腸内細菌と健康　メカニズム的な洞察
Gut microbiome and health: mechanistic insights

図4

大腸細胞や内分泌細胞は、微生物環境からのシグナルを感知し、伝達することができる様々な受容体を発現している。微生物/病原体関連分子パターン（PAMPs）、微生物叢からのリポ多糖（LPS）は、toll-like receptor（TLRs）を含むパターン認識受容体によって検出される。Amuc_1100は、Akkermansia muciniphilaの外膜に発現するタンパク質で、TLR2を介してシグナルを送り、腸管バリア機能を改善し、炎症を抑えることが示されている。ある種の微生物が分泌する代謝物（例：エンドカンナビノイド（eCB）、微生物による食事成分の消化（例：短鎖脂肪酸（SCFA）、あるいは宿主由来の因子の変換（例：eCBsおよび胆汁酸）により発生した代謝物は、様々な受容体や経路を通じて感知され、腸の完全性と宿主の健康状態を変化させることができる。CB1、CB2、カンナビノイド受容体タイプ1およびタイプ2;TRPV1、過渡受容体電位カチオンチャネル・サブファミリーVメンバー1;FXR、ファルネソイドX受容体;AhR、アリールハイドロカーボン受容体。GPR119、GPR43、GPR41、Gタンパク質共役型受容体119,43,41;MYD88、骨髄分化一次応答88;PPARα／γ、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体αおよびγ;TGR5、武田薬品Gタンパク質共役型受容体5。

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よく知られた役割や作用機序に加え、いくつかのSCFAはこれまで考えられてきたのとは異なる機能を発揮しているのかもしれない。例えば、酪酸は大腸細胞の増殖と腸管バリアの維持に不可欠なエネルギー源として何度も説明されてきた。しかし、最近の研究から、酪酸は大腸の細胞とコミュニケーションをとることで、微生物の環境にも強い影響を及ぼしていることが分かってきた。実際、腸管内腔部には酸素が豊富に存在し、上皮に向かってその濃度が徐々に低下することは、腸内炎症のリスクを高めることが示されている腸内細菌科（Proteobacteria門）のような通性嫌気性菌とは対照的に、嫌気性菌が上皮の近くに留まるための重要な条件となる（図3）。80 81酪酸は、ミトコンドリアでのβ酸化を活性化することにより、大腸の嫌気性状態の制御に寄与している。酪酸は、大腸細胞の核内受容体ペルオキシソーム増殖剤活性化受容体γ（PPARγ）を活性化することにより、大腸細胞から管腔部への酸素の拡散を制限し、嫌気状態を維持する。また、PPARγの活性化は、誘導性一酸化窒素合成酵素をコードする遺伝子の発現を抑制し、それによって、病原性のある通性嫌気性菌（Enterobacteriaceae）の増殖に用いられる特定のエネルギー源であるNO産生、ひいてはルーミナル硝酸レベルを減少させる（図3）。

同様の観察は、IBD、癌、肥満、糖尿病などの重度の腸内炎症を持つヒトにおいても行われており52 82-84、そこでは腸内細菌科細菌の増加量が検出されている。

驚くべきことに、これらの疾患はすべて、SCFA（主にプロピオン酸と酪酸）を産生する細菌の減少とも関連していることが、多くの論文で指摘されている。85これは例えば、F. prausnitzii、A. muciniphila、そして最近ではDysosmobacter welbionisなどのケースである。また、Anaerostipes属やAnaerobutyricum属は、酢酸の存在下で、アセチルCoA経路を使って乳酸から酪酸を生成することが知られている(87)。87これらは小腸だけでなく、様々な細菌が乳酸を産生する大腸でも栄養連鎖を形成することができる。腸内環境に望ましくない酸である乳酸が蓄積されると、消化管障害が引き起こされる。このことは、メタボリックシンドロームの被験者に対する酪酸菌A. soehngeniiの介入によるいくつかの利点を説明できる可能性がある。32 88

プロピオン酸や酪酸の他に、コハク酸の影響も研究されている。コハク酸はクレブスサイクルの中間体として最もよく知られており、ミトコンドリアの酸化的リン酸化の基質と考えられているが、細菌からの代謝産物でもある。この中でコハク酸は、主にプロピオン酸合成の重要な中間体であると考えられていたため、古典的には無視されてきた。現在、コハク酸とインスリン抵抗性、肥満、炎症との間には、有益な関連性と反対の関連性の両方が報告されているため、コハク酸の役割は、主に議論の余地が残っている89。90-93

リポポリサッカライド／病原体関連分子パターン

腸管バリアは、環境を監視し、微生物の侵入や有害な刺激から宿主を守る、複雑でダイナミックな物理的・化学的構造の集合体である。環境からやってくるこれらの有害な成分の中には、いわゆる病原体関連分子パターン（PAMPs）があり、その中でも細菌のLPSは原型となるクラスである。94

