齢マウスの表現型が若齢マウスの腸内細菌叢によって改善されるかどうかを調べるため、まず雌のC57BL/6マウスを3つの年齢群に分け、rRNA遺伝子配列決定によりベースラインの細菌叢を比較した。新鮮な糞便サンプルを採取した3つの群は以下の通りである。生後5週間の若齢群（青年期）、12ヶ月の老齢群（更年期）、25ヶ月の超老齢群（老年期）である。その結果、若齢マウスではPrevotellaceae（Bacteroidetes属）、Ruminococcaceae（Oscillospirace属；Firmicutes）、老齢2群ではErysipelotrichaceae（Firmicutes）、Clostridaceae 1（Firmicutes）などが豊富に含まれていたが、ムリバクテリア（Bacteroidetes）は各群間で同程度であった（Fig. 1A）.

図1
図1
若齢マウスの糞便微生物叢移植は老齢マウスの体力を活性化させる。A 5週齢（若齢、思春期）、12ヶ月齢（老齢、更年期）、25ヶ月齢（超老齢、老化）のマウスにおけるファミリーレベルの腸内細菌叢の相対的存在量。5週間対12ヶ月、5週間対25ヶ月のグループ間における各生物種の相対存在量の倍率変化を散布図に示した。ドットの大きさは、各生物種の平均割合を示す。B 12ヶ月齢のマウス（Old）に対する糞便微生物叢移植（FMT）の模式図。マトリックスは3つのドナーグループを記述している。C：PBSに10%グリセロールを加えたコントロール；O：12ヶ月齢；Y：5週齢のヤング。レシピエントマウスはそれぞれOldC (n = 6), OldO (n = 6), OldY (n = 6)とした。2週間の馴化期間の後、FMTを16回、8週間実施した。マウスの表現型は、最後のFMTの3日後に測定した。C FMT中のOldにおける腸内細菌叢の相対的存在量。サンプルは糞便提供者ごとにグループ化し、採取時間順に並べた。D 8週目におけるOldOとOldY間のサンプルの線形判別分析効果量。_una、未指定；_unc、未培養。E OldC、OldO、OldYの対側前肢の握力。F 後肢骨格筋繊維のヘマトキシリン・エオジン（H&E）染色像および各群の筋繊維の平均径。スケールバー＝20μm。G 表皮皮膚のH&E染色像（左）および角層平均層数（右）。スケールバー＝100μm。H 皮膚の水分量（左）およびTEWL（右）。I, J 表皮皮膚層におけるKi-67（I）およびKRT10（J）の免疫組織化学的染色と定量化。スケールバー＝100μm。K ITGB4の免疫蛍光染色。スケールバー＝25μm。箱ひげ図。スチューデントのt検定。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001

フルサイズ画像
12ヶ月齢のマウス（Old）に、8週間（週2回）経口ガベージにより糞便内容物を繰り返し移し、ドナー微生物叢の確立を確認した：ビークルコントロール（C）、5週間（Y）、12ヶ月（O）（Fig. 1B）。レシピエントマウスの糞便微生物叢を0週、4週、8週に縦断的に収集した。その結果、Muribaculaceae, Lachnospiraceae, Lactobacillaceae, Bacteroidaceae, Ruminococcaceae, Rikenellaceaeなどの細菌ファミリーの存在量は、微生物叢の供給元によって異なる経時変化を示した（Fig. 1C）。各グループに特異的な微生物バイオマーカーをスクリーニングするために、8週間分の微生物叢データにLEfSeを適用した。その結果、若齢者由来の微生物叢を摂取した老齢マウス（OldY）では、Muribaculaceae, Bacteroidaceae, Prevotellaceaeに属する種が最も識別性が高く、一方、老齢者由来の微生物叢を摂取したマウス（OldO）ではLachnospiraceae, Desulfovibrionaceae, Ruminococcaceae, Tannerellaceaeの種が識別性が高かった（LDA effect size ≧ 2.0; Fig.1D)-). 観察されたASV、Chao1、Shannonの多様性指数には、レシピエントグループ間で有意な差はなかった（図S1A）。

実験中、レシピエントマウスは健康に見え、体積および臓器重量を維持していたことから、反復経口投与はレシピエントにとって過度のストレスではないことが示唆された（図S1B, C）。血液化学分析のデータから、FMTは、OldYにおけるアミラーゼレベルのわずかな上昇を除いて、ほとんどの全身代謝指標のレベルを変化させないことが示された（図S1D）。さらに、外因性微生物叢は、回避学習記憶と視力、眼圧、桿体および錐体細胞の応答時間などの視覚能力という、老化に関連する2つのよく知られた表現型に変化を与えなかった（図S1E、図F）。しかし、げっ歯類の神経筋機能を測定する一般的な方法である前肢握力試験を行ったところ、OldYマウスはOldCおよびOldOに比べて30-50%握力が強かった（PYvsO = 0.000079; Fig.1E)。この結果に伴い、OldYでは筋繊維の直径が有意に増大しており、若年由来の微生物叢による筋機能の向上が示唆された（PYvsO = 0.0042; Fig.1F）．皮膚では、表皮の最外層にある角質層の数が、OldYでは非常に増えていた（OldY 5.3±2.23, OldO 2.83±1.36; Fig.1G）。その結果、皮膚の保湿性評価（OldYで7.47±1.29 AU、OldOで3.66±0.38 AU）およびTEWL測定（OldYで3.71±0.52 g/hm2、OldOで6.24±1.34 g/hm2；図1H）で示したように水分を保つ能力は劇的に向上していることが確認できた。OldYの上皮にはKi-67陽性の増殖細胞が多く、ケラチン10（KRT10）のin situ発現もOldOに比べて上昇していたが、インテグリンβ4（ITGB4）は同等であった（Fig.1I-K）。

