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ショウジョウバエの老化における微生物相の役割について


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REVIEW記事
フロント エイジング、2022年5月19日
第2部 老化の遺伝学・ゲノム・エピゲノミクス
第3巻~2022年|https://doi.org/10.3389/fragi.2022.909509
この記事は、「研究テーマ」の一部です。
加齢研究のモデル生物: キイロショウジョウバエ(Drosophila melanogaster
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ショウジョウバエの老化における微生物相の役割について

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fragi.2022.909509/full



アランサズ・アリアス・ロハス、イゴール・イャツェンコ※1
マックス・プランク感染生物学研究所(ドイツ・ベルリン
腸内細菌群集は、栄養の獲得、発育、免疫、代謝など、宿主の生物学に不可欠な局面に関与している。宿主の加齢に伴い、腸内細菌叢の組成、存在量、機能には劇的な変化が起こる。このような微生物叢の変化は生物種を超えて保存されているが、ほとんどの研究は記述的なもので、せいぜい加齢に伴う病理と特定の微生物との相関を示唆する程度である。哺乳類の腸内細菌叢は複雑で、そのほとんどが培養や遺伝学的解析が不可能なため、宿主の老化における微生物叢の因果関係については、依然として難しい問題であった。ここでは、腸内細菌が宿主の老化をどのように調節するのかについて、メカニズムレベルでの理解を大きく前進させたミバエDrosophila melanogasterを用いた最近の研究を要約する。
はじめに
生物学的老化は、遺伝的要因と環境要因の組み合わせによって制御される複雑で多因子にわたる現象である。実験室モデル生物の遺伝学的研究により、インスリン/インスリン様成長因子シグナル伝達(IIS)やラパマイシンの力学的標的(mTOR)など、複数の種の寿命をネガティブに制御する、保存された宿主経路が特定された(Kapahiら、2010; Lapierre and Hansen、2012; Fernandes and Demetriades、2021)。温度変化、食事制限、ストレスなどの環境擾乱も同様に、実験生物の寿命、老化に大きく影響します(Valenzanoら、2006;Fontanaら、2010;Tatarら、2014;Reganら、2016;Duttaら、2022;VakkayilとHoppe、2022)。
宿主生物と環境の界面に存在する常在微生物コミュニティは、発生、必須ビタミンの合成、代謝、免疫系の調節、病原体に対する防御など、複数の必須プロセスに参加しています(Nicholsonら、2012;Sommer and Bäckhed、2013;Geva-Zatorskyら、2017;Pickardら、2017;Sanninoら、2018;Ducarmonら、2019;Consuegraら、2020)。
驚くことではないが、腸内細菌叢も種を超えて長寿に重要な役割を果たすという証拠が蓄積されている(O'Toole and Jeffery, 2015; Clark and Walker, 2018; Kim and Jazwinski, 2018; Valenzano and Seidel, 2018; Bana and Cabreiro, 2019)。例えば、異なるヒトの年齢コホートを用いた研究では、様々な年齢層における微生物叢の組成の違いが確認されました(Biagi et al., 2016)。全体として、いくつかの研究では、腸内の微生物多様性は年齢とともに減少することがわかりました(Yatsunenko et al., 2012; Biagi et al., 2016; Leite et al., 2021)。しかし、Christensenella、Akkermansia、Bifidobacteriumなどの健康に関連する属は、スーパーセンテナリアンのような例外的に長寿の人に一貫して見られ、その寿命促進効果の可能性を示唆しています(Biagi et al.、2016)。
