50（4）―― 亜鉛栄養治療

総説

8巻2号

2018

51（5）

腸内フローラの健康と病気への関わり

理化学研究所生命医科学研究センター 粘膜システム研究チーム 神奈川県立産業技術総合研究所 腸内細菌叢プロジェクト

大野博司

要

約

ヒトを含む動物の腸内に共生する膨大な数の腸内フローラは，宿主との相互作用によりその健康や疾患と密接に関わっている．近年のメタゲノム解析や無菌マウスへの糞便移植などから，種々の疾患でみられる腸内フローラのバランスの異常，dysbiosis は疾患の発症や増悪の原因となり，dysbiosis を是正してバランスを正常（symbiosis）に戻してやることで疾患の治療に繋がることが明らかとなりつつある．メタゲノム解析は腸内フローラ遺伝子のカタログ作りで

図１

ヒトの常在共生フローラ

ヒトの皮膚および粘膜面（呼吸器系は省略している）に常在する細菌の概数を示す．ヒト（白人の成人男性）のからだを構成する体細胞数は約 30 兆とされるにのに対し，ヒト大腸にはそれを超える約 40 兆の細菌群が常在するとされる．
http://leib.rcai.riken.jp/riken/index.html より転載（以下全ての図も同様）．

あり，それだけでは腸内フローラの機能の解明には十分ではない．メタゲノム解析に加え，網羅的遺伝子発現定量解析（トランスクリプトーム），網羅的代謝物定量解析（メタボローム）など，異なる階層の網羅的解析を組み合わせた統合オミクス解析は，宿主－腸内フローラ相互作用の分子メカニズムを理解する上で有用な手法である．統合オミクス解析をヒト疾患に応用することで，疾患発症関連バイオマーカーの同定やそれに基づく新たな治療法，予防法の開発が期待される．
KEY WORDS 腸
 内フローラ，メタゲノム，トランスクリプトーム，メタボローム，
図２

統合オミクス解析

酢酸，プロピオン酸，酪酸の構造式

短鎖脂肪酸とは，一般的に炭素数 6 以下の直鎖状炭化水素の 1 価のカルボン酸を意味する．このうちでも，炭素数２〜４の酢酸，プロピオン酸，酪酸が腸内フローラが産生する短鎖脂肪酸のほとんどを占める．

はじめに

１．メタゲノム解析

われわれヒトを含む動物の消化管には膨大な数

腸内フローラを形成する細菌は 500 〜 1000 菌

細菌叢に応用することで，腸内細菌叢がどのようの多様性が有意に低下すると共に，フィルミクテの細菌が共生している．この腸内フローラは，ヒ種以上にも及ぶとされ，その多くが難培養菌と考な遺伝子を持つ菌の集合体であるかということがス門とバクテロイデス門の相対比が有意に高いこト大腸では 40 兆以上にもおよび，約 30 兆とされえられる．従前の DNA シーケンサーでは，同じ明らかになると共に，健常群と疾患群との比較かとが示された 2）．

るヒトのからだを形成しているヒトの細胞数を超遺伝子配列を持つ DNA が多コピー数ないと配列

ら腸内フローラが疾患に及ぼす影響も明らかと．腸内フローえる数であることがわかる （図 1）

解析できなかったため，細菌のゲノム配列解析になってきた．

ラはわれわれ宿主との相互作用により，宿主の健は純粋培養により多数の均一な細菌ゲノムを得る康や疾患と密接に関わっている．本稿では，腸内必要があった．しかし，いわゆる次世代シーケン

フローラ研究の最近の進展や疾患との関わりにつサーでは，理論上 1 コピーの DNA の配列解析がいて概説すると共に，筆者らの統合オミクス手法可能なため，ある環境中の生物のゲノム DNA を例えば米国における病的肥満（BMI ≧ 30）のた 3）．また，炎症性腸疾患患者群では，健常群とによる腸内フローラの機能解析について，特に腸まとめて抽出し配列解析することで，そこに存在研究では，双生児の成人女性で一方が正常範囲の比較して糞便中の酪酸産生菌や短鎖脂肪酸の濃度内細菌が産生する主要な短鎖脂肪酸（図 2）と生する生物のゲノム配列を網羅的に取得できるよう体重，もう一方は病的肥満の腸内フローラ構成菌が減少しており，逆に炎症性腸疾患の一病型であ体防御・免疫系との関係を紹介する．になった．この「メタゲノム」解析法を糞便中のの組成を比較した結果，肥満群では腸内フローラる若年性の潰瘍性大腸炎で酪酸の注腸により症状