LPSはグラム陰性菌の細胞膜に存在する内毒素で、炎症反応の強力な活性化因子であり、少量のLPSが循環器内に放出されただけでも炎症反応を引き起こすのに十分である。

LPSをはじめとするPAMPsは、微生物や感染因子を感知し、防御反応を示す特定のパターン認識受容体（PRR）を活性化することによってその活性を発揮する。PRRには4つの主要なサブファミリーがある：Toll-like receptor(TLR)、nucleotide-binding oligomerisation domain-leucine-rich repeats(LRR)–containing receptors、retinoic acid-inducible gene 1(RIG-1)-like receptors(aka RIG-1-like helicases) and the C-type lectin receptorsである。95その中でも、ヒトでは10メンバー（マウスでは13メンバー）からなる受容体ファミリーであるTLRは、最もよく特徴付けられている。TLRの各々は、病原体に由来する異なる微生物成分に対する反応を媒介する。典型的な例としては、細菌のリポタンパク質を感知するTLR2と、細菌のLPSを認識するTLR4がある。97TLRは、外部刺激（PAMPs）98と組織損傷に由来する内部シグナル（損傷関連分子パターン：DAMPs）の両方を幅広くカバーしている（図3および4）。これらのリガンドは、核酸から脂質、低分子化合物から高分子まで、様々な形態と大きさで存在している。TLRは、マクロファージ、好中球、樹状細胞、ナチュラルキラー細胞、マスト細胞、好塩基球、好酸球などの免疫細胞、さらには腸管上皮細胞などの体細胞にも広く分布している99。これらの細胞の活性化は、抗原提示細胞の活性化を誘導し、それによって自然免疫反応と適応免疫反応の橋渡しをし、微生物の侵入をかわしたり、損傷した組織を修復しようとして、シグナル伝達カスケードを刺激するのだ。この炎症反応は感染を排除するために必要であるが、TLRの過剰な活性化は免疫恒常性の崩壊につながり、炎症性サイトカインやケモカインの持続的な産生は、炎症性疾患や自己免疫疾患のリスクを増大させる可能性がある。これは、高脂肪食と体重増加が、腸管伝染性の上昇とそれに続く循環血漿LPSの全身的（軽度）上昇と関連している、代謝性内毒素血症におけるケースである。これは、2型糖尿病、NAFLD、慢性腎臓病、アテローム性動脈硬化症などの様々な慢性疾患の病理学的特徴である低悪性度炎症の状態を引き起こすものである。38 39 101 102興味深いことに、異なる種類の細菌からのLPSは、腸管バリア機能、脂肪の炎症、腸のグルコース吸収、血糖値、インスリン、インクレチンに異なる影響を与え、代謝性内毒素血症レベルの宿主代謝への正味の影響は、腸内細菌叢組成に依存して変化し得ることを示している。103

PRRの発現の乱れは、炎症に有利な微生物叢の組成の変化と関連している。例えば、細菌のフラジェリンによって活性化されるTLR5を欠損したマウスは、大腸炎やメタボリックシンドロームを発症し、微生物叢の変化と関連する。104 105

TLRによる下流シグナル伝達経路の活性化は、骨髄分化因子88タンパク質（MyD88）に依存していることが示されている（図4）。MyD88は、TLR3106を除くすべてのTLRに必須のアダプタータンパク質であり、腸のMyD88の欠失は、食事誘発性肥満、糖尿病および炎症から部分的に保護し、食事誘発性肥満時に抗炎症性のエンドカンナビノイド（eCBs）の増加、抗菌ペプチド産生の回復および腸制御性T細胞の増加をもたらす。107

PAMS/DAMPS、PRR、マイクロバイオーム、病態がどのように相互作用しているかを完全に理解するには、まだ多くの疑問が残っているが、この複雑な相互作用に関する理解が深まるにつれ、炎症依存性疾患に対する新しい治療の可能性が開かれつつある。

生理活性脂質

エンドカンナビノイド系

この20年間、eCBシステムは、その幅広い生理作用のために、広く研究されてきた。eCBシグナルシステムは、エネルギー、グルコース、脂質代謝、免疫、炎症、そして最近では微生物と宿主の相互作用に重要な役割を果たしていると考えられている。108109