微生物叢の組成は分類群によって異なるが、ヒトで観察されたのと同様に、加齢に伴う腸内微生物群集の広範なリモデリングは、線虫のCaenorhabditis elegans (Cabreiro and Gems, 2013; Han B. et al.など、いくつかのモデル生物でも確認されている、 2017)、ハエDrosophila melanogaster(Clark et al., 2015; Li et al., 2016)、魚Nothobranchius furzeri(Smith et al., 2017)、マウスMus musculus(Langille et al., 2014)。このような微生物叢の加齢に伴う変化が原因なのか、それとも生物の老化の結果なのかは、依然として答えの出ない難問である。
本総説では、ショウジョウバエモデルを用いて得られた、腸内細菌叢と宿主の老化の複雑な関係に関する知見をまとめる。
ショウジョウバエの微生物相のいくつかの特徴は、マイクロバイオーム研究においてショウジョウバエモデルをうまく利用するための基礎を築いた。ハエ微生物叢のメンバーの培養可能性と遺伝的扱いやすさと組み合わせた単純な分類学的構成は、機能研究と宿主生理に対する常在菌の影響の分子メカニズムの解読を可能にします(Douglas, 2018; Douglas, 2019; Grenier and Leulier, 2020; Lesperance and Broderick, 2020)。ショウジョウバエで利用できる豊富な遺伝子、ゲノム、分子リソースは、微生物叢制御の宿主メカニズムや常在菌が標的とする宿主因子の研究に役立つ(Halesら、2015;LudingtonとJa、2020)。アクセニックとも呼ばれる無菌動物の作製と維持が簡単であることも、ショウジョウバエモデルの特に優れた点です。さらに、標準化された微生物叢でコロニー化されたgnotobiotic動物を容易に得ることができます(Douglas, 2018; Ludington and Ja, 2020)。
驚くことではないが、マイクロバイオームの実験的操作に対するその卓越した従順性により、ショウジョウバエは、老化を含む様々な生理学的プロセスに対するマイクロバイオータの影響を研究するために広く使用されている(Kuraishi et al., 2013; Trinder et al., 2017; Gould et al., 2018; Ludington and Ja, 2020; Kong et al., 2021; Hrdina and Iatsenko, 2022)。
ショウジョウバエの微生物叢の構成と維持管理
ショウジョウバエは、実験室および野外で比較的単純な微生物群集(2~30種)を保有し、プロテオバクテリアとファーミキューテスの2つのフィラのみで表され、アセトバクター科とラクトバシル科という2つの著名な科とエンターコッカス科とエンターバクテリア科というマイナー科によって支配されています(Staubachら、2013;Wongら、2013;Adairら、2018年)。異なる研究において最も一貫して関連する種は、Lactiplantibacillus plantarum、Levilactobacillus brevis、Acetobacter pomorum、A. pasteurianus、およびEnterococcus faecalisです(Borderick et al., 2014; Erkosar and Leulier, 2014; Grenier and Leulier, 2020; Lesperance and Broderick, 2020; Ludington and Ja, 2020)。このような乳酸菌や酢酸菌のコミュニティは、ハエが餌とする発酵基質を反映している(Chandler et al., 2011; Broderick and Lemaitre, 2012)。ショウジョウバエの腸内常在菌の確立と維持は、食事からの微生物の絶え間ない摂取に依存しているため、食事(基質)はショウジョウバエの微生物叢の形成に不可欠な役割を果たします(Erkosar et al., 2014)。ミバエの腸内微生物の大部分は、腸内で安定的に持続することができず、常に食物とともに再摂取する必要がある(Blum et al., 2013; Broderick et al., 2014; Storelli et al., 2018)。新しく出現したハエの腸は、少ない数の微生物でコロニー形成されています。しかし、これらのハエは、親の糞で汚染された食物から細菌を摂取することで、成虫になってから1日以内に微生物相を獲得します(Blum et al., 2013; Broderick et al., 2014)。さらに、メスは子孫の卵殻に播種することで、自分のマイクロバイオータを子孫に伝達します。孵化した幼虫は、汚染された卵殻を食べ、細菌が繁殖する微生物が豊富な餌を摂取することでコロニー化する(Erkosar et al., 2014; Storelli et al., 2018)。