新東京大学大学院領域創成科学研究科
免疫細胞を誘導するセグメント細菌の全ゲノム構造を解明
‐腸内細菌の免疫誘導メカニズムの解明に期待‐

2011 年9 月15 日
東京大学大学院新領域創成科学研究科

発表タイトル

免疫細胞を誘導するセグメント細菌の全ゲノム構造を解明
‐腸内細菌の免疫誘導メカニズムの解明に期待‐

発表概要

 東京大学大学院新領域創成科学研究科(上田卓也研究科長)附属オーミクス情報センターの服部正平教授を中心とする共同研究グループ#は、免疫細胞であるTh17細胞の誘導活性をもつ腸内細菌の一種であるセグメント細菌SFB(Segmented filamentous bacteria)の全ゲノム構造を解明しました。
 腸上皮に強力に接着するセグメント細菌SFB※1 は、Th17細胞※2の誘導や腸上皮細胞間リンパ球の増加を促進させるなど、宿主の免疫系に作用し、自己免疫疾患※3 や感染 防御に重要な役割を果たしている腸内細菌として近年注目されています。しかし、SFBは試験管内で純粋に培養できない難培養性細菌のため、その正体は長く不明のままでした。今回、研究グループは、無菌マウスとラット※4を用いてマウスとラットのSFB の高純度培養とその全ゲノム(全遺伝子情報)の解読に成功しました。
 本研究から、SFB はこれまでの腸内細菌の中でもっとも小さいゲノムを持つこと、生存に必須であるアミノ酸や核酸生合成の遺伝子の多くを欠損していること、生存に必要な物質を宿主から獲得する遺伝子を多数有すること、芽胞※5 を形成すること、自然免疫※6に関与するべん毛※7 を持つこと、感染症に直結する病原遺伝子を持っていないことなどがわかりました。
 その存在が知られて160 年になるSFB の全貌がここに明らかになったことにより、Th17細胞をはじめとした免疫誘導や、さらには、Th17細胞が深く関わる感染症防御や慢性関節リウマチやクローン病、潰瘍性大腸炎などの自己免疫疾患の発症におけるSFBの作用メカニズムを遺伝子レベルで調べることが可能になり、SFB(腸内細菌)を利用した感染症防御や自己免疫疾患の治療法の開発への応用が期待されます。
 本研究成果は、科学雑誌『Cell Host & Microbe』(9 月15 日号)に掲載されました。
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問い合わせ先

国立大学法人東京大学
大学院新領域創成科学研究科附属オーミクス情報センター
教授 服部 正平(はっとり まさひら)
TEL:04-7136-4070; FAX:04-7136-4084; Email: hattori@k.u-tokyo.ac.jp

共同研究グループ
東京大学大学院新領域創成科学研究科(服部正平、大島健志朗、金錫元)
ヤクルト本社中央研究所(梅崎良則、今岡明美)
理化学研究所 基幹研究所(Tulika Srivastava、Todd D. Taylor 他)
麻布大学獣医学部(森田英利)
理化学研究所 免疫・アレルギー科学総合研究センター/横浜市立大学大学院生命ナノシ
ステム科学研究科(大野博司、福田真嗣)
国立遺伝学研究所(斎藤成也、高橋真保子)

用語解説:

※1 セグメント細菌(SFB)
 SFB のもっとも古い記述は、1849 年のJ. Leidy による昆虫などの節足動物の腸管に存在する細菌の報告(Proc. Acad. Nat. Sci. Philadelphia 4, 225-233)にまでさかのぼることができます。その特徴は、名前の由来にもなった複数の細菌細胞が連結した長い糸状の独特の形態をとることと宿主の腸の上皮細胞にきわめて強く接着していることです(図1)。

※2 Th17細胞
 Th17細胞とは、免疫システムにおけるヘルパーT細胞の一種です。特に病原細菌やカビ類に対する感染防御に極めて重要な役割を果たしていることが知られています。一方でその過剰応答が、慢性関節リウマチやクローン病、潰瘍性大腸炎などの自己免疫疾患に深く寄与していて、近年、これら疾患の発症メカニズムの解明と治療の観点からも非常に注目されている細胞です。通常、Th17細胞は腸管だけに存在していますが、2009年に梅崎・本田博士らによって、SFBが腸管のTh17細胞を特異的に誘導することが発見されました(Cell,139:485-98)。