歴史的には、1988年に最初の内因性カンナビノイド受容体タイプ1（CB1）がカンナビス・サティバの精神活性化合物であるΔ9-テトラヒドロカンナビノールによって活性化することが確認され110、続いて1993年に第2の受容体、カンナビノイド受容体タイプ2（CB2）が発見された。111両受容体はGPRであり、共通のシグナル伝達機構を有している。112最初に同定された内因性アゴニストは、アナンダミド（N-アラキドノイルエタノールアミド（AEA）であった。AEAは、N-アシルエタノールアミン（NAE）ファミリーに属する大きな生理活性脂質群の主要メンバーの1つである。113同定された2番目の主要なリガンドは、2-アラキドノイルグリセロール（2-AG）であった。114これら2つの主要な化合物の発見以来、eCBファミリーは拡大し、もはやCB1およびCB2受容体に特異的な活性を持つeCBだけに限定されなくなった。例えば、いくつかのeCBは、PPARαやPPARγ、またGPR55やtransient receptor potential vanilloid type-1（TRPV1）のような他の膜受容体と相互作用する（図4）。いわゆる「真の」eCB、すなわちCB1およびCB2に結合できるeCBの他に、原型となるeCBに構造的に類似した多数の化合物が、CB1またはCB2のeCB受容体を直接活性化せずにeCB反応を妨害することが示されてきた。これらの分子はすべてeCB様化合物または同族体と呼ばれ、他のNAEまたはアシルグリセロールファミリーのメンバーを含む生理活性脂質である。115 116しかし、eCB様化合物はそれ自体で薬理活性を発揮することもある。例えば、N-オレオイルエタノールアミン（OEA）やN-パルミトイルエタノールアミン（PEA）はPPARαやTRPV1を活性化し、OEA、N-リノレイルエタノールアミン（LEA）、2-オレオイルグリセロール（2-OG）はGPR119を活性化することが可能である。最近、1-パルミトイルグリセロール（1-PG）と2-パルミトイルグリセロール（2-PG）の両方がPPARαアゴニストであることが明らかにされた（図4）。118

2010年、腸管バリア機能の調節に関わる代謝系のうち、eCB系が大きな役割を担っていることが明らかにされた。108肥満や糖尿病になると腸のeCB系が変化し、CB1依存性の機序で腸の伝染性を誘発するAEAが増加することがわかったのが始まりである。108興味深いことに、このeCBシステムの調子の変化は、腸内細菌叢の変化と関連していた。さらに、強力なeCBアゴニストによるeCBシステムの薬理学的活性化は、脂肪生成を増加させ、腸のバリアを崩壊させた。119一連の独立した研究において、遺伝的肥満マウスと糖尿病マウス（ob/obとdb/db）の両方で、腸内細菌叢の組成が大きく変化し、それが全身の組織代謝とeCB系の緊張に関連していることから、腸内細菌叢、脂肪組織代謝およびeCB系の間の関連性が確認されている。120 121これらのデータを総合すると、eCB系に属する特定の生理活性脂質と腸内細菌叢、脂肪組織の発達および腸の機能との間に関連性があることが強く支持される。

さらにそのメカニズムを解明し、これらのNAEの合成が代謝異常の発症や腸内細菌叢の変化に関与しているかどうかを実証するために、脂肪細胞、腸管上皮細胞、肝細胞のいずれかで重要な合成酵素であるN-アシルホスファチジルエタノールアミン加水分解特異的ホスホリパーゼD（NAPE-PLD）を不活性化したいくつかのモデルマウスが作成されている。122-125

脂肪細胞のNAPE-PLDを欠失したマウスは、通常のカロリー食で肥満、インスリン抵抗性および炎症を自然発症し、高脂肪食誘発性代謝障害に対してより感受性が高いことがわかった。122NAPE-PLDの脂肪細胞特異的欠失は、脂肪組織における発熱プログラム（すなわち、褐変／帯電）を減少させ、腸内細菌叢の組成に大きな変化をもたらした。さらに、脂肪組織NAPE-PLD欠損マウスから無菌レシピエントマウスに微生物叢を移植すると、全体の表現型が再現された。122腸内細菌叢の因果関係が示唆された。腸管上皮細胞のNAPE-PLDを欠失させた場合、異なる表現型が生じた。マウスは高脂肪食に初めてさらされると過食になり、その後、食事誘発性肥満と肝脂肪症を悪化させた。この現象は、腸-脳軸の異常によるもので、視床下部のPomcニューロンにも変化が見られ、腸内と血漿中のeCBsの変化で説明できそうである。驚くべきことに、このモデルでは腸内細菌叢も影響を受けており、細菌叢を調節することで表現型が部分的に元に戻る可能性がある。123最後のモデルとして、肝細胞のNAPE-PLDを欠失させたマウスは、通常の食事で高脂肪食様の表現型（すなわち、脂肪量増加、肝脂肪症、肝炎症）を呈した。これらの効果は、BAsのような腸内細菌叢の影響を受けることが知られている他の主要な生理活性脂質の変化と関連していた。124これらのデータや動物モデルを総合すると、eCBシステムは、NAPE-PLDを介して、生理活性脂質の産生を介して腸内細菌叢と対話し、この酵素の調節異常が代謝性合併症につながることが示唆された。