若年由来の微生物叢の超高齢マウスへの影響を調べるために、我々はまた、3つのドナー群：車両コントロール、5週間（Y）、および25ヶ月（VO）を用いて25ヶ月齢マウス（vOld）を用いて若年-高齢微生物叢移入を行った（Fig. S2A）。0、4、8週の間、Oldに豊富に存在する微生物ファミリーのほとんどがvOldにも存在したが、vOldのBifidobacteriaceaeは例外であった（Fig. S2B）。LEfSeでは、OldYで検索されたPrevotellaceaeとMuribaculaceaeに属するバイオマーカーは8週目のvOldYでも再現され、vOldVOではRoseburia（Lachnospiraceae）も再現されたが、Eubacteriaceaeの1種はvOldVOで新しく表現された（Fig. S2C）。観察されたASVの数、Chao1、Shannonの多様性指数には、受信者間で有意な差は見られなかった（Fig. S2D）。体重、臓器量、角質層数には有意な変化は認められず、vOldYでは脳の相対重量（PYvsVO = 0.004）と筋線維の厚さ（PYvsVO = 0.085）だけが増加した（図S2E-H）。

さらに、常在する腸内細菌叢を除去し、既存の微生物の関与を排除するために、FMT前にマウスを抗生物質カクテル（Abx）で前処理する実験を計画した（Fig.2A）。Abx処理した12ヶ月齢のマウス（xOld）に初めてFMTを行ったところ、4週間後には、ムリバキュラ科、ラクリスピラ科、ラクトバチルス科、バクテロイデス科が高い割合で存在する分類学的構造が回復し、前述のSPFマウスの腸内細菌叢や一般のマウスの腸内細菌叢に類似したものとなった（Fig. 2B）。SPFマウスの結果と同様に、若齢者由来の微生物叢を受け取ったAbx処理高齢マウス（xOldY）では、Alloprevotella（Prevotellaceae）が最も識別性が高く、若齢者由来の微生物叢で優占するAkkermansiaも観察された（Fig. 2C）。FMT中、レシピエントの体重は安定しており、表現型の変化のほとんどは、既存の微生物叢がなくても再現された。xOldYマウスでは脳以外の臓器重量に有意差はなく（xOldY 2.04±0.11 %、xOldO 1.91±0.07 %）、アミラーゼと回避記憶以外の代謝指標レベルも変化しなかった（Fig. 2D-G）。最も重要なことは、筋力と皮膚の性質が一貫して改善されたことである（Fig. 2H-K）。微生物叢クリアランスのために同じ用量のAbxも受けた超高齢（25ヶ月）マウスは、Abxの毒性に耐えられず、ほとんどが死亡した；xvOldからの結果は、さらなる分析において除外された。

Fig.
図2
Abx処理した老齢マウスの生理的特徴。A 抗生物質で治療した12ヶ月齢のマウス（xOld）に対するFMTの模式図である。マトリックスは2つのドナーグループを記述している。Oは12ヶ月齢、Yは5週齢の若齢である。レシピエントマウスは、xOldO（n＝5）およびxOldY（n＝6）とした。1週間の馴化と1週間の抗生物質投与の後、FMTを16回、8週間繰り返した。B FMT中のxOldの腸内細菌叢の相対的存在量。サンプルは糞便提供者ごとにグループ化し、採取時間順に並べた。C 8週目におけるxOldOとxOldY間のサンプルの線形判別分析効果量。_una, unassigned; _unc, uncultured. D FMT中のxOldの体重変化。マウスはSPF施設に収容し、FMT治療中は週2回体重を測定した。結果は平均±SDで表した。E FMT後のxOldの相対的な臓器重量。各群のマウスをFMT後に安楽死させ、心臓、脳、肝臓、脾臓、腎臓、BAT、およびWATの重量を測定した。F 投与群からの血清の血液化学分析。G 受動的回避試験。照明付きチャンバー内の総時間を1日目の訓練時間として記録し、2日目に保持時間を記録した。H 対側前肢の握力。I 筋繊維の平均直径．J 角質層の平均数。K 皮膚水分量（左）およびTEWL（右）値。箱ひげ図。スチューデントのt検定。*P < 0.05, ** P < 0.01, *** P < 0.001, and **** P < 0.0001

フルサイズ画像
FMTは腸管免疫反応に関与していると報告されているが[32]、我々の研究では、脾臓、肝臓、腸間膜または鼠径リンパ節における血清サイトカインプロファイルやT細胞集団に有意な変化は見られなかった（Fig. S3）。これらの結果は、若い微生物叢を移植することで、重度の炎症を誘発することなく、皮膚や筋肉の老化に関連した表現型を若返らせることができることを強調している。

若い微生物叢は、結腸、筋肉、皮膚における宿主の遺伝子発現を変化させる
FMT後の宿主遺伝子発現の変化を特徴付けるために、8週目の大腸、四肢筋、背部皮膚の3つの組織ホモジネートのRNA配列決定（RNA-seq）を実施した。大腸のRNA-seqデータを解析したところ、OldYまたはOldOのいずれにおいても、それぞれ89および91の遺伝子がより多く発現していた（図3A）。細胞分化やK+イオン輸送に関与すると注釈された遺伝子はOldYでより多く発現し、死に関連する遺伝子はOldOでより多く発現していた（図3Bおよび表S1）。さらに、KEGGデータベースに基づく遺伝子セット濃縮解析（GSEA）では、セロトニン受容体やGタンパク質共役型神経伝達物質受容体に関連する遺伝子を含む受容体シグナル伝達経路がOldYでOldOよりも有意に発現上昇していたが、炎症関連のシグナル伝達経路は検出されなかった（Fig. 3C）。

