【三島海雲学術賞】（自然科学部門）

食を介した腸内環境の制御による健康維持基盤技術の創出

福田慶應義塾大学先端生命科学研究所
要真嗣

特任准教授

約
ヒトの腸管内には多種多様な腸内細菌が生息しており、これらが宿主細胞と密に相互作用することで、複雑な腸内生態系、すなわち腸内エコシステムを形成している。われわれはこれまでに、腸内エコシステムにおける異種生物間相互作用の詳細を明らかにするため、腸内細菌叢の代謝動態に着目したメタボロミクスを基盤とする統合オミクス解析技術を構築し 1, 2）、善玉菌であるビフィズス菌と病原菌である腸管出血性大腸菌 O157:H7 の2 種類を無菌マウスに定着させた

マウスモデル実

図1

験系において、ビフィズス菌が産生する酢酸が宿主腸管上皮細胞に作用することで、O157 腸管感染症を予防す

腸内エコシステムによる生体の恒常性維持とその破綻による疾患発症

腸内細菌叢が粘膜免疫細胞や神経細胞、内分泌細胞などと密接に相互作用することで、複雑な腸内エコシステムを形成している（右）。これらの異種生物間相互作用により生体の恒常性が維持されているが、そのバランスが崩れると消化管での疾患発症のみならず、自己免疫疾患や代謝疾患などの全身性疾患を発症する（左）。（文献 8 より改変し、転載）ることを明らかにした 3, 4）。また、乳酸菌が腸管内で産生する乳酸が、絶食後の再摂食時に生じる腸管上皮細胞の過増殖を促し、大腸癌発症リスクを増大させることも明らかにした 5）。さらには、主要な腸内細菌群であるクロストリジウム目細菌群が食物繊維の発酵により腸管内少崩れても元に戻すロバスト性を有するが、過度の遺伝で産生する酪酸が、免疫応答の抑制に重要な制御性 T的あるいは外的環境要因によりその恒常性が破綻する細胞の分化をエピジェネティックに誘導し、大腸炎抑制と、最終的には粘膜免疫系や神経系、内分泌系の過剰変6, 7）。以上のことから、動に起因すると考えられる炎症性腸疾患や大腸癌などの腸内細菌が腸管内で産生する代謝産物が、生体恒常性維

腸そのものの疾患に加えて、自己免疫疾患や代謝疾患と持に重要な役割を担うことが明らかとなったことから、いった全身性の疾患につながることが知られている 8）。

適切な食品・サプリメントの摂取による腸内環境の改善

したがって、腸内エコシステムの破綻に起因するこれらが、新たな健康維持基盤技術の創出につながると考えらの疾患を正しく理解し制御するためには、その構成要素れる。

である腸内細菌叢と宿主腸管細胞との相互作用についてに寄与することも明らかにした統合的な観点からアプローチする必要がある。
はじめに

本稿では、種々の次世代ハードウェアを利用するこ

ヒトの腸管内には、1,000 種類以上、総数にして 100とで得られる網羅的情報を、統計科学的に集約する統合兆個もの細菌が生息しており、これら腸内細菌叢が、宿オミクス研究により、われわれがこれまでに明らかにし主腸管に局在する免疫細胞や神経細胞、内分泌細胞と相てきた分子レベルでの腸内細菌叢機能について報告す互作用することで、腸管内における複雑な生態系、すなる。

わち「腸内エコシステム」を形成している（図 1）。腸1.