1）

炎症性腸疾患については，デンマーク人およびスペイン人のメタゲノム解析の結果から，健常対照群の腸内フローラ構成菌が保有する総遺伝子数

２．腸内フローラと疾患が 60 万強なのに対し，患者群では約 40 万と，腸内フローラ遺伝子の多様性が約 2/3 に減少してい52（6）―― 亜鉛栄養治療

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2018

図３53（7）腸内フローラの関与が示唆される疾患

近年の研究から，腸疾患のみならず，免疫関連疾患，代謝内分泌疾患，神経関連疾患など様々な疾患と腸内フローラとの関連が報告されている．

図５

統合オミクス解析

異なる階層の網羅的解析を組み合わせた統合オミクス解析は，宿主－腸内フローラ相互作用の解析に適した手法と考えられる．

図４

symbiosis，dysbiosis と疾患

腸 内 フ ロ ー ラ は 正 常 な バ ラ ン ス（symbiosis）を 保 と う と す る が，疾 患 の 素 因 を 持 つ 個 体 で は 時 に 異 常 な バ ラ ン ス（dysbiosis）が遷延すると，それが宿主の全身性の慢性炎症やそれに続く各種疾患の発症の原因となると考えられる．

dysbiosis を是正し正常なバランスの取れた状態，のような遺伝子を持っているかといういわゆるカつまり symbiosis に戻してやることは疾患の治療タログはできるが，それだけでは機能はわからなや予防に繋がると考えられる．すなわち，健康ない．

宿主の腸内フローラは symbiosis の状態にあり，そこで筆者らは，宿主－腸内フローラ相互作用宿主との相互作用のもとに恒常性が保たれているの機能解析法として，遺伝子レベル（ゲノム）で（図 4）．健常な腸内フローラは，例えば腸管感染の解析に加え，網羅的な遺伝子発現（トランスク症による下痢や抗生物質の経口摂取などによりそリプトーム）や代謝物（メタボローム）解析といっの組成が乱れても一定期間内に symbiosis に戻る

た異なる階層の網羅的解析を組み合わせた，統合復元力を有する（この復元力には正常な免疫系なオミクス手法を提唱し，実践してきた（図 5）．

どが関与すると考えられる）．しかし何らかの疾患素因のある個体の腸内フローラは，上記のようなきっかけで dysbiosis 状態に陥ると疾患素因のが軽快することが報告されている 4）．
腸内フローラの多様性の減少および酪酸産生菌
5）４．ビフィズス菌が産生する酢酸によるマウス O157 感染死予防

IL-10 欠損マウスは腸炎を自然発症するが，これため復元力が弱く dysbiosis が長く続いてしまい，らを無菌化すると腸炎が見られなくなることは以それが原因で腸管バリアの破綻や，dysbiosis の統合オミクス解析が宿主－腸内フローラ相互作

6,7）の減少は 2 型糖尿病においても報告されている ．

前から知られている．一方，腸炎や肥満モデ結果異常に増加した細菌毒素や代謝物の体内への用の機能解析に適した手法であるか否かを検証す

このように，最近の研究から上記以外にも様々なルマウスの腸内細菌を無菌マウスの腸に定着させ移行などが引き金となり，全身性の慢性炎症からるために，筆者らはまず，無菌マウスにビフィズ

疾患において，健常対照群と比較して腸内フローると腸炎や肥満の症状が再現される 8,9）．さらに，炎症性・代謝性疾患の発症へとつながると考えら

ス菌と腸管出血性大腸菌 O157：H7（O157）のみ

ラの多様性の減少や組成の変化が報告されている

偽膜性腸炎としても知られる Clostridium difficile

れる．

を定着させたノトバイオート（既知の微生物のみ

（図 3）
．

感染症の難治例に健常者の糞便微生物を腸内移植では，上述のように偏った腸内フローラ，いわすると著効することが最近示された

10）

．このよ

ゆる dysbiosis は疾患の結果なのか，あるいは原うに，dysbiosis はその疾患の症状を形成する原因 と な り 得 る の だ ろ う か．IL-2 欠 損 マ ウ ス や因 と な っ て お り， 糞 便 微 生 物 移 植 な ど に よ り

を無菌マウスに定着