図3
図3
老齢マウスの遺伝子は、若齢マウスのFMTによって発現が上昇する。大腸のOldY対OldOのフォールドチェンジ（FC）とP値のVolcanoプロット（n = 3）。OldOまたはOldYで最もfold changeが大きい遺伝子（P≦0.001）名を示す。B 大腸における死関連（39）、増殖関連（26）、分化関連（142）、カリウム輸送関連（9）のマーカー遺伝子のFCレベル。C 大腸におけるOldY vs. OldOのGene Set Enrichment Analysis（GSEA）。OldY結腸では、セロトニン受容体活性とGタンパク質共役型神経伝達物質受容体活性の遺伝子セットがポジティブに濃縮されていることがGSEAにより明らかになった。D 筋肉におけるOldY vs. OldOのFCとP値のVolcano plot (n = 3)。E 筋肉における分化関連（100）、増殖関連（17）、脂肪酸合成関連（8）、中性脂質代謝関連（11）のマーカー遺伝子のFCレベル。F NESスコアに基づき、OldY（n = 3）の筋肉で過剰発現しているKEGGパスウェイの上位20個。G 皮膚におけるOldY (n = 2) vs. OldO (n = 3) のFCとP値のボルケーノプロット。H 皮膚における加齢関連（10）、死亡関連（27）、分化関連（58）、移動関連（15）のマーカー遺伝子のFCレベル。I 皮膚におけるOldY vs. OldOのGSEA。GSEAにより、OldYの皮膚では「細胞接合部維持」と「上皮構造維持」が濃縮されていることが明らかになった。DEGsのP値カットオフは0.01

フルサイズ画像
筋肉では、Tfap2bとSerpinb6cを含む62個と109個の遺伝子が、それぞれOldYまたはOldOで多く発現していることがわかった（P < 0.05；Fig.3D）．細胞分化、増殖、脂肪酸合成、中性脂質代謝経路に関わる遺伝子はOldYでより多く発現し（図3E、表S2）、グルタチオン（細胞内で最も多く存在する抗酸化チオール）代謝はGSEAによるとOldYで過剰発現していた（図3F）。皮膚では、Dbn1やSerpinb6cを含む47および73の遺伝子が、それぞれOldYまたはOldOでより多く発現していた（図3G）。OldOでは老化や死に関連する遺伝子が多く発現していたが、OldYでは細胞の分化や移動に関わる遺伝子が多く発現していた（図3H、表S3）。また、GSEAにより、細胞接合維持や上皮構造維持に関連する遺伝子は、OldOよりもOldYで多く発現していることが示された（図3I）。

特定の微生物クラスターが若返りにつながる
加齢に伴う表現型に関与する中核的な微生物分類群のコンソーシアムを定義するために、8週目の腸内細菌叢の全ファミリーを微生物量の相関関係に従ってクラスタリングしました（図4A）。階層型クラスタリングで得られた4つのクラスターのうち、Lachnospiraceaeが優占するクラスター1はOldCとOldOグループに多く、Muribaculaceae、Bacteroidaceae、Lactobacillaceae、Prebotellaceaeを含むクラスター2はOldYに多く存在した。Rikenellaceae、Ruminococcaceae、Erysipelotrichaceaeを明確に保有するクラスタ3はOldYに濃縮されていたが、OldOでも非FMT対照と比較して有意に濃縮されていた。また、Desulfovibrionaceaeを含むクラスタ4は、どの処理に対しても選好性がなく、その構成員が宿主に与える影響は小さいことが示唆された（Fig. 4A）。

図4
図4
共起する微生物クラスターと宿主因子の相関関係。A 8週目のOldC、OldO、OldYの腸内細菌叢は、スピアマンの相関係数を用いた階層的クラスタリング分析により4つのクラスターに分けられた。デンドログラムはユークリッド距離に基づく完全階層型クラスタリングによって生成され、高さ6で木を切り落とすことによって4つのクラスタが決定された。Taxon bar plot は各クラスタの微生物構成をファミリーレベルで示し、各クラスタのグループ間分布を boxplot を用いて表示した。B 細菌分類と様々な表現型の間のスピアマンの相関のヒートマップ。C 筋肉（左）または皮膚（右）における細菌分類とDEGsの間のスピアマン相関のヒートマップ。統計的に有意な相関（P < 0.05）のみがプロットされている。D 筋肉と皮膚における微生物クラスターとトップFCの間のスピアマンの相関を表すバイオリンプロット。色のついたスポットは微生物ファミリーを示し、箱型プロットの水平線は中央値を示す。P値はクラスカル・ワリス検定により算出した。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。Wilcoxon rank sum test。