※3 自己免疫疾患
 病原体等の異物を認識し排除するための役割を持つ免疫系が、自分自身の正常な細胞や組織に対してまで過剰に反応した結果起こる疾患の総称です。

※4 無菌マウスとラット
 内部を無菌状態に保つことのできる特殊な飼育装置(アイソレーター)内で飼育した、腸内細菌や皮膚などの常在菌を含め、細菌や微生物をまったく持たないマウスとラットのことをいいます。

※5 芽胞
 細菌が飢餓や温度などの生息環境が悪い状態に置かれたとき、細菌細胞内部に芽胞が形成されます。芽胞は増殖することはできませんが、環境への極めて高い耐久性を持っており、通常の細菌が死滅する状況に陥っても生き残ることが可能です。芽胞はその細菌の増殖に適した環境に置かれると、再び発芽して、通常の増殖・代謝能を有する細菌に戻ることができます。

※6 自然免疫
 微生物などの病原体が生体内に侵入することによって宿主側が発動する宿主防御のひとつをいいます。抗原特異的で免疫記憶を保持する適応免疫に対して、自然免疫は病原体に対して非特異的で免疫記憶を伴わない防御応答です。

※7 べん毛
 べん毛の機能は細菌の運動性(移動能力)と宿主細胞への付着です。腸内に常在する腸内細菌の大部分はべん毛を持っていません。一方で、周囲の環境から侵入してくる病原菌の多くはべん毛を持っており、これらは宿主免疫センサーに認識され、防御機構が始動されます。

添付資料

1 . 背 景
 SFB の近代的な研究は1970 年代に始まり、今日では昆虫や動物の腸に強く接着した特徴的な形態をした細菌として知られています(図1)。このSFB の形態的特徴にくらべて、その生理機能や存在意義は長く不明のままでした。1990 年代になって我が国の梅崎良則博士ら(ヤクルト本社中央研究所)によって、マウスやラットのSFB が腸のIgA 抗体※1の分泌や腸上皮細間リンパ球の増加などの生理機能を有することが明らかになりました。そして、2009年には自己免疫や感染防御において重要な役割を果たすヘルパーT 細胞の一つであるTh17細胞の誘導現象がSFB の存在に依存することが、梅崎博士(上述)と本田賢也博士(東京大学)らが参加した日米の共同研究グループによって突き止められました。そのため、SFB は宿主免疫細胞の分化誘導能を明確に示す腸内細菌としてその働きが近年世界的に注目されていました。しかし、SFB は「顕微鏡で見えるけれども試験管での培養ができない細菌」であるため、肝心なこの細菌の実体は不明のままになっていました。そこで研究グループは、SFB を無菌動物(マウスとラット)の腸内で純粋培養するという方法を用いて、その全ゲノム解読に成功しました。