D. melanogaster、微生物叢、および栄養の間のこのような関連性は、同じ培養瓶で飼育された個々のハエ間で観察される微生物叢の組成および密度の高いばらつきの一因であると考えられます。細菌負荷は、同居しているハエの個体間で1ログも異なることがあります(Broderick et al.、2014)。また、基質からの微生物の再摂取を防ぐ無菌餌に頻繁に移されるハエは、微生物叢を失い、無菌状態になることがあります(Blum et al., 2013; Pais et al., 2018)。ショウジョウバエの微生物叢の一過性の性質は、ショウジョウバエの実験室ストックから分離された細菌を用いて確立されました。興味深いことに、野生で捕獲されたD. melanogasterからの細菌単離株の一部は、ミバエの腸内で安定的に持続し増殖することができます。このような安定した会合により、新しい環境への継続的な細菌の拡散と、ショウジョウバエの幼虫の成長を加速し、成虫の繁殖力を高める有益な細菌による次世代のハエのコロニー化が容易になり、生態学的文脈で両方のパートナーに適性上の利点を与えることになりました(Pais et al., 2018)。微生物とハエの両方が独立して完全に問題なく生活できる実験室環境下では、安定した会合を維持するための進化的圧力が失われていると考えられる。これに伴い、著名なハエの常在菌L. plantarumの共生特性の進化を促す大きな力は、宿主ではなく食餌であることが明らかになった(Martino et al., 2018)。このような食事主導の進化による共生特性の向上は、宿主が細菌共生体の副産物から利益を得る、副産物相互作用の一例である。
ショウジョウバエの寿命に及ぼす腸内細菌叢の影響
ミバエの微生物叢は、加齢を通じて存在量と組成が変化する(Broderickら、2014;Guoら、2014;Clarkら、2015;Liら、2016;Salazarら、2018)。老いたハエは、若いハエよりも腸内の細菌負荷が高いことが多い(Blumら、2013;Broderickら、2014;Marraら、2021a)。報告されている微生物叢の摂理を考慮すると、予想通り、ショウジョウバエの老化における微生物叢の役割は、活発な研究分野となっている。宿主の寿命に対する腸内細菌叢の影響を調べる最も直接的なアプローチは、アクセニックフライを用いて細菌叢除去の影響を調べることである。このようなアプローチを用いた複数の研究により、相反する結果が報告されている。Brummelらの先駆的な研究は、軸性飼育したハエの寿命が従来飼育したハエの寿命よりも短いことを報告した(Brummelら、2004年)。この効果は、孵化から2-3日以内に微生物に暴露することで回復することができた。Renの追跡調査では、微生物相の除去による寿命への影響は見られなかった(Ren et al., 2007)。
研究室間の栄養条件の違いが、ハエ寿命に対する微生物群の影響に関する一貫性のない結果の一因になっている可能性がある。実際、細菌性ハエ常在菌L. plantarum(Téfit and Leulier, 2017)および酵母Issatchenkia orientalis(Yamada et al., 2015; Keebaugh et al., 2018)は、ハエを低栄養食で飼育するとハエの長寿を促進できる。驚くべきことに、劣悪な栄養条件下でハエの寿命を延ばした同じ微生物(I. orientalis)は、ハエを栄養豊富な飼料で飼育すると寿命を縮める(Keebaugh et al., 2019)。この観察は、栄養環境と、おそらく他の環境要因が、常在菌が宿主の生理に及ぼす影響の重要な決定要因であることを認識させるものである。Keebaughらは、栄養豊富な条件下でハエの常食動物が寿命に及ぼす有害な影響の根本的なメカニズムを調査していないが、彼らの観察は、"overfeeding hypothesis "を実験的に支持するものとなる。すなわち、Lachnitら(2019)は、オーバーフィーディングが腸内細菌叢の機能性を変化させ、その活性を高め、その結果、疾患発症を促進する微生物副産物が増加すると提案した。このようなシナリオは、I. orientalisが栄養豊富な食餌下でショウジョウバエの寿命に有害な影響を与えることを説明できると考えられる。栄養価に加えて、食事のpHも寿命に影響を与えることが示されている。実際、ハエは酸性食で長生きし、軸索動物で観察されたのと同様であり、この効果は微生物相とは無関係である可能性が示唆されている(Deshpande et al., 2015)。しかし、著者らはアルカリ性pHの食餌で微生物叢組成のシフトを観察しており、このシフトがアルカリ性食品の寿命に対する劇薬を悪化させた可能性があります(Deshpande et al.、2015)。さらに、食物中に存在する化学的ストレス因子は、微生物叢の組成に影響を与えることを介してミバエの寿命に影響を与える可能性がある。例えば、ショウジョウバエの幼虫を低濃度の酸化剤に一過的に曝露すると、寿命短縮と因果関係のあるAcetobacter種が選択的に排除され、成虫の寿命が延びた(Obata et al.、2018年)。