内エコシステムは通常はこれら異種細胞間の絶妙なバラビフィズス菌が産生する酢酸が腸管バリア機能を高め、腸管感染症を予防する

ンスのもとに恒常性を維持しており、外界からの様々な刺激や外部ストレス、老化などによりそのバランスが多腸内細菌が病原菌による腸管感染症の予防に寄与し
1

福田

真

嗣ていることは古くから知られていたが、その分子機構の詳細については不明な点が多かった。われわれは病原性大腸菌の一種である腸管出血性大腸菌 O157:H7 感染マウ
スモデルを用いて、ビフィズス菌による腸管感染症予防機構について検討した。無菌マウスに O157 を経口投与
すると、投与後 7〜8 日で死に至るが、O157 感染前にあらかじめビフィズス菌を無菌マウスに投与しておくと、O157 感染によるマウス感染死を防止できた。興味深い
ことに、この O157 感染死予防作用はビフィズス菌の菌

図2株によって異なったことから、O157 感染死予防株ビフィズス菌（予防株）または非予防株ビフィズス菌（非ビフィズス菌による腸管出血性大腸菌 O157:H7 感染死予防機構

予防株（左）、非予防株（右）ともにブドウ糖のトランスポーター（ピンク）は発現しているため、ブドウ糖が十分存在する
小腸〜大腸上部では両者とも腸管上皮保護に必要な量の酢酸をブドウ糖から産生でき、O157 感染による腸管上皮細胞死とそれに引き続く炎症は抑制される。しかし、ブドウ糖の多くは小腸で宿主に吸収されたり菌に代謝されるため、大腸下部では枯渇した状態になる。果糖のトランスポーター（ブルー）を持つ予防株（左）は、大腸下部にも比較的豊富に存在する果糖を利用できるため、腸管上皮細胞保護に十分な酢酸を産生でき、O157 感染死を予防できるが、果糖トランスポーターを持たない非予防株（右）は十分量の酢酸を産生できず、O157 感染による腸管上皮細胞死・炎症の結果生じる大腸バリアーの破綻に伴い毒素が腸管内から血中に移行し、マウスは感染死を引き起こす。（文献 3 より改変し、転載）

予防株）定着マウスの生化学的・細菌学的性状を調べた。その結果、O157 感染死を予防できるか否かにかかわらず、糞便中のビフィズス菌および O157 の菌数や毒素濃度に有意差は見られなかったが、一方で毒素の血中濃度が予防株の存在下では非予防株と比較して著明に低値を示していた 3）。このことから、予防株は O157 に直接作用してその増殖や毒素産生能を抑えるのではなく、マウスの腸管上皮に作用して毒素の体内への侵入を阻止することで間接的に O157 感染死を防いでいる可能性が示唆された。
予防株ビフィズス菌による宿主腸管上皮への保護作が完全に失われたことから、果糖を利用した酢酸産生能用はビフィズス菌が産生する代謝産物によるものであるがビフィズス菌によるマウス O157 感染死予防には重要と予想し、予防株および非予防株ビフィズス菌定着マウであることが強く示唆された。さらに、人工的に酢酸基ス糞便中の代謝産物をメタボローム解析により網羅的にを付加することにより腸管内で酢酸を徐々に遊離するこ比較検討した。その結果、予防株定着マウスでは非予防とができる酢酸化デンプンを非予防株定着マウスに摂取株と比べて果糖やショ糖などの糖質の量が糞便中で有意させると、糞便中の酢酸濃度が増加するとともに O157に減少するとともに、ビフィズス菌による糖代謝産物で感染死も予防された 3）。以上のことから、酢酸そのものあり短鎖脂肪酸（SCFA）の一つである酢酸の量が増加がマウス腸管内で大腸上皮に作用することで、O157 感

3）していた 。そこで酢酸が O157 感染死予防の本体であ染によって生じる腸管上皮の細胞死に対する抵抗性を付るか否かを検証するため、ヒト大腸上皮細胞株 Caco-2与することにより、マウス O157 感染死を予防できるこ細胞を用いたとを実証した（図 2）。

試験を実施したところ、培地中に添加した酢酸の濃度依存的に O157 感染による Caco-2 細胞の細胞死が抑制されることが明らかとなった 3）。

2.