2.研究手法と成果
1990 年代に梅崎博士らは、SFB だけが腸内にいるマウスとラットの作製に成功していました。研究グループは、このSFB-マウスとSFB-ラットから、高純度のSFB を大量に精製することに成功しました。そして、次世代シークエンサー※2 を用いてSFB の全ゲノム配列を高精度に決定し、バイオインフォマティクスにより全遺伝子を同定しました。その結果、マウスおよびラットSFB は約150 万塩基対のゲノムを持ち、約1,400 個の遺伝子がそれぞれのゲノムにコードされていることがわかりました(図2)。
 約150 万塩基対というSFB のゲノムサイズは、これまでに報告されている腸内細菌の中でもっとも小さく、たとえば、大腸菌ゲノムの3 分の1 程度になります。そのため、遺伝子の数も少なく、生存に必要な遺伝子の多くが欠落していました。このようにゲノムが小さく、生存に必須な遺伝子を多数欠落している現象は、昆虫の共生細菌※3に似ています。欠落した遺伝子の例として、糖類を代謝してアミノ酸を作る遺伝子群が挙げられます。一方で、SFBは自身で作れないアミノ酸を周囲の環境から取込むための遺伝子を多数持っていました。また、宿主のたんぱく質を分解する酵素も保持していました。このことから、SFB は宿主に大きく依存して生存する細菌であることがわかりました。この性質は感染症を引き起こす病原菌の生存戦略に似ています。しかし、SFB は、病原菌が通常持っている感染症に直結する病原遺伝子をまったく持っていませんでした。
 SFB の免疫誘導機能に関わる遺伝子を探索した結果、SFB が常在菌では稀な自然免疫に関与するべん毛遺伝子を持っていることがわかりました。さらに、べん毛を構成するフラジェリンたんぱく質が、自然免疫の宿主センサーであるToll 様受容体5(TLR5)※4 に認識されるアミノ酸モチーフを有することがわかりました。このようなTLR5 モチーフを持つべん毛はいくつかの病原菌に見られますが常在菌では非常に稀な例です。TLR5 による自然免疫の発動は、侵入してくる外来の病原菌を駆逐する宿主側の防衛最前線のしくみであり、最終的に炎症応答を引き起こします。よって、SFB が示すTh17細胞の分化誘導、IgA 抗体の分泌促進や腸上皮細間リンパ球の増加などの一連の免疫誘導活性は、このTLR5 モチーフをもつべん毛が関与している可能性が強く示唆されました(図3)。しかし、SFB をもつマウスもラット、さらには他の動物には炎症がみられず(つまり、健康である)、炎症に至らないSFB の作用メカニズムの解明は今後の研究になります。このほか、SFB には90 個以上の表層たんぱく質が存在することがわかりました。これらの表層たんぱく質がべん毛とともにSFB の免疫誘導機能や腸管上皮細胞への強固な付着に関与することも示唆されました。
 系統進化的にSFB は腸内や土壌などに生息しているクロストリジウムというグラム陽性細菌群に近い関係にあります。クロストリジウムには破傷風菌やボツリヌス菌などの強力な病原菌が含まれています。今回の解析からも、SFB がクロストリジウムにもっとも近い菌種であることを確認しました。クロストリジウムの特徴は芽胞を形成できる点にあります。今回の解析から、SFB も芽胞形成に必要な遺伝子を多数持っていることがわかり、電子顕微鏡観察によって、糸状ではなく球状の単一細胞としてその芽胞を確認できました。このことから、SFB は生息できない環境中では芽胞として生きながらえて、子孫を宿主に伝搬するしくみが示唆されました。
 ヒトSFB については、その存在を示す報告が1990 年代に1つだけあるだけで、ヒトSFBの 存在は現在も不明のままとなっています。今回の研究の中で、ヒトSFB の存在を示唆するデータ(16S リボソームRNA 遺伝子※5)をヒトの皮膚細菌叢の中にみつけました。しかしながら、得られたデータが本当にヒトSFB の存在を示す証拠であるという結論には至っていません。それは、SFB は腸内細菌叢に通常含まれるので、ヒトの皮膚に付着した他の動物のSFB に由来するという可能性が残るからです。
 SFB は宿主特異的に生息します。マウスのSFB はラットの腸では生息できず、その逆も真です。今回のマウスとラットSFB ゲノムの比較から、全遺伝子の90%以上が両SFB 間で共有されることと、それぞれのSFB に特異的な遺伝子を数十個発見しました。これらの特異的な遺伝子の中にSFB の宿主特異性に関与する遺伝子が含まれている可能性が示唆されました。