腸内細菌叢とeCBシステムの制御との関連性をさらに探るため、無菌マウスのエンドカンナビノイドホーム（eCBome）を異なる時点の従来型マウスのものと比較検討した。eCBomeは、50以上の受容体と代謝酵素、20以上の脂質メディエーターからなるeCBシステムの延長線上にあり、重要な機能を有している。126腸のeCBome遺伝子発現と脂質メディエーターレベルに年齢依存的な変化が見られた。対照マウスのドナーの糞便を年齢を合わせた無菌マウスに移植すると、驚くべきことに、これらの変化のいくつかが、すでに1週間後には逆転していた。126これらの一連の研究は、腸内細菌叢が宿主のeCBomeに直接影響を及ぼしていることを実証している。

結論として、すべての証拠が、宿主のeCBシステムと腸内細菌叢の間の双方向のクロストークを指し示している。しかし、この関係には多くの謎が残っており、それを解明するためにはさらなる研究が必要である。さらに、最近、腸内細菌叢が特定のeCBを産生することが明らかになった。このことは、微生物と宿主の相互作用を探る新たな機会を開くとともに、いくつかの新しい治療標的候補を提供する。

胆汁酸

ヒトのコール酸（CA）やチェノデオキシコール酸（CDCA）（ネズミのムリコール酸（MCA）などの一次BAsは、肝臓でコレステロールから合成される両親媒性分子である。128CDCAは、胆汁中に分泌され胆嚢に貯蔵される前に、グリシンまたはタウリンに抱合される可能性がある。食物が摂取されると、BAsは小腸に放出され、食餌性脂肪の消化吸収を補助する。腸内のBAsの約95%は回腸で再吸収され、肝臓に戻され再分泌される。この腸肝循環は1日に数回行われ、高血糖、脂質異常、肥満を防ぐために全身のグルコース、脂質、エネルギーの恒常性を維持し、消化器系および循環器系の炎症性代謝疾患から保護するための重要な生理的メカニズムである。129この非常に効率的なループを抜け出し、大腸に到達するのはごく一部のBAsに過ぎない。これらのBAsはその後、受動的に循環に再吸収されるか、または糞便を介して排泄される。BAsの損失は、de novo肝合成によって補われる。この合成は、ヒトでは小腸でシグナル伝達する線維芽細胞成長因子19（FGF19）によって制御される（げっ歯類ではFGF15）。

BAsの主な機能は、コレステロール、トリグリセリドおよび脂溶性ビタミンの消化・吸収を調節することであるが、近年、BAsがシグナル伝達分子として機能することから、内分泌機能も果たすことが認識されるようになってきている。さらに、BAsはいくつかの受容体を活性化することにより、上皮細胞の増殖、遺伝子発現、脂質、グルコースおよびエネルギー代謝を調節することが明らかにされている。これらの受容体は、ビタミンD受容体130、プレグナンX受容体131、構成的アンドロスタン受容体132、ファルネソイドX受容体およびGタンパク質共役型胆汁酸受容体1（武田Gタンパク質共役型受容体5（TGR5）とも呼ばれる）（図4）である。これらの受容体は、肝臓、腸、筋肉、褐色脂肪組織、中枢・末梢神経系など多数の組織に存在し、シグナル伝達カスケードを仲介して、BA、脂質、糖質の代謝やエネルギー消費、炎症に関わる遺伝子の発現を活性化する。FXRおよびTGR5受容体を介したシグナル伝達は、エネルギーおよび代謝の恒常性の維持に不可欠であることが知られているPYYおよびGLP-1などのGIホルモンの分泌にも関連している（図3および図4）。グルコース、脂質およびエネルギー代謝の制御におけるBAsの役割については、以前にレビューされているので128133 134、ここでは詳細なレビューは省略させてもらう。

一次BAsは、腸管内のあらゆる場所で腸内細菌によって修飾されやすい。この修飾には、胆汁酸塩ヒドロラーゼ（BSH）活性による脱共役（アミノ酸残基の除去）、水酸基の除去（デヒドロキシル化）、酸化（脱水素化）、エピメリゼーションによる更なる代謝が含まれる。135 136この結果、デオキシコール酸、リトコール酸、ウルソデオキシコール酸（ネズミでは一次BAだが、ヒトでは二次BA）などの二次BAが形成されることになる。このようなバクテリアによる代謝は、BAのバイオアベイラビリティと生物活性を変化させ、その結果、BAが関与する代謝反応に影響を与える。137BAsは、そのシグナル伝達能力および腸内細菌叢によって化学的に変換されることから、微生物叢由来のシグナル伝達代謝物とみなすことができる。興味深いことに、BSHは食物摂取後に放出され、腸管に沿って異なる微生物群集に出会うという時空間的パターンが認識される。BSH活性は、小腸に生息する種を含む、系統学的に異なる多くの細菌部門に分布する多種多様な細菌によって実行され得る一方で138、他の反応は、腸の遠位に存在する、より特殊な細菌種に限定されると考えられている。したがって、腸内細菌叢が宿主の代謝に果たす役割を十分に理解するためには、BAsを変換する能力を持つさまざまな細菌の関与を研究することが不可欠である。最近の百寿者を対象とした研究では、百寿者特有の腸内細菌叢の特徴が、加齢に伴う病気や慢性炎症、感染症に対する感受性の低下を、独自の二次的なBAを生成することによって部分的に説明できる可能性が示唆された。このことは、腸内細菌叢の組成を調節することによってBAプールを操作することが、病気と闘うための実行可能な方法であることを示唆している。139