フルサイズ画像
微生物クラスターと宿主の生理機能の関連性をより理解するために、クラスターの累積存在量と宿主の適応度の指標との間のスピアマンの相関係数を計算した（図4B）。クラスタ2と4のPrevotellaceaeとMuribaculaceaeは、OldYで最も改善された表現型である握力と皮膚の水分の両方と正の相関を示した。また、クラスタ2のBacteroidaceaeは皮膚水分や脳の大きさと、クラスタ3のErysipelotrichaceaeとクラスタ4のAkkermansiaceaeはTEWLの逆数（TEWL-1）と正の相関が見られた。一方、クラスター1のRuminococcaceaeは握力およびTEWL-1と、クラスター4のTannerellaceaeは皮膚水分、TEWL-1、Ki-67+と、クラスター4のRuminococcaceaeは皮膚水分および脳の大きさと負の相関があった（Fig. 4B）。このように、クラスタ2と3に属するBacteroidetesファミリーは老化した宿主の表現型の回復と強く関連しており、クラスタ1と4に主に存在するFirmicutesファミリーは機能低下を促進する可能性があることがわかった。

次に、OldYとOldOの組織特異的DEGsとクラスター化した分類群との相関を探った。クラスタ2のMuribaculaceae, Prevotellaceae, Bacteroidaceae（いずれもBacteroidetes門）、クラスタ3のRuminococcaceae, ErysipelotrichaceaeはOldYの筋肉と皮膚で上昇した遺伝子と強い関連があった（図4C）。逆にOldOでは、クラスタ2のファミリーと負の相関を示したが、クラスタ1と4のLachnospiraceae、クラスタ1のRuminococcaceaeと正の相関を示した。同様のパターンが結腸組織でも観察された（図S4A）。上位のDEGsと細菌クラスター間の相関係数を各組織で比較した。クラスター2はTfap2bおよびDbn1と最も高い正の相関を示し、それぞれOldYの筋肉および皮膚で最も発現が上昇した。また、各組織でそれぞれ最も発現量が低下しているSerpinb6cおよびRreb1は、クラスター2と負の相関を示した（Fig. 4D）。同様の結果は、結腸のTrpm3およびWdr54についても生じた（図S4B）。ムリバツ科、プレボテラ科、バクテロイデス科のメンバーは一貫して、OldYにおける遺伝子発現の増加および宿主表現型の改善と関連しており、宿主生理を若返らせる能力を持っている可能性が示唆された。

Dbn1は皮膚の水分保持に関与している
注目すべきは、一連のDEGのうち、OldYの皮膚におけるDbn1が3つの組織で最も発現が上昇したことである（171.1倍増；P = 0.001）（表S3）。そこで、DBN1のin situ発現を免疫蛍光法で調べたところ、OldYの真皮には、OldCおよびOldOの真皮に比べて約2倍のDBN1陽性（DBN1+）細胞が存在していた（図5A, B）。Dbn1の機能性を検証するために、野生型とDbn1ヘテロ接合体（Dbn1Het）のC57BL/6同胞（8週齢）の水分保持能を測定した。若いDbn1WTとOldYでは皮膚の水分保持能とTEWLのレベルは同等であったが、Dbn1の遺伝子量を半分にすると、OldOで観察されるのと同程度に皮膚の水分保持能とバリア機能に障害が生じた（Fig. 5C）。これらのデータは、若齢由来の腸内細菌叢が、Dbn1のアップレギュレーションなどの宿主遺伝子発現を調節することで、更年期雌マウスの水分保持能を改善することを示すものである。

図5
図5
DBN1は皮膚のホメオスタシスに関与している。A OldC、OldO、OldYの皮膚におけるDBN1の免疫蛍光染色。B 20×fieldにおけるDBN1+細胞の定量化。スケールバー＝100μm。箱ひげ図。一元配置分散分析。C Dbn1WTおよびDbn1Hetマウスの皮膚水分量（左）およびTEWL（右）値。箱ひげ図．スチューデントのt検定。*P < 0.05, **P < 0.01, および ***P < 0.001

フルサイズ画像
考察
老化を理解するための視点は、そのプロセスへの介入や管理にとって重要である。老化を設計された生物学的プログラムとして考える「プログラム老化」の概念は、エフェクターの調節を通じて、少なくとも部分的に老齢体の若返りを可能にする[33]。Smithらが、短命のメダカに若齢由来の微生物叢を与えると寿命が延び、行動低下が遅れることを最初に報告して以来[19]、いくつかのグループが、マウスモデルを用いて、腸、脳、網膜の老化の特徴に対する糞便微生物叢の移入の相殺効果について証拠を追加している[34,35,36]。我々の結果は、高齢マウスの体力の老化表現型が、若い由来の微生物叢を移植することによって改善されることを強調するものである。

前肢握力、筋繊維の太さ、角質層の数、皮膚保水力、皮膚細胞マーカー（Ki-67、KRT10）などの筋肉や皮膚の特性の指標は、12ヶ月後の高齢マウスでAbx前処置の有無にかかわらず改善された。さらに、25ヶ月の超高齢マウスでは、筋繊維と脳の大きさが統計的に有意に増加することが観察された。いくつかの研究で、腸内細菌叢が骨格筋の機能に関与していることが報告されている。無菌マウスはSPF条件下で飼育したマウスに比べて筋肉量と運動量が低下しており[27]、ブタの腸内細菌叢を無菌マウスに異種移植すると筋肉中の脂質代謝が同期し、筋肉における腸内細菌叢の効果をまとめて支持した[27, 37]．