初期の研究では相反する結果が出たものの、微生物の不在がショウジョウバエの寿命を延ばすことを示す証拠はたくさんある。異なるハエの遺伝子型、さまざまな食餌(コーンミール、化学的に定義されたもの)、および軸索ハエを生成する異なる方法(漂白、抗生物質処理)を利用した数多くの研究が、軸索ハエの寿命の増加を一貫して報告しています(Petkauら、2014;Clarkら、2015;Galenzaら、2016;TéfitおよびLeulier、2017;Iatsenkoら、2018;Obatら、2018;Leeら、2019;Shuklaら、2021)。したがって、微生物叢の存在は、ミバエの寿命に有害である可能性があります。ショウジョウバエの微生物叢は組成の加齢に関連した変化を受け、微生物叢の一部のメンバーは加齢中に宿主に特に有害であるように見えるが、Lee e al.の広範囲にわたる研究により、微生物の豊富さは組成の変化よりも宿主寿命の強い決定因子であることが示された(Lee et al., 2019; Lee et al., 2022)。
いくつかの研究では、ミバエの老化に対する微生物の影響を理解しようとし、アクセニックと従来のハエの違いを比較しました。Shuklaらはトランスクリプトミクスアプローチを行い、遺伝子発現の加齢に伴う変化の約70%が無菌ハエでは起こらないことを発見した(Shuklaら、2021)。無菌ハエで起こらないプロセスの中には、動物種を超えて保存されている老化の2つの特徴、すなわちストレス応答遺伝子のダウンレギュレーションと自然免疫系の遺伝子のアップレギュレーションが含まれていました。したがって、これらのプロセスは、加齢に伴う微生物に対する生物の適応的な反応を示している。
遺伝子発現を制御する以外に、常在菌は加齢に伴うハエのメタボロームを変化させる。具体的には、山内らは、ショウジョウバエのプリン分解経路の最終産物であるアラントインが、微生物群依存的に加齢とともにレベルが上昇し、寿命の短縮に寄与することを発見した(Yamauchi et al., 2020)。Acetobacter persiciは、マルピーギ管における免疫不全(IMD)経路を活性化することにより、アラントインレベルを増加させる原因菌として同定されました。アラントインの増加がどのように寿命を縮めるのか、IMD経路がどのようにアラントインレベルを制御しているのかは、まだ解明されていない。
ハエのメタボロームに影響を与えるだけでなく、常在菌自身も宿主の老化に影響を与える代謝産物を産生する。例えば、大腸菌が放出するトリプトファンの生合成における芳香族複素環式有機中間体であるインドールは、アリール炭化水素受容体を活性化してショウジョウバエの寿命を延ばすことが示されました(Sonowal et al., 2017)。大腸菌は典型的なハエの腸内常在菌ではありませんが、乳酸菌のようにインドールを産生するショウジョウバエの微生物叢のメンバーの一部では、同様のメカニズムが働いている可能性があります。別の細菌代謝物である大腸酸は、宿主のミトコンドリア動態制御とアンフォールドタンパク応答(UPRmt)を介していると思われる同様の長寿促進効果を示した(Han B. et al., 2017)。さらに、細菌における遺伝的アプローチであるメタゲノム全体の関連付けにより、ショウジョウバエの寿命の変動に関連する細菌のメチオニン代謝遺伝子が同定され、ミバエの長寿におけるメチオニンの役割の可能性が示唆されました(Matthews et al.、2020)。
ショウジョウバエの微生物叢の組成は年齢とともに変化し、存在量が増加するため、いくつかの研究では、そのような摂動の潜在的な原因、および結果について調査しました。例えば、Guoらは、加齢に伴う常在菌の異常の原因とハエの長寿への影響を説明するメカニズムを提案した(Guo et al., 2014)。著者らは、老化した腸では、FOXO転写因子の慢性的な活性化があることを発見した。これは、FOXOを介したIMD経路のネガティブレギュレーターであるPGRP-SC2の抑制につながり、その結果、IMD経路の活性が調節されなくなり、微生物負荷の増加や病原体の拡大という形で常在菌のディスバイオシスが誘発される(Guo et al., 2014)。