アリール炭化水素受容体：エネルギー代謝、炎症、腸内細菌叢との関連性

アリール炭化水素受容体（AhR）は、脊椎動物の細胞内に遍在しており、リガンド結合後にこの転写因子が活性化される。AhRのリガンドは、環境中のトリガー、栄養由来のシグナル、様々な植物化学物質、トリプトファンなどの細菌の代謝物など、数多く存在している（図2）。AhRがリガンドと結合すると、AhRは核内に移動し、二量体化分子であるAhR nuclear translocatorと結合して、免疫や炎症過程に関わる多くの遺伝子の転写を引き起こす（図3）。細菌の産物や代謝物が活性化因子として重要な役割を果たすことから、過去数年にわたり、AhRと腸内細菌叢の相互作用を解明しようとする報告がなされている（図3,4）。重要なことは、このAhR経路がエネルギー代謝やメタボリックシンドロームにも関連していることである。なぜなら、前臨床および臨床環境において、トリプトファンをAhR結合性誘導体に代謝する能力がメタボリックシンドロームにおいて低下していることが確認されているからである141。141乳酸菌の投与によりAhRリガンドが増加し、腸管バリアの改善や肝脂肪症の軽減と並行して代謝機能が改善されることが示された。天然由来のAhRリガンドであるインディゴは、強力な抗炎症作用を持ち、乳酸菌と重要なバリアサイトカインのインターロイキン（IL）-10およびIL-22をアップレギュレートすることにより、高脂肪食誘発性肥満および代謝障害から保護する。142インドール-3-エタノール、インドール-3-ピルビン酸、インドール-3-アルデヒドなどの微生物トリプトファン代謝物は、ミオシンIIAやエズリンなどのアピカルジャンクション複合体の完全性に影響を与えることによって腸管上皮バリアを保護する。腸内細菌叢が大きく損なわれている疾患である実験的アルコール性肝疾患において144、AhRリガンドの誘導と6-ホルミルインドロ（3，2-b）カルバゾール（Ficz）の投与がアルコール性肝疾患を改善することがわかった。145Caspase recruitment domain family member 9-/-マウスは大腸炎にかかりやすく、その微生物群はトリプトファンをそれぞれの代謝産物に代謝することができない。146この微生物叢を野生型マウスに移植すると大腸炎が増加するが、AhRリガンドを多く含む乳酸菌で処理すると改善される。AhR経路は、セリアック病のような他の炎症性GI疾患にも大きな影響を与える可能性がある。さらに、DQ8を発現する非肥満性糖尿病マウス（ヒトMHCクラスII DQ8のみを持つトランスジェニックマウス）では、高トリプトファン食、大量のAhRリガンドを産生するリモシラクトバチルス・ロイテリ菌による処理、またはAhRリガンドFiczによる処理によってグルテン暴露後の腸の病理が減少する。147無菌マウスは、表皮バリアの分化と修復に障害があり、特にケラチノサイトのAhRを欠くマウスは、皮膚感染症やバリア障害に非常にかかりやすく、特定の細菌群によるコロニー形成でバリアが回復した。このモデルにおいて、腸内細菌が腸-皮膚軸とされる部分でどのような役割を果たすかは、まだ確定されていない。148したがって、AhR経路は、微生物-上皮バリア-代謝および免疫機能の界面における原型的な経路を反映している。

主要な細菌とその特異的な分子

シグナル伝達代謝物の多くは、多数の異なる腸内細菌によって産生されるため、その特異性は限定的である。しかし、様々な細菌が、宿主とユニークな相互作用をする特異的な分子を作ることができる（図2-4）。そのため、特定の毒素を作ったり、多糖類を合成して免疫系を回避したり、宿主に受容体を合成させ、侵入を可能にするような病原体が、非常によく知られている。しかし、最近の研究では、共生する可能性のある腸内細菌に見られる、新しくユニークな宿主シグナル伝達分子が同定された。例えば、バクテロイデス属が産生する免疫調節多糖類やスフィンゴ脂質149150、エンテロコッカス属が形成するムロペプタイド151などが挙げられる。