腸内細菌が産生する酪酸が制御性 T 細胞の分化を誘導し、大腸炎を抑制する

O157 感染予防効果を規定する予防株および非予防株ビフィズス菌の違いについて検討するため、予防株およ腸管感染症の予防以外にも腸内細菌叢は多様な機能

び非予防株ビフィズス菌の全ゲノム解析を実施し、糖質を有しており、特に近年注目されているのが、粘膜免疫の代謝に関わる遺伝子群の詳細な比較解析を行ったとこシステムの制御機能である。主要な腸内細菌群の一種でろ、予防株にのみ存在する ATP 結合カセット型の果糖あるクロストリジウム目細菌群は、免疫応答の抑制に重トランスポーターをコードする遺伝子を見出した。この要な役割を担う制御性 T 細胞（Treg）の分化・誘導を果糖トランスポーター遺伝子を非予防株へ遺伝子導入す促すことが報告されたが 6）、どのような分子メカニズムると弱いながらも感染死の予防効果が認められたが、逆で Treg の分化を誘導するのか、すなわち宿主免疫シスに予防株における当該遺伝子の破壊により感染死予防能

テム–腸内細菌間クロストークの分子機構は不明であっ2

食を介した腸内環境の制御による健康維持基盤技術の創出た。そこでわれわれは、クロストリジウム目細菌群による Treg の分化誘導機構に焦点を当て、メタボロミクスを基盤とする統合オミクスにより、その分子機構の解明を試みた。
クロストリジウム目細菌群は腸内細菌叢の中でも特に多様な代謝物質を産生することが知られていたことから、クロストリジウム目細菌群が産生する代謝産物が大腸粘膜における Treg の分化・誘導に重要な役割を果たしているのではないかと予想し、クロロホルム耐性菌定着マウス（CRB マウス）に高繊維食（HFD）または低繊維食（LFD）を摂食させた。その結果、LFD 摂食群において大腸粘膜における Treg 数が HFD 摂食群の半分

図3以下にまで有意に減少した 7）。このことから、クロスト

酪酸による制御性 T 細胞誘導機構

クロストリジウム目細菌群などの酪酸産生菌が食物繊維の代謝により腸管内で酪酸を産生する。大腸粘膜固有層において酪酸がナイーブ T 細胞にエピジェネティックに作用することで、制御性 T 細胞のマスター転写因子である遺伝子の発現を誘導し、ナイーブ T 細胞から制御性 T 細胞への分化を誘導する。
大腸局所で誘導された制御性 T 細胞は、大腸炎やアレルギーなどの免疫応答を抑制する。酪酸化デンプンの摂取により腸管内の酪酸濃度を高めた場合にも同様に大腸炎を抑制できる。（文献 7 より改変し、転載）

リジウム目細菌群が繊維の発酵代謝により産生する代謝産物が、大腸粘膜における Treg 誘導に寄与する可能性が示唆された。
次に HFD および LFD 摂食 CRB マウスの盲腸内容物中の代謝産物についてメタボロミクスにより網羅的に解析した結果、酢酸やプロピオン酸、酪酸などの SCFAや、ロイシンやイソロイシン、γ -アミノ酪酸といったアミノ酸の含量が、HFD 摂食 CRB マウスの盲腸内で増加

移入大腸炎マウスに酪酸化デンプンを摂取させたとこしていた。これらの代謝産物のうちのどれが大腸粘膜にろ、対照群と比較して体重の減少が抑えられ、大腸炎における Treg 誘導に寄与するのかを調べるため、ナイーよって増加する大腸粘膜における免疫細胞の数や病理組