その結果、このようなディスバイオシスな微生物群集は、腸管幹細胞(ISC)の過剰増殖、異形成、寿命の減少を引き起こしました(図1)。しかし、PGRP-SC2がどのように微生物相を制御しているのか、例えばIMD経路の活性を制御したり、エフェクター分子として作用したりしているのかは、まだ解明されていません。その後の研究で、Liらは、加齢に伴う常在菌異常の背後にある新たなメカニズムを特定しました(Li et al.、2016)。具体的には、著者らは、ショウジョウバエの腸におけるJAK-STAT経路の活性が加齢とともに増加し、おそらくサイトカインの産生が増加することに起因することを発見しました。これにより、腸の胃様銅細胞領域で形質転換が起こります。この領域は酸性pHであるため、微生物叢の分布と組成を制御しています。したがって、JAK-STAT活性化の亢進による加齢に伴うメタプラシアは、銅細胞領域を破壊し、常在菌異常、上皮異形成、寿命の短縮につながる(Li et al., 2016)。このように、加齢に伴う慢性炎症による腸内コンパートメント形成の低下は、常在菌異常症や腸管形成不全の背後にある重要なメカニズムであると考えられます。
図1
図1. ショウジョウバエの加齢に伴う腸内ホメオスタシスに対する微生物叢の影響を描いたモデル。健康で若い腸(左図)では、微生物叢が腸のホメオスタシス、腸の完全性、最適な寿命の維持に役立っています。L.プランタラムのような常在菌は、腸内でL-乳酸を放出します。L-乳酸はモノカルボン酸トランスポーター(MCT)を介して腸管細胞に入り、宿主の乳酸脱水素酵素(LDH)により酸化され、NADHが生成されます。NADHはNADPH-oxidase Noxによって活性酸素を生成し、腸管幹細胞(ISC)の増殖と分化を促進し、組織の恒常性を確保します。L. plantarum(Lp)やA. pomorum(Ap)などの常在菌は、PGRP-LEという受容体とRelishという転写因子を引き金にして、基底のIMD経路の活動を刺激し、結果としてPGRP-SCや抗菌ペプチド(AMP)という常在菌の増殖を制御する分子を発現誘導しています。老化した腸(右図)では、活性化したFOXO転写因子がRelish活性とAMPs遺伝子の発現を高め、PGRP-SCの発現を抑制していることがわかります。このようにAMPが過剰に存在し、PGRP-SCの産生が低下した環境では、常在菌群に病原体が出現し、選択されやすくなります。G. morbifer(Gm)、L. brevis(Lb)、P. rettgeri(Pr)などの病原体はAMPに耐性があり、DUOXの活性化により活性酸素の過剰生成を促進するウラシルを放出します。DUOXに依存した活性酸素は、無秩序なISCの増殖と分化不全を刺激し、腸の形成不全、組織の完全性の喪失、寿命の短縮をもたらすと考えられています。
宿主の遺伝、微生物叢の異常、寿命の関連性
宿主の遺伝学は、微生物叢の組成と存在量の決定要因の一つである(Chaston et al.、2016)。腸内微生物群集に影響を与えることで、ミバエを短命化する素因となる変異がいくつか同定されました。これらの変異は、腸内常在菌の制御に関与する宿主経路を主に破壊する。ミバエは、病原体や腸内細菌叢を制御するために、抗菌ペプチド(AMP)と活性酸素種(ROS)という2つの誘導性防御機構に依存している(Haら、2005;Ryuら、2006;Buchonら、2009b;Maraら、2021a)。デュアルオキシダーゼDuoxは、病原菌や病原体が放出するウラシルに反応して、高レベルの殺微生物性ROSを生成する(Ha et al., 2005; Lee et al., 2013)。Duox活性を欠くハエは、相互扶助細菌や病原性細菌を制御できず、寿命も短い(Ha et al., 2005; Ha et al., 2009)。重要なことは、活性酸素は殺微生物作用だけでなく、腸管細胞にダメージを与えることで、ダメージを修復するためにISCの代償増殖を誘導することです(Buchon et al., 2009a; Hochmuth et al., 2011)。しかし、幹細胞の過剰な蓄積は、形成不全や腸の機能不全を引き起こす。