形成されるユニークな分子の特別なクラスは、同じ種の1つまたはいくつかの株によって遺伝的にコード化されるタンパク質である。いくつかは詳細に研究されており、多くの場合、分泌される際に宿主の受容体と相互作用する可能性のある安定した、あるいは翻訳後修飾されたタンパク質、あるいは細胞外皮に位置するタンパク質が含まれている。これらの中には、プロバイオティクスとしてすでに広く販売されている細菌に由来するものもある。L. acidophilusNCFMは、DC-SIGN受容体にシグナルを送る大型でおそらくグリコシル化した表面層タンパク質を生成し、152L.rhamnosus GGの90 kDaピルスタンパク質SpaCは、プロバイオティクスとして販売されているものである。rhamnosusGGの90kDaのSpaCは、樹状細胞上のDC-SIGN受容体に特異なシグナル伝達能力を持つ部分的にグリコシル化された粘液結合タンパク質であり152153、いくつかのBifidobacterium属に見られる毛巣位置Tadタンパク質は大腸持続性と上皮増殖を促進させる。154 155最近研究されているタンパク質は、大腸菌のカゼイン溶解性プロテアーゼB（ClpB）で、α-メラノサイト刺激ホルモンの抗原模倣体であり、血漿GLP-1とPYY産生の増加を通じて満腹感を増大させる。156ClpBタンパク質は、乳酸菌やビフィズス菌など様々な細菌から部分的に分泌されることが分かっている有名な月見草タンパク質である。しかし、ClpBを産生するHafnia alveiもヒト試験で満腹感をある程度抑制することが判明しており、ClpBの特異性はそれほど高くないのかもしれない。157

A. muciniphilaの生きたまま低温殺菌したものを投与した場合の有効性が、ヒトの臨床試験で証明されていることを考えると、43 118 158A. muciniphilaからシグナル伝達能を持つタンパク質が最近いくつか同定されていることは驚くには当たらない。最近の例では、P9と呼ばれる84 kDaのタンパク質（Amuc_1831遺伝子にコードされている）が、マウスに経口投与したところ、血清GLP-1を誘導することが判明した。In vitroの研究では、P9が細胞間接着分子2受容体と相互作用することが示された。159 160最近発見されたもう一つのタンパク質は、A. muciniphila50 kDa Amuc_1434*タンパク質で、腫瘍壊死因子関連アポトーシス誘導リガンド（TRAIL）を介したアポトーシス経路で、LS174T細胞の生存率を抑制することが見出された161。しかし、これらのタンパク質はいずれもA. muciniphila以外の多くの細菌に存在し、酵素活性を示唆するプロテアーゼとして注釈されており、いずれも細胞外に局在していないことから、その活性に細胞溶解が必要である可能性も否定できない。さらに重要なことは、その安定性である。これは、低温殺菌したA. muciniphila細胞が、ヒトおよびマウスモデルにおいて、生細胞と同等かそれ以上の効果を示したことから、注目されるところである。43 162 163これらの議論はすべて、TLR2にシグナルを送ることが発見されたもうひとつのA.muciniphilaタンパク質には当てはまらない（図4）。163これは、30 kDaのAmuc_1100タンパク質で、Verrucomicrobia以外の他の細菌とほとんど相同性がない外膜タンパク質として定義されており、実際、毛糸関連タンパク質であることが示唆されている。164さらに、Amuc_1100は耐熱性があり、マウスモデルで食事誘発性肥満を防ぐことが示された。1633つのタンパク質の絶対量を比較すると、ムチンによって成長したA. muciniphilaのプロテオームでは、Amuc_1100が他の2つのシグナル候補よりもはるかに多く存在することが明らかであった。165したがって、今後の比較研究によって、ヒトで観察されたA. muciniphilaの活性を説明できるのはどのタンパク質か、またはその組み合わせかを明らかにする必要がある。

新たに発見された分子、健康への影響とそのターゲット

SCFAs、BAs、PAMPs、腸管ペプチド（GLP-1、PYY）など、宿主代謝、腸管バリア、炎症の調節因子として知られている分子以外に、「エンテロシン」という新しい分子群の役割が浮かび上がってきている。エンテロシンという概念は最近導入され、「腸神経系（ENS）を標的として十二指腸の収縮を調節する能力を持つ、腸に由来する分子」と定義されている。エンテロシンは、化学的に多様であり、ホルモン、生理活性ペプチド/脂質、栄養素、微生物叢および免疫因子に関連することがある」。166

この概念は、2型糖尿病患者がグルコースの吸収を促進し、高血糖を引き起こす十二指腸の運動機能亢進を特徴とする、という観察に基づいている。166 167十二指腸の収縮は視床下部によって感知され167-170、糖尿病の間は十二指腸運動亢進が脳への異常な求心性神経メッセージを作り出すことが証明されている。169 171逆に、ENSニューロンへの作用により十二指腸の自然な収縮を回復させると、腸脳軸が回復し、インスリン感受性が改善される。166