3 . 今後の展開
 SFB の全ゲノムが解明されたことにより、そのゲノム情報を足がかりにこの菌の試験管での培養に一歩近づくことになります。また、SFB が有する諸機能を遺伝子レベルで調べることも可能になり、Th17細胞の誘導をはじめとした腸内細菌と免疫の研究が大きく進展することが期待されます。
 また、近年蓄積されつつあるメタゲノム解析との対応により、ヒトSFB の存在を検出することも可能になります。もしヒトSFB そのもの、あるいは同じような働きをするSFB 様細菌の存在が明確になれば、ヒトにおいてTh17細胞が関与するとされている感染防御機能の増強や自己免疫に有効に対処できるようになることが期待されます。たとえば、炎症性腸疾患や自己免疫疾患を患っている方に乳酸菌などのプロバイオティクスを投与することによってSFB(様細菌)を抑制して自己免疫疾患を治療したり、逆に、感染リスクが高い場合はSFB(様細菌)を増加させることで感染を抑制したりすることが可能になるかもしれません。したがって、SFB をコントロールすることでTh17細胞数を人為的に増加させて感染症の治療に役立つと考えられますし、逆にその数を人為的に減少させることで、自己免疫疾患の治療になると考えます。
 以上のことは、これまでのヒト遺伝子やたんぱく質をターゲットとした疾患治療のほかに、腸内細菌をターゲットとした副作用を考慮しないですむ創薬や予防法の開発につながります。これは、SFB だけに限らず、今後発見されるであろう疾患に関与するさまざまな細菌種に対しても応用可能になると考えられます。

<添付資料の用語解説>

※1 IgA (免疫グロブリンA)
 IgA は免疫グロブリンの一種であり、消化管や呼吸器における免疫機構の最前線として機能しています。消化管や呼吸器の表面の粘膜はさまざまな外来抗原や微生物にさらされており、これらから粘膜面を防御する免疫防御系の一部を構成しています。IgA はSFB を含めた常在性の腸内細菌の過剰増殖を抑制する働きを持っています。

※2 次世代シークエンサー
 ヒトゲノム計画の完了後の2005 年頃から、それまでのシークエンサー(DNA 塩基配列決定装置)よりも数万倍またはそれ以上の解読能力をもった次世代シークエンサーの開発が、とくに米国企業により進められています。その目標は、たとえば、30 億塩基対のヒトゲノムを1000 ドル(10 万円)で数日以内に決定できるシークエンサーの開発です。これにより、ヒト個人やさまざまな生物種のゲノム解読を高速かつ安価に決定できることになります。

※3 昆虫の共生細菌
 多くの昆虫の体内に生息する共生細菌のゲノムは、一般に100 万塩基対よりも小さくなっています。そのゲノムの特徴は、自立増殖に必要な遺伝子の多くが欠落していますが、宿主に欠乏するアミノ酸などのエネルギー源を供給する遺伝子は保持されています。

※4 Toll (トル)様受容体5(TLR5)
 Toll(トル)様受容体(TLRと略す)は、昆虫や脊椎動物の細胞表面にある受容体タンパク質で、種々の病原体を感知して自然免疫を作動させる機能があります。多くの細菌が共有するべん毛、細菌表層のリポ多糖類、ペプチドグリカン、DNAのCpG配列などの一群の細菌分子のパターンを認識するため、パターン認識受容体とも呼ばれています。

※5 16S リボソームRNA 遺伝子( 16S 遺伝子)
 16S リボソームRNA は、細胞におけるたんぱく質の合成工場であるリボソームを構成する必須のRNA 分子であり、地球上のいかなる細菌(原核生物)もこの遺伝子を持っています。
16S 遺伝子は約1500 塩基対と小さく、PCR で容易に増幅・解析できるので、その塩基配列(の類似度)を指標にした細菌集団の解析や菌種の特定が行われています。

<図>

図1. ラットSFB の走査電子顕微鏡写真
(A) 腸管上皮細胞に刺さったように付着するSFB。(B) 1つのSFB の拡大写真:複数の細菌細胞がつながって糸状となっている。一つの細菌細胞の長さは約1.7μm で、これが70 個以上つながって全長が100 μm 以上にもなったSFB も存在する(A: ヤクルト中央研究所 梅崎好則博士撮影, B: 麻布大学森田英利博士撮影)。

 


図2. SFB のゲノム解析プロセス

 



図3. SFB の上皮細胞への付着を介したTh17細胞の分化誘導
TLR5: Toll(トル)様受容体5(詳細は用語解説※4 を参照)




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