測定したすべての臓器の中で、通常体重の2%の重さの脳だけが、糞便微生物叢の移植によって中程度の変化を示した。若齢者由来の腸内細菌叢を投与された12ヶ月の老齢マウスはAbx前処置に関わらず相対的な脳質量を維持したが、老齢者由来の微生物叢を投与されたマウスはわずかに減少を示した。この変化にもかかわらず、回避学習記憶には両者で差がなかったことから、xOldOにおける脳サイズの減少の行動上の関連性は些細なものであることが示唆された。注目すべきは、vOldVOやvOldCに比べてvOldYでは脳サイズが有意に増大していたことである。しかし、超高齢マウスの身体活動は、受動回避試験だけでなく握力試験でも低すぎた。腸内細菌叢と脳機能の関連性が事前に証明されていることから[35, 36]、これらの結果は、加齢脳の体力・機能性に関するさらなる研究のための予備データとして役立つと思われる。この2つの研究により、若い微生物叢が腸と脳の免疫プロファイルを変化させ、有益な効果を発揮することが明らかになりました。この結果は、「炎症老化」｜理論と一致する。しかし、若い由来の微生物叢の真の抗炎症活性を、古い由来の免疫原性分子の不在と区別することは困難である。老齢マウスの糞便微生物叢を移植しても、我々の解析では、体重、臓器量、組織損傷のバイオマーカーのレベル、炎症性サイトカイン、T細胞数に有意な変化は起こらなかった（データは示さず）ことから、我々のものは、老齢由来の免疫原性の欠如が介在していないことが示唆された。

我々は、Muribaculaceae, Prevotellaceae, Bacteroidaceae（いずれもBacteroidetes）からなる微生物群が、糞便移植後12ヶ月の老齢マウスで識別可能な若年由来の微生物叢を代表し、レシピエントの筋肉や皮膚の遺伝子発現増強と強く相関していることを明らかにした。これは、我々が行ったヒトの腸内細菌叢のビッグデータ解析で、若い集団にバクテロイデス科が保存的に濃縮されていること（未発表データ）や、老人の虚弱率が高く、バクテロイデスやプレボテラが減少しているという過去の報告[13]と一致する。さらに、階層的クラスタリングに基づきBacteroidetesに富むクラスターに共起するこれら3科は、高い握力や皮膚保水性の改善と有意に関連していた。また、加齢マウスにより多く存在し、加齢表現型に寄与すると考えられる微生物分類群も明らかにした。ファーミキューテス門のLachnospiraceaeとRuminococcaceaeのいくつかの種は、古い由来の微生物叢を受けた高齢マウスで一貫して過剰発現し、筋肉と皮膚で発現が上昇した遺伝子と相関していた。さらに、Ruminococcaceaeのいくつかのメンバーは、握力、皮膚の保水力、脳の大きさと負の相関があることがわかった。この結果は、高齢者の活性化に関して、宿主の遺伝子発現とそれに続く表現型の変化を誘導する可能性のある原因菌のリストを提供するものである。

最後に、OldYマウスの皮膚に高度に誘導されるDbn1が、皮膚の保湿において保護的な役割を果たすことを解明した。DBN1は細胞質アクチン結合タンパク質で、ユビキタスに発現していることが知られていますが、その機能は主に神経幹細胞の分化やアルツハイマー病における認知機能など神経生物学において記録されています[38, 39]。今回の結果は、Dbn1と皮膚の保湿を関連付ける初めての証拠です。しかし、Dbn1の定義された役割を考慮すると、DBN1が表皮幹細胞の増殖または分化を促進し、皮膚の表現型の改善につながる可能性があると考えられ、さらなる調査が待たれます。

結論
腸内細菌と宿主の相互作用が宿主の生理機能を調節することが明らかになり、若い世代から腸内細菌叢の活性化の可能性を検討することが望まれるようになった。高齢者におけるサルコペニアなどの体力低下や皮膚バリア機能障害は、老化の「損傷説」を裏付けるものであるが、我々の研究は、微生物の介入により、微生物構造と宿主遺伝子発現の変化を通じて老化した筋肉を強化し、皮膚を若返らせることを初めて明らかにした。我々は、Dbn1を皮膚の完全性を維持する重要なプレーヤーとして提案し、さらに、プロまたはアンチエイジングの表現型に関連する微生物メンバーを特定しました。本研究は、宿主における複数の臓器の活性化の包括的な証拠を提供し、アンチエイジング治療のための宿主および微生物の標的を指し示すものである。

データ・資料の入手方法
マウス糞便微生物叢の16S rRNA遺伝子のシーケンスリードは、バイオプロジェクト番号PRJNA789433 (https://dataview.ncbi.nlm.nih.gov/object/PRJNA789433?reviewer=p6bokr5gnifd4atmgjj9f6dik2)としてGenBankに寄託されています。

略号
Abx:
抗生物質カクテル

ALB:
アルブミン

ALP:
アルカリホスファターゼ

AMYL:
アミラーゼ

AU:
任意単位

ASV:
アンプリコンシークエンスバリアント

BUN
血中尿素窒素

CPK
クレアチニンホスホキナーゼ

CRE
クレアチニン

DEG
分化型発現遺伝子

ERG
網膜電図

FMT
糞便微生物叢移植法

GGT
R-グルタミルトランスフェラーゼ

CKMB
クレアチンキナーゼ・MB

GOT
アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ

GPT
アラニンアミノトランスフェラーゼ

GSEA
遺伝子セットエンクリッチメント解析

HDLC:
高密度リポタンパク質-コレステロール

H&E:
ヘマトキシリン・エオジン

IOP：眼圧
眼圧

KEGG:
京都遺伝子・ゲノム百科事典

LDA:
線形判別分析

LDH:
乳酸脱水素酵素

LEfSe:
線形判別分析の効果量

OKN:
視運動性眼振

OTU:
作業分類学的単位

PCoA:
主座標分析

TBIL:
総ビリルビン

TCHO:
総コレステロール

TEWL
経表皮水分損失

TG
トリグリセリド

参考文献
López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. The hallmarks of aging（加齢の特徴）. Cell. 2013;153:1194-217.