ブ T 細胞を用いた試験系で評価した。その結織学的スコアも有意に抑制された 7）。これらのことか

果、SCFA の一つである酪酸に Treg 誘導能があること

ら、クロストリジウム目細菌群が腸管内で特徴的に産生が明らかとなった 7）。

する酪酸が、Treg の分化誘導を担う免疫修飾因子の実体であることを証明した（図 3）。

では酪酸は、大腸粘膜においてどのようにナイーブ T細胞から Treg への分化を誘導するのだろうか？

これおわりにまでの報告で、酪酸はヒストン脱アセチル化酵素阻害剤
実

食生活の欧米化とともに、我が国でもメタボリック験系において、ナイーブ T 細胞から Treg を誘導し、酪シンドロームや大腸がん、アレルギーや炎症性腸疾患は酸添加の有無におけるエピゲノム状態の差異をゲノムワ増加の一途をたどっている。しかし、医療費は削減傾向イドに解析した。その結果、酪酸と共培養することで、にあり、加えてさらなる少子高齢化社会を迎えることか

Treg のマスター転写因子であるらも、予防医学や健康増進の見地に立った、機能性食品として機能することが知られていた。そこで遺伝子領域のア7）セチル化が亢進することが明らかとなった 。興味深いなどによるセルフメディケーションは今後その重要ことに、Th1 や Th2、Th17 などのヘルパー T 細胞を誘性が増すことは明らかである。上述したように、腸内エ導する培養条件下では、それぞれのマスター転写因子でコシステムの乱れがこれらの疾患につながることが続々

ある T-bet や GATA3、ROR γt をコードする遺伝子領域と報告されていることから、腸内エコシステムを一つののアセチル化は亢進しなかったことから、酪酸による作主要な臓器として捉え、その機能を包括的に理解し制御用は Treg 特異的である可能性が示唆された。

することが、今後の生体の恒常性維持や疾患治療の新た酪酸により大腸粘膜で分化誘導された Treg が、免疫なストラテジーになると考えられる。食を介した腸内エ反応を抑制できるかどうかを調べるため、T 細胞移入大コシステムの制御技術が、人類の Quality of Life の向上腸炎マウスモデルを用いてその機能を評価した。T 細胞につながることを期待したい。
3福謝田真辞嗣

慶應義塾大学薬学部

長谷耕二教授、東京大学大学院新この度は大変栄誉ある第 3 回三島海雲学術賞を賜りま領域創成科学研究科

服部正平教授、東京大学大学院農して、公益財団法人三島海雲記念財団の今関博理事長、学生命科学研究科

上野川修一選考委員長をはじめ、関係各位の諸先生方に資源科学研究センター

心より感謝申し上げます。また本学術賞にご推薦いただ御礼申し上げます。本研究の実施にあたり、ご指導とごきました、慶應義塾大学大学院政策・メディア研究科委協力をいただきました大学や研究機関の諸先生方と共同員長研究者の皆様にも深く感謝申し上げます。

徳田英幸教授にも厚く御礼申し上げます。本研究伊藤喜久治教授、理化学研究所環境菊地淳チームリーダーに心よりの一部は第 49 回（平成 23 年度）三島海雲記念財団学術文助成によって行われたものであり、研究奨励金を賜りました三島海雲記念財団に重ねて御礼を申し上げます。
本研究の多くは理化学研究所免疫・アレルギー科学総合研究センターで実施されたものであり、本研究を遂行するに当たりまして格別のご指導とご高配を賜りまし
た、理化学研究所統合生命医科学研究センター

献1） S. Fukuda, et al.:
2） Y. Nakanishi, et al.:
3） S. Fukuda, et al.:4） S. Fukuda, et al.:
5） T. Okada, et al.:6） K. Atarashi, et al.:
7） Y. Furusawa, et al.:
8） S. Fukuda, et al.:
2014.

大野博

司グループディレクターに厚く御礼を申し上げます。また、本研究に多大なるご助言、ご協力をいただきました4, 4, e4893, 2009.
, 10, 824–836, 2011.
, 469, 543–547, 2011.
, 3, 449–454, 2012.
, 4, 1654, 2013.
, 500, 232–236, 2013.
, 504, 446–450, 2013.
, 36, 103–114,