腸内細菌、脳機能、糖代謝の関連は、この分野の研究においてホットトピックとなっており、ENSの役割は、糖尿病などの疾患に取り組むための新しいターゲットとして浮上した。メタボリックシンドロームの緩和を目的として、プロバイオティクス、プレバイオティクス、糞便移植など、腸内細菌叢を調節する戦略について様々な論文が発表されているが、エンテロシンなどの腸内細菌の特徴について述べているものはほとんどない（ないとは言い切れない）。

糖代謝に関与する新規の腸管分子や受容体を求めて、腸内細菌叢を変化させ糖尿病を改善することが知られている特定の繊維の作用について検討した。オリゴフルクトースの投与により、腸管神経細胞の活動を制御して十二指腸収縮頻度を低下させた。その結果、高血糖が抑制され、糖尿病マウスの脂肪組織における炎症マーカーが減少した。170リピドミクス解析により、このオリゴフルクトース摂取が、大腸細胞内の腸管生理活性脂質（12-ヒドロキシエイコサテトラエン酸（12-HETE）の存在量を選択的に増加させることが明らかになった。驚くべきことに、糖尿病マウスに12-HETEを投与すると、糖代謝が改善された。12-HETEの効果は、生体外でも確認された。さらに、この生理活性脂質が十二指腸の収縮力に作用する分子メカニズムは、ミューオピオイド受容体（MOR）（エンケファリンによって活性化される）およびPPARγの存在に依存していることを発見した。前臨床試験で得られた知見は、糖尿病患者の十二指腸において、健常者と比較して12-HETEレベルが低下し、プロエンケファリンおよびMORの発現が減少していることを示すヒトのデータによって裏付けられた。170

IBDに対するサプリメントを用いた様々なアプローチにより、抗炎症作用を有する新たな生理活性脂質が同定された。172大腸炎治療のプロバイオティクスとして販売されている、よく研究されている大腸菌Nissle1917株（EcN）の質量分析を利用し、3-hydroxyoctadecaenoic acid（C18-3OH）濃度が上昇していることを発見した。C18-3OHを経口投与すると、大腸炎が減少することを発見したのである。腸内細菌叢に存在する他の細菌がC18-3OHを産生するかどうかを調べるため、オリゴフルクトースを用いて腸内細菌叢を調節したところ、C18-3OHの産生が確認された。著者らは、オリゴフルクトースの抗炎症作用が、大腸のC18-3OH濃度の上昇に関連していることを見出した。最後に、この生理活性脂質を産生する特定のバクテリアを同定し、C18-3OHがPPARγを活性化することによって作用することを発見した。172

これら2つの例を総合すると、腸内細菌叢は、代謝や炎症の制御に関わる宿主の受容体（図3）に作用する、推定上の多数の生理活性化合物（図2）の供給源であることがわかる。

健康にとって望ましい代謝物もあれば、有害な代謝物もあるが、その根拠は関連研究や動物実験に由来するものばかりである。最近、悪影響を及ぼす代謝物として、糖化最終生成物（AGE）であるフルクトセリン、トリメチルアミンN-オキシド（TMAO）、イミダゾールプロピオン酸（IMP）の3つが研究対象になっている。

AGEsは、タンパク質やアミノ酸の遊離アミノ基が還元糖と反応し、熱処理によって食品中に生成されるメイラード反応生成物で、生物学的利用能の低い化合物を形成する。AGEsの受容体の活性化による炎症反応の促進、173 174腸管伝染性の上昇（AGEsと大腸上皮の相互作用の増大）、その結果としての細菌毒素の全身循環への流出などが、一連のメカニズム証拠から明らかにされている。175フルクトセリシンはリジンとグルコースから生成されるアマドリ産物で、主要な食餌性AGEsの一つである。以前の研究では、大腸菌はフルクトースエリシンを呼吸する能力を持っていることが示されていた176。176しかし、最近の研究では、Intestinimonas属の細菌が新規の経路で酪酸に変換することが明らかになった。また、フルクトースエリシンを分解する能力は、実験的および計算機的に、母乳栄養児ではなく、粉ミルク栄養児にのみ観察された。これは、熱処理後の粉ミルクにこの化合物が多く含まれていることと関係があるかもしれない。177フルクトースエリシンやその他のAGEsが2型糖尿病やその他の疾患とどのような因果関係があるのか、またその変換に腸内細菌が関与しているのかについては、さらなる研究が必要であると思われる。最近の研究では、もう一つの主要なAGEであるN-ε-カルボキシメチルリジンがCloacibacillus属やOscillibacter属によって完全に利用されることも報告されている178。

