マイクロバイオームと摂食パターンが腸内の概日リズムにどのように影響するかを科学者たちが実証
マイクロバイオームと摂食パターンが腸内の概日リズムにどのように影響するかを科学者たちが実証
サンチャリ・シンハ・ダッタ博士（Ph.D.
By Dr. Sanchari Sinha Dutta, Ph.D..Jan 24 2023
レビュー：Aimee Molineux
腸内細菌が腸と脳の概日リズムの同期を安定化させることが、『PNAS』誌に発表された研究で明らかになりました。
研究内容 マイクロバイオームが腸の概日リズムを安定化させる。画像引用元：Vovantarakan / ShutterstockStudy: マイクロバイオームが腸の概日リズムを安定化させる。画像引用元：Vovantarakan / Shutterstock
研究背景
腸内細菌は、ヒトや動物の消化管に存在する微生物のコミュニティです。代謝、免疫反応、神経機能など、様々な生理的プロセスの制御に重要な役割を果たしている。
腸内細菌は長期的には安定していますが、食事によってその構成が一過性に変化することがあります。同様に、腸内細菌は、一昼夜を通じてその組成や局在がリズミカルに変化しています。
今回、研究者らは、ショウジョウバエの腸内における腸内細菌叢、時間制限のある摂食パターン、および概日リズムの相互関係を探りました。
腸内細菌叢の概日リズムの制御
無制限に餌を供給できる（アドリビタン）ショウジョウバエを用いて、腸内細菌叢の組成と多様性が昼夜のサイクルの中で変化するかどうかを研究した。その結果、野生型のハエと概日時計遺伝子を欠くハエでは、腸内細菌叢の概日周期がないことがわかった。
また、特定の時間帯にリズミカルな摂食パターンを与えた野生型ハエでは、腸内細菌叢の組成と多様性に概日的な変動は見られなかった。しかし、概日時計遺伝子を欠くハエでは、概日時計が時間制限摂食パターンが腸内細菌叢に及ぼす影響を阻害することが明らかになった。
時間制限摂食が概日リズムトランスクリプトームに与える影響
本研究では、マイクロバイオームを持つハエと持たないハエを用いて、概日遺伝子の発現解析を行った。その結果、時間制限摂食とマイクロバイオーム消失の両方が、腸の概日リズムトランスクリプトームに大きな影響を与えることが明らかになった。
代謝タンパク質をコードする宿主遺伝子は、マイクロバイオームがない（無菌）ハエで循環が増加することが示されました。一方、発生や分化に関連する遺伝子は、サイクルが減少していた。
時間制限のある給餌条件（特定の時間に餌を与える）で維持されたハエでは、酸化的リン酸化とエネルギー代謝に関連する遺伝子で周期的発現の喪失が観察された。
時間制限のある摂食条件下では、サイクリング遺伝子の発現が誘導されることが観察された。このような全体的な循環発現の変化には、転写因子の活性の変化が関与していることが明らかとなった。時間制限食と同様に、マイクロバイオームの喪失がサイクリング遺伝子発現に影響を与えることがわかった。
時間制限食のサイクリング遺伝子発現への影響は、ヒストンアセチル化の増加が介在しているようであった。このことから、摂食制限条件はヒストンアセチル化の強固なリズムを引き起こすこと、また、これらの条件によって影響を受ける多くの遺伝子はヒストンアセチル化に応答することが明らかになった。
ショウジョウバエの腸内細菌は、1日周期でほぼ安定している。(A and B) 野生型Iso31や時計変異体per01のハエの腸内では、アドリブ（AF）またはTF条件下でマイクロバイオームの多様性は日周振動を示さない。リズムの評価にはJTK_cycleを使用した。(C, D) TF条件下での特定の細菌種の周期、ただしper01のみ。JTK_cycleの値を示す。ショウジョウバエの腸内マイクロバイオームは、1日周期でほぼ安定である。(A and B) 野生型Iso31と時計変異体per01の腸内では、アドリブ（AF）またはTF条件下でマイクロバイオームの多様性は日周振動を示さない。リズムの評価にはJTK_cycleを使用した。(C, D) TF条件下での特定の細菌種の周期、ただしper01のみ。JTK_cycleの値を示す。
時間制限給餌の機能的影響とマイクロバイオーム
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時間制限給餌で維持されているハエにさまざまなストレス要因（飢餓、細菌注入、熱ショック）を与え、制限給餌が健康や体力に与える影響を調べました。
その結果、制限給餌はストレス条件下でのハエの生存率を低下させることが明らかになった。言い換えれば、制限給餌は、有益な代謝効果を持つにもかかわらず、ストレス要因に対するハエの感受性を増加させる。
マイクロバイオームの機能的影響は、サーカディアンフェーズシフトパラダイム（昼夜サイクルのコース変更）を用いて決定された。実験には、マイクロバイオームを持つハエと持たないハエを使用しました。
その結果、マイクロバイオームの存在が、ハエの脳内の概日時計遺伝子の循環を増加させることが明らかになった。全体として、無菌のハエは、マイクロバイオームを持つハエと比較して、昼夜周期のシフトに伴ってより迅速にリセットされることが観察された。
つまり、腸内細菌は昼夜周期の変化に対する腸内時計の反応を調節し、腸と脳の概日リズムの同期を促進させることがわかった。
研究の意義
本研究により、ハエの腸内細菌叢は周期的に変化しないことが明らかになりました。しかし、腸内の遺伝子発現の概日リズムを制御し、異なる環境条件に応じた急激な変動を防いでいます。
ジャーナルの科学者が言及したように、"これらの発見は、現代社会の一般的な状況に対して重要な意味を持ちます。"
ソースはこちら
Zhang Y. 2023年。マイクロバイオームが腸内の概日リズムを安定化させる。PNAS, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217532120
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投稿先 医学ニュース｜ライフサイエンスニュース｜医学研究ニュース
タグ アセチル化, バクテリア, 脳, サイクリング, ダイエット, 食品, 果物, 遺伝子, 遺伝子発現, 熱, 免疫反応, 代謝, マイクロバイオーム, リン酸化, 転写, 転写因子
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博士Sanchariシンハドゥッタ
執筆者
サンチャリシンハドゥッタ博士
Sanchari Sinha Dutta博士は、世界の隅々にまで科学の力を広めることを信条とする科学コミュニケーターです。理学士号と理学修士号を取得し、生物学と人体生理学を学びました。修士号取得後、人体生理学の博士課程に進学。これまでに10本以上の原著論文を執筆し、そのすべてが世界的に有名な国際誌に掲載されている。