腸内細菌によるIMD経路の活性化は、NF-kB様転写因子Relishの核へのトランスロケーションをもたらし、抗菌ペプチド(AMP)の発現を促進する。IMD経路は、細菌のペプチドグリカン(PGN)が、腸の外胚葉部にある膜貫通型受容体PGRP-LCや中腸にある細胞内受容体PGRP-LEによって感知されると始まる(Bosc-Drayon et al.2012; Neyen et al.2012 )。IMDによって誘導されたAMPは、主に活性酸素に強い微生物に対して作用し、Duoxを介した活性酸素防御を補完する(Ryu et al.、2006)。Relish変異体またはAMPを欠く変異体のように、IMDシグナル伝達が破壊されたハエは、常在菌の過剰な負荷を示し、短命である(Buchonら、2009a;Broderickら、2014;Iatsenkoら、2018;Maraら、2021a)。ROS-またはIMD-媒介応答が影響を受けたいくつかの追加変異体は、常在菌ディスバイオシスにより長寿が減少することが示された。例えば、転写因子Caudalの発現が低下したハエは、IMD経路の活性が上昇し、腸内のAMPの発現が増加する(Ryu et al.、2008)。このような腸内環境は、宿主の死亡率を高める病原体Gluconobacter EW707の増殖を促進する。その後の研究で、グルコノバクターは有益な微生物群のメンバーとは対照的にウラシルを放出し、これが慢性的なDUOXの活性化と活性酸素の生成を引き起こし、腸の損傷、制御不能なISC増殖、異形成、そして死亡を引き起こすことが示された(図1)(Lee et al.、2013年)。
別の転写因子であるNubbinの機能喪失も同様に、腸内の免疫反応が常時活性化し、微生物叢の存在量と組成が変化する。その結果、Nubbinを欠くハエは、常在菌の不衛生とAcetobacter属やLeuconostoc属の過剰増殖により短命となる(Dantoft et al.、2016)。
IMD活性が調節された別の変異体では、Gluconobacter sppが腸の病理に関与していた。Chenらは、ヒストン脱メチル化酵素KDM5を欠損したハエが、IMD経路の過剰な活性により腸内異常症を示し、寿命が短くなることを報告した(Chen et al., 2019)。具体的には、kdm変異体はラクトバチルス属の存在量が減少するが、グルコノバクター属とプロビデンシア属の存在量が増加することを示す(Chen et al.、2019)。興味深いことに、別の遺伝子欠損、すなわちトランスグルタミナーゼの欠損は、同様の表現型-IMD活性の上昇、寿命の低下、およびProvidencia属とAcetobacter属の拡大を伴う常在生物異常症をもたらす(Sekihara et al., 2016)。このような一貫性は、過剰なIMD経路活性がGluconobacterやProvidenciaのような病原性細菌に最適な条件を作り出すことを示唆している。注目すべきは、GluconobacterとProvidenciaの両方が宿主のAMPとROSに耐性がある一方で、DUOXを介してウラシルを放出しROSを誘導するため、炎症腸内で繁栄するだけでなく、炎症、腸の損傷、異形成をさらに悪化させる。
IMD経路の負の制御因子であるPGRP-LB、PGRP-SC、Pirkを欠損したハエは、IMD経路が過剰に働く他の変異体と同様に短命である(Kleino et al.2008; Lhocine et al.2008; Paredes et al.2011). 無菌状態で寿命が延びるということは、内在性微生物に対する慢性的な免疫活性化が腸の機能不全を引き起こし、早期に死に至る可能性が高いことを示唆している。しかし、IMD経路の負の制御因子を欠くこのようなハエに、IMD活性が過剰な他の変異体で報告された常在菌の組成や存在量の変化が起こるかどうかは、まだ検討されていない。同じ疑問は、腸の隔壁結合が破壊され、腸内常在菌によって駆動される構成的な免疫活性化によって寿命が短くなるビッグバン変異体にも当てはまる(Bonnay et al., 2013)。
病原体以外にも、乳酸菌のように一般的にハエにとって有益とされる細菌も、その量が制御されないと、老化中に腸の病理を引き起こすことがあります(Fast et al., 2018; Iatsenko et al.) 加齢中、IMD経路の上流にある分泌型受容体PGRP-SDを欠くハエでは、このような制御不能な増殖が観察された(Iatsenko et al.、2016、2018)。PGRP-SD変異ハエの腸内におけるL. plantarumの過剰増殖は、乳酸の蓄積を伴い、腸内NADPH酸化酵素Noxを介して高レベルの活性酸素の発生を引き起こした。Noxが生成したROSは結果的に腸の損傷、ISCの代償的な過剰増殖、形成不全、寿命の短縮を引き起こした(Iatsenko et al., 2018)。哺乳類の腸でL. plantarumがNox依存性のISC増殖を誘導すること(Jones et al., 2013)は、細菌の増殖とISCの増殖を結びつける乳酸によるNox活性化のメカニズムが保存されていることを示唆しています。