論文

Google Scholar

McLean AJ, Le Couteur DG. 加齢生物学と老年臨床薬理学。2004;56:163-84.

論文

CAS

Google Scholar

Cruz-Jentoft AJ, Bahat G, Bauer J, Boirie Y, Bruyere O, et al. Sarcopenia: revised European consensus on definition and diagnosis（サルコペニアの定義と診断に関するヨーロッパでのコンセンサス）。エイジエイジング. 2019;48:16-31.

論文

Google Scholar

Marengoni A, Angleman S, Melis R, Mangialasche F, Karp A, et al. Aging with multimorbidity: a systematic review of the literature.（多疾病による加齢：文献の系統的レビュー）。エイジング・リサーチ・レヴ(2011)10:430-9.

論文

Google Scholar

Depp CA, Jeste DV. 成功した加齢の定義と予測因子：大規模な定量的研究の包括的レビュー。を参照。2006;14:6-20.

記事

Google Scholar

Cruz-Jentoft AJ, Landi F, Schneider SM, Zúñiga C, Arai H, et al. 高齢者におけるサルコペニアの有病率と介入：システマティックレビュー。国際サルコペニア・イニシアチブ（EWGSOPおよびIWGS）の報告書。エイジエイジング. 2014;43:748-59.

論文

Google Scholar

Gilbert JA, Blaser MJ, Caporaso JG, Jansson JK, Lynch SV, et al. Current understanding of the human microbiome.ヒトマイクロバイオームの現在の理解。Nat Med. 2018;24:392-400.

論文

キャス

グーグル スカラー

Sommer F, Bäckhed F. The gut microbiota--masters of host development and physiology（腸内細菌叢--宿主の発生と生理の支配者）。Nat Rev Microbiol. 2013;11:227-38.

論文

CAS

Google Scholar

カニPD. ヒト腸内細菌叢：希望、脅威と約束。Gut. 2018;67:1716-25.

論文

キャス

グーグル スカラー

チョー I、ブレイザー MJ. ヒトマイクロバイオーム：健康と疾病の接点で。Nat Rev Genet. 2012;13:260-70.

論文

CAS

Google Scholar

ファンY、ペダーセンO.ヒトの代謝的健康と疾患における腸内細菌叢。Nat Rev Microbiol. 2021;19:55-71.

論文

キャス

Google Scholar

Nagpal R, Mainali R, Ahmadi S, Wang S, Singh R, et al. Gut microbiome and aging: 生理的および機構的な洞察。Nutr Healthy Aging. 2018;4:267-85.

記事

グーグル・スカラー

Wilmanski T, Diener C, Rappaport N, Patwardhan S, Wiedrick J, et al. Gut microbiome pattern reflects healthy ageing and predicts survival in humans.腸内細菌のパターンは健康な老化を反映し、ヒトの生存を予測する。Nat Metab. 2021;3:274-86.

論文

Google Scholar

Bana B, Cabreiro F. The microbiome and aging. Annu Rev Genet. 2019;53:239-61.

記事

キャス

Google Scholar

Fransen F, van Beek AA, Borghuis T, Aidy SE, Hugenholtz F, et al. Aged gut microbiota contributes to systemical inflammaging after transfer to germ-free mice.無菌マウスに移植された腸内細菌の老化が全身性炎症に寄与している。Front Immunol. 2017;8:1385.

論文

Google Scholar

Li Y, Ning L, Yin Y, Wang R, Zhang Z, et al. Age-related shifts in gut microbiota contribute to cognitive decline in aged rats.（腸内細菌叢の加齢シフトは、高齢ラットの認知機能低下に寄与する）。Aging. 2020;12:7801-17.

論文

CAS

Google Scholar

D'Amato A, Di Cesare ML, Lucarini E, Man AL, Le Gall G, et al. 高齢ドナーマウスからの糞便マイクロバイオータ移植は、若いレシピエントの海馬のシナプス可塑性と神経伝達関連タンパク質の調節を介して空間学習と記憶に影響を及ぼします。Microbiome. 2020;8:140.

論文

CAS

Google Scholar

Binyamin D, Werbner N, Nuriel-Ohayon M, Uzan A, Mor H, et al. 老化したマウスのマイクロバイオームには肥満誘発の特徴がある。Genome Med. 2020;12:87.

論文

CAS

Google Scholar

Smith P, Willemsen D, Popkes M, Metge F, Gandiwa E, et al. 短命なアフリカ産ターコイズメダカにおける腸内細菌叢による寿命の制御。Elife. 2017;6:e27014.

論文

Google Scholar

ダグラス・AE. マイクロバイオーム研究のためのシンプルな動物モデル。Nat Rev Microbiol. 2019;17:764-75.

論文

キャス

グーグル スカラー

リーWJ、ブレイPT. How microbiomes influence metazoan development: insights from history and Drosophila modeling of gut-microbe interactions.マイクロバイオームがメタゾーンの発生にどのように影響を与えるのか？Annu Rev Cell Dev Biol. 2013;29:571-92.

論文

CAS

Google Scholar

コスティックAD、ハウイットMR、ギャレットWS. 動物モデルとヒトにおける宿主-微生物叢の相互作用の探索。Genes Dev. 2013;27:701-18.

論文

CAS

Google Scholar

シルバーLM. マウス遺伝学-概念と応用。第1版。オックスフォード大学出版局; 1995.