TMAOは、野菜、果物、肉、魚介類によく含まれ、細菌の浸透保護剤として知られるベタイン、コリン、L-カルニチンなどの第四級アミンの摂取に関連している。179 180Proteobacteriaを含むいくつかの腸内細菌は、TMAリアーゼとその活性化酵素（CutCD）を介して、これらの第四級アンモニウムイオンをアセトアルデヒドとトリメチルアミン（TMA）に変換することができる。TMAはその後、血流に入り、肝臓のフラビンモノオキシゲナーゼによってTMAOに変換される可能性がある。最近の研究では、血清中のTMAOが動脈硬化および心血管疾患リスクと強く関連していることが示されている。181さらに、TMAOは、マウスモデルにおいて動脈硬化性プラークの形成を促進することが示されている。182さらに、TMAOは一般的な尿毒症の毒素である。183したがって、これらの第四級アンモニウムイオンを、TMAや他のTMAO前駆体につながらない化合物に代謝することを理解することに、大きな関心が持たれている。Eubacterium limosumとその近縁の腸内細菌E. maltosivoransの生化学的および経路解析から、細菌細胞区画を含む新しいプロセスでベタインおよび他の第四級アミンを脱アミノ化し、酢酸および酪酸を生成することが明らかになり、新しい知見が得られている。184-186後者の細菌は非常に近縁で、独自のビタミンB12依存性代謝経路を持つように見えるが、これはIMPの生産につながる可能性があるヒスチジンの代謝には当てはまらない。2型糖尿病患者の血清中では、IMPの濃度が上昇していることが示されている187。187最近、腸内細菌がヒスチジンからIMPを産生し、mammalian target of rapamycin complex 1依存経路を通じてインスリンシグナルと耐糖能に障害を与えることが明らかになった。188Streptococcus mutansとEggerthella lentaという無関係な2つの細菌がIMP産生菌として同定されており、多くの代謝物が、系統的な関係を持たない複数の腸内細菌群によって産生されているという事実が確認されている。これらの例から、望ましくない化合物の生成に腸内細菌が関与していることがわかるが、これらを無毒化し、さらには酪酸のような有益なシグナル伝達能を持つ生成物に変換する新しい嫌気性細菌も確認された（図2および3）。

総論と展望

この20年間で、かなりの進展があった。初期の臨床観察から、より機械的なアプローチへと、腸内細菌叢と健康の分野は、反論の余地のない因果関係へと発展しつつある。しかし、実際には相関関係しか証明されていないのに、因果関係を主張する研究がまだ数多く存在する。相関関係から因果関係への移行は、腸内細菌叢の調節に基づく、あるいは特定の活性化合物の使用による推定介入策をより良く設計するために、重要かつ必要なステップであり続けている。多くの努力とオミックス解析の進歩により、科学界は徐々に個別化医療へと向かいつつあり、マイクロバイオーム時代は明らかに、将来の医療と栄養アプローチにおけるパラダイムシフトの重要な部分となっている。

脚注

ツイッターマティアス_ヴァンホル、@MicrObesity

WMdV、HT、MVH、PDCは等しく貢献した。

訂正のお知らせ本記事はOnline First掲載後に修正されたものである。図3が拡大された。

寄稿者PDCは、原稿の全体的な内容の構想に関する提案書を作成した。PDC、HT、WMdV、MVHは提案書を修正、訂正、承認した。PDC、HT、WMdV、MVHは、内容の収集、主要文献の選択、原稿の執筆、批評を行った。PDCとMVHは図表を作成した。PDC、HT、WMdV、MVHは、いずれも最終版の原稿を修正した。PDC、HT、WMdV、MVHは、この論文に等しく貢献した。

資金提供PDCはFRS-FNRS(Fonds de la Recherche Scientifique)の研究ディレクターであり、FNRSからの助成金を受けている（Projet de Recherche PDR-convention.FNRS-T003021、CDR-convention.CDR-convention.FNRS-T003021）。FNRS T.0030.21、CDR-convention:J.0027.22、Frfs-welbio:WELBIO-CR-2017C-02E,WELBIO-CR-2019C-02R,EOS: program no.30770923、EOSプログラムNo.40007505).WMDVはオランダ科学研究機構のSIAM Gravitation Grant(024.002.002)の支援を受けている。HTは、オーストリア交通・イノベーション・技術省、オーストリアデジタル・経済省、チロル州、ザルツブルク州、ウィーン州から資金提供を受けた研究開発Kセンター（COMETプログラム-Competence Centers for Excellent Technologies）であるExcellence Initiative VASCage（Centre for Promoting Vascular Health in the Ageing Community）の支援を受けている。

競合する利益PDCとWMdVは、代謝異常の治療におけるAkkermansia muciniphilaおよびその成分の使用に関する特許出願の発明者である。PDCとWMdVは、A-Mansia Biotechの共同設立者である。PDCはEnterosysの共同設立者である。WMdVはCaelus Healthの共同設立者であり、Eubacterium halliiの使用に関する特許の発明者である。

証明とピアレビュー受託研究、内部査読あり。