さらに、常在菌は、長寿を制御する主要な経路を調節することで、宿主の老化に影響を与えるかもしれない。実際、mTORおよびインスリン様成長因子シグナルは、ミバエの常在菌によって制御されることが知られている進化的に保存された経路である(Fan et al., 2018; Bana and Cabreiro, 2019)。例えば、常在菌であるA. pomorumのピロロキノリンキノン依存性アルコール脱水素酵素(PQQ-ADH)活性は、ショウジョウバエのIISを調節し、低イースト食での幼虫成長を促進するために必要です(Shin et al., 2011)。同様に、L. plantarumは、TOR経路のアップレギュレーションを介して低栄養食での幼虫の成長を促進する。TOR複合体阻害剤1を過剰発現しているハエは、L. plantarumの成長に対する影響に抵抗性がある(Storelli et al.) TORとIISの抑制は長寿を促進することが知られていることから(Bana and Cabreiro, 2019)、A. pomorumとL. plantarumがそれぞれIISとTOR経路を活性化することによって老化に悪影響を及ぼすかどうかを調べることは重要であろう。興味深いことに、ラパマイシン処理によるTORの化学的阻害はマイクロバイオーム組成を変化させ、寿命を延ばしたが、CRおよびアクセニックフライの両方で、ラパマイシンの寿命促進効果はマイクロバイオータに依存しないことが示唆された(Schinaman et al.、2019年)。
Toll経路は腸管免疫に大きな役割を果たすわけではないが(Broderick et al., 2014)、微生物叢の制御における役割が明らかになりつつある。例えば、PGRP-SAやDIFを欠損したToll欠損ハエは、細菌量が減少し、寿命が短くなることが分かっています。メカニズム的には、PGRP-SAは免疫機能ではなく、代謝機能を介して微生物叢を制御している。具体的には、PGRP-SA受容体が細菌を認識すると、腸管細胞においてToll経路が活性化し、翻訳制御因子4E-BPの転写が増加することが確認された。Tollによって活性化された4E-BPは脂肪の異化を可能にし、微生物叢を維持する。Toll経路の活性がない場合、TORを介した4E-BPの抑制は、腸内脂質の蓄積とアクセス不能をもたらし、腸内細菌密度の低下と相関する(Bahuguna et al., 2022)。しかし、PGRP-SA変異体やdif変異体の寿命の低下が、脂質の蓄積によるものなのか、微生物群集の変化によるものなのかは未解決の問題である。
IMD経路の過剰活性化と同様に、グラム陽性微生物叢が放出するPGNによるToll経路の慢性的な刺激によって、ハエの寿命が短くなることが知られている。すなわち、Kruppel-like factor 15(Klf15)を欠損したハエは、腎臓がなく、血流をろ過できないため、微生物由来のPGNが血流に蓄積される。これにより、PGNによって全身のToll経路が活性化され、寿命が短くなる慢性的な状態が生まれる(Troha et al., 2019)。まとめると、主要な免疫経路の構成的な活性化と欠乏の両方が、宿主の早死ににつながる宿主-共存のホメオスタシスを崩壊させます(表1)。
表1
TABLE 1. ショウジョウバエの寿命に対する微生物叢の影響
考察
近年、微生物がミバエの寿命に影響を与える分子メカニズムの解明が大きく進展している。加齢に伴う宿主と微生物叢の相互作用に関する知見が進んだ一方で、多くの本質的な疑問が残されている。例えば、ほとんどの研究は、加齢に伴う細菌群集の変化と、特定の細菌がショウジョウバエの寿命に与える影響に焦点を当てています。しかし、真菌やウイルスなど、他の微生物叢の住人が加齢過程で果たす役割についてはまだ研究されておらず、今後の研究課題として注目されています。同様に、ウォルバキアやスピロプラズマのようなミバエの内部共生生物は、寿命に劇的な影響を与えます(Maistrenkoら、2016;Marraら、2021b)。しかし、その結果は一貫性がなく、メカニズム的な説明にも欠ける。ウォルバキアは長寿調節経路を妨害することが知られているが(Ikeya et al., 2009; Maistrenko et al., 2016)、まだ発見されていないメカニズムで腸内マイクロバイオームも改変する(Simhadri et al., 2017)。このようなマイクロバイオームのリモデリングが、ショウジョウバエの寿命に対するウォルバキアの効果に寄与しているかどうかは、さらなる調査が必要です。