Dutta S, Sengupta P. Men and mice: relating their ages. Life Sci. 2016;152:244-8.

論文

キャス

Google Scholar

フェリシオLS、ネルソンJF、フィンチCE. 老化したC57BL/6Jマウスにおける発情周期の縦断的研究。II. 周期性の停止と膣角化の持続期間。Biol Reprod. 1984;31:446-53.

論文

CAS

Googleのスカラー

Cruz G, Fernandois D, Paredes AH. ラットの卵巣機能と生殖機能の老化：卵巣交感神経支配の役割。Reproduction. 2017;153:R59-68.

論文

キャス

Google Scholar

Lahiri S, Kim H, Garcia-Perez I, Reza MM, Martin KA, et al. 腸内細菌叢はマウスの骨格筋量と機能に影響する。Sci Transl Med. 2019:11:eaan5662.

ゴスデンRG. メノポーズ。In: Birren JE、編集者。Encyclopedia of gerontology（老年学百科事典）。第2版ニューヨーク。Elsevier; 2007. p. 151-9.

章

Google Scholar

Flurkey K, Currer JM, Harrison DE. 加齢研究におけるマウスモデル。で。Fox JG, editor. The mouse in biomedical research. 第2版。2007. p. 637-72.

また、このような研究成果をもとに、研究者間の情報交換を促進し、研究成果の共有化を図ることを目的としています。Nucleic Acids Res.

メタゲノムバイオマーカーの発見と説明。ゲノムバイオロジー2011:12:R60.

論文

Google Scholar

Quraishi MN, Shaheen W, Oo YH, Iqbal TH. 炎症性腸疾患の治療のための糞便微生物相移植を支える免疫学的メカニズム。Clin Exp Immunol. 2020;199:24-38.

論文

CAS

Google Scholar

Jin K. Modern biological theories of aging. Aging Dis. 2010;1:72-4.

Google Scholar

Stebegg M, Silva-Cayetano A, Innocentin S, Jenkins TP, Cantacessi C, et al. 異時性糞便移植は、老化マウスの腸管胚中心を増強する。Nat Commun. 2019;10:2443.

記事

Google Scholar

Boehme M, Guzzetta KE, Bastiaanssen TFS, van de Wouw M, Moloney GM, et al. 若いマウスの微生物叢は、選択的な加齢に伴う行動障害を打ち消す。Nat Aging. 2021;1:666-76.

論文

Google Scholar

Parker A, Romano S, Ansorge R, Aboelnour A, Le Gall G, et al. 若年マウスと高齢マウスの間の糞便マイクロバイオータ転送は、腸、眼、脳の老化の特徴を逆転させる。Microbiome. 2022;10:68.

論文

CAS

Google Scholar

Yan H, Diao H, Xiao Y, Li W, Yu B, et al. Gut microbiota can transfer fiber characteristics and lipid metabolic profiles of skeletal muscle from pigs to germ-free mice.腸内細菌はブタから無菌マウスに骨格筋の繊維特性および脂質代謝プロファイルを転写する。Sci Rep. 2016;6:31786.

論文

キャス

Google Scholar

Ao X, Liu Y, Qin M, Li C, Chen X, et al. マウス脳の発生と神経幹細胞分化におけるDbn1の発現。Biochem Biophys Res Commun. 2014;449:81-7.

論文

キャス

Google Scholar

Liu Y, Xu YF, Zhang L, Huang L, Yu P, et al. 海馬におけるDrebrinの有効発現は、APP（swe）/PS1（ΔE9）マウスにおけるアルツハイマー病の認知機能の改善および病変の緩和をもたらす。CNS Neurosci Ther. 2017;23:590-604.

論文

キャス

Google Scholar

参考文献のダウンロード

謝辞
議論に協力してくれたIn Kwon ChungとYoung Jun Oh、プロジェクトに参加してくれたBoyoung LeeとLae-Guen Jang、握力計を提供してくれたSung-Rae Cho、受動回避試験に協力してくれたDae Youn Hwang、マウス図を提供してくれたIrin M. Kim、次世代シーケンサーのebiogenに謝意を表します。

資金提供
本研究は、韓国国立研究財団（NRF-2021M3H9A2098025、NRF-2021M3A9I4021432、NRF-2014M3C9A33068822）およびYonsei Signature Research Cluster Programからの助成金によりJ.F.K．および韓国NRF（NRF-2022R1A2C3007850およびNRF-2022M3A9F3016364）および韓国マウスフェノタイピングプロジェクト（NRF-2016M3A9D5A01952416）からK.T.N. 研究および出版もBrain Korea 21プロジェクトにより一部支援されており、Y.C.とJ.K.Yはこのプログラムの研究員賞受賞者です。

著者情報
著者ノート
Kwang H. Kim、Yusook Chung、Ji-Won Huhは、この研究に等しく貢献した。

著者と所属
延世大学医学部セブランス生命医科学研究所、ブレインコリア21プロジェクト、韓国ソウル

Kwang H. Kim, Yejin Cho, Yeseul Oh, Haengdueng Jeong & Ki Taek Nam（キム・クァン、チョ・イェジン、オ・イェソル、チョン・ヘンドゥン、ナム・ギテク

延世大学生命科学研究所システム生物学部門、生命科学部門、韓国・ソウル

Yusook Chung, Ji-Won Huh, Jaekyung Yoon, Soon-Kyeong Kwon & Jihyun F. Kim

Yonsei University, ソウル, 韓国

Dong Jin Park & Sang-Jun Ha

ガチョン大学薬学部、韓国、仁川

Ju-Hee Kang & Seung Hyun Oh

韓国延世大学医学部マウス感覚表現センター(KMSPC), 韓国、ソウル

Hae-Sol Shin & Kyoung Yul Seo

韓国バイオサイエンス・バイオテクノロジー研究院（KRIBB）バイオインフラストラクチャ部門実験動物リソースセンター、韓国、テジョン

キム・ヒョンチン

慶尚大学校応用生命科学部（Brain Korea 21）、韓国、晋州市

Soon-Kyeong Kwon

韓国マウスフェノタイピングセンター(KMPC), ソウル大学, 韓国

Je Kyung Seong

延世大学・農業と食品におけるマイクロバイオーム戦略イニシアチブ(iMAF)、韓国・ソウル

Jihyun F. Kim

貢献
JFKとKTNは、本研究の構想、設計、指揮を行った。JFK、KTN、YC1がFMT実験を計画し、KTN、HCK、SHO、JKSがマウスを管理した。YC1は糞便移植のためのドナーサンプルの準備と分析を行った。KHK、YC1、YC2、YO、HSS、KYS、JHKがマウス実験を実施し、マウスの表現型を観察した。YC1はレシピエントの糞便を採取し、微生物叢のデータを得て解析した。KTN、KHK、HJは組織学的検査を担当した。DJPとSJHは免疫反応を観察した。JWHとKHKは遺伝子発現データを解析した。YC1とJYは、微生物叢と宿主のデータの関係を調査した。JFK、KTN、JWH、KHK、YC1 は結果を解釈し、原稿を作成した。JFK、KTN、SJH、SKKは原稿を見直し、編集した。著者全員が結果について議論し、原稿にコメントした。最終原稿は著者が読み、承認した。

連絡先
Ki Taek Nam または Jihyun F. Kim 宛てにご連絡ください。

倫理に関する宣言
倫理的承認と参加への同意
該当なし

出版への同意
全著者が本原稿を読み、掲載に同意した。

利害関係
著者らは、競合する利害関係を有しないことを宣言する。

追加情報
出版社からのコメント
Springer Natureは、出版された地図の管轄権の主張および所属機関に関して、中立的な立場を維持しています。

補足情報
追加ファイル1: 図S1.
3つの処理にさらされた老齢マウスの生理的特徴。図S2. 対照マウス、超高齢マウス、および若年マウスの微生物叢を移植した超高齢マウスの生理学的特性。図S3. FMTマウスの免疫プロファイル。図S4. 大腸組織における微生物クラスターとDEGsの相関解析。

追加ファイル2：表S1.
図3Bに対応する遺伝子のリスト。表S2. 図3Eに対応する遺伝子のリスト。表S3. 図3Hに対応する遺伝子のリスト。

権利と許可
オープンアクセス この記事は、クリエイティブ・コモンズ 表示 4.0 国際ライセンスの下に提供されています。このライセンスは、原著者と出典に適切なクレジットを与え、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスへのリンクを提供し、変更があった場合にそれを示す限り、いかなる媒体または形式においても使用、共有、適応、配布、複製を許可します。この記事に掲載されている画像やその他の第三者の素材は、素材へのクレジット表示で別段の指示がない限り、記事のクリエイティブ・コモンズ・ライセンスに含まれます。もし素材が記事のクリエイティブ・コモンズ・ライセンスに含まれておらず、あなたの意図する利用が法的規制によって許可されていない場合、あるいは許可された利用を超える場合には、著作権者から直接許諾を得る必要があります。このライセンスのコピーを見るには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。クリエイティブ・コモンズ・パブリック・ドメインの献呈放棄（http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/）は、データへのクレジットラインに特に記載がない限り、この記事で利用可能となったデータに適用されます。

転載と許可

この記事について
CrossMarkで通貨と真偽を確認する
この記事の引用
Kim, K.H., Chung, Y., Huh, JW. et al. Gut microbiota of the young ameliorates physical fitness of the aged in mice（若者の腸内細菌叢は高齢者の体力を改善する）. Microbiome 10, 238 (2022). https://doi.org/10.1186/s40168-022-01386-w

引用文献のダウンロード

受領日
2022年1月10日

受理済
2022年10月6日

公開日
2022年12月26日

DOI
https://doi.org/10.1186/s40168-022-01386-w

この記事を共有する
以下のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

共有可能なリンクを取得する
Springer Nature SharedItコンテンツ共有イニシアチブにより提供されています。

キーワード
プログラム老化
C57BL/6
マイクロバイオーム
サルコペニア
Ki-67
マイクロビオーム
ISSN: 2049-2618

お問い合わせ先
投稿に関するお問い合わせ: lyndie.manicani@springernature.com
一般的なお問い合わせ: info@biomedcentral.com
ブログでもっと読む
BMCニュースレターを受信する
アーティクルアラートの管理
言語校正（著者
著者のための科学的編集
ポリシー
アクセシビリティ
プレスセンター
サポートと連絡先
フィードバック
採用情報
BMCをフォロー
BMCのTwitterページ
BMC Facebookページ
BMCウェイボページ
このウェブサイトを使用することにより、当社の利用規約、カリフォルニア州プライバシーステートメント、プライバシーステートメント、およびクッキーポリシーに同意したことになります。Cookieの管理/プリファレンスセンターで使用している私のデータを販売しないでください。

シュプリンガー・ネイチャー
© 2022 BioMed Central Ltd 特に断りのない限り。シュプリンガー・ネイチャーの一部です。