さらなる洞察を必要とするもう一つの重要な側面は、長寿の性差に対する微生物叢の寄与である。ショウジョウバエのオスはメスよりも短命であり、加齢に伴う腸の病態や遺伝子発現に性差があることが知られているが(Austad and Fischer, 2016; Hudry et al., 2016; Regan et al., 2016; Belmonte et al., 2020)、これらの差に対するマイクロバイオームの貢献はほとんど分かっていない。男性と女性ではマイクロバイオータの組成が異なるが(Han G. et al., 2017; Leech et al., 2021)、マイクロバイオームの組成や存在量における性的二型性、または加齢に関連する微生物異種叢が、観察された病理や寿命の違いに寄与しているかどうかは研究されなければならない。検証が必要な別の可能性として、宿主が同じ常在菌の微生物に対して性差のある反応を示す可能性がある。したがって、同じ常在菌でも男性と女性で異なる表現型が引き起こされる可能性がある。この複雑な疑問を解決するために、今後の研究では、老化プロセスに対するマイクロバイオームの影響を調査するための変数として、性別を含める必要があります。
食事の構成が、老化を含む宿主のさまざまな生理的プロセスに影響を与えるという証拠はたくさんあります(Tatar et al., 2014; Stefana et al., 2017)。栄養環境もマイクロバイオーム組成を規定することを考慮すると、宿主に対する食事の影響は、変化したマイクロバイオームを介して間接的に媒介される可能性もある(Harris et al., 2019; Ghosh et al., 2020; Sanchez-Morate et al.、2020)。数多くの研究が、タンパク質、脂質、炭水化物などの大栄養素とその比率が、ミバエの生理と常在菌集団にどのように影響するかを調査した(Woodcockら、2015;Galenzaら、2016;Jang and Lee, 2018;Evangelakouら、2019;Keebaughら, 2019).しかし、昆虫生理学(Dow, 2017; Missirlis, 2021)および病原性および共生微生物との相互作用(Iatsenko et al., 2020; Hrdina and Iatsenko, 2022)において極めて重要にもかかわらず、微量栄養素および特に食物遷移金属の役割は依然として過小評価されています。このことから、微量金属がハエの老化に直接、あるいはマイクロバイオームの組成や機能を変化させることで間接的にどのような影響を与えるかを調べる必要性が出てきた。実際、哺乳類における研究では、微量金属がマイクロバイオームを変調させ、その結果、宿主と微生物の相互作用や動物の健康が変化するという考え方が支持されています(Lopez and Skaar, 2018)。これがショウジョウバエのマイクロバイオームと老化にも当てはまるかどうかは、まだ調査中である。
著者による寄稿
記載されたすべての著者は、この作品に実質的、直接的、かつ知的な貢献をし、その出版を承認した。
資金提供
この研究は、マックス・プランク協会とドイツ連邦共和国(DFG)の助成金IA 81/2-1〜IIの支援を受けた。
利益相反について
著者らは、本研究が、潜在的な利益相反と解釈されうる商業的または金銭的関係がない状態で行われたことを宣言する。
出版社ノート
本記事で表明されたすべての主張は、あくまでも著者のものであり、必ずしも所属団体、出版社、編集者、査読者のものを代表するものではありません。この記事で評価される可能性のある製品、またはその製造元が主張する可能性のある主張は、出版社によって保証または承認されるものではありません。
謝辞
本原稿の寄稿を依頼したStanislava Chtarbanova、図の作成を依頼したDiane Schad、原稿を批判的に読んでくれたAlexandra Hrdinaに謝意を表します。また、紙面の都合で直接引用できなかった同僚にお詫びを申し上げる。
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キーワード:ショウジョウバエ、老化、微生物叢、寿命、ディスバイオシス、異形成、腸管免疫
引用元 Arias-Rojas A and Iatsenko I (2022) The Role of Microbiota in Drosophila melanogaster Aging. Front. Aging 3:909509. doi: 10.3389/fragi.2022.909509.
受理された: 31 March 2022; Accepted: 22 April 2022;
発行:2022年5月19日
編集者
スタニスラヴァ・チャタルバノヴァ(アラバマ大学、米国
レビューした人
ルピンダー・カウル(ヴァンダービルト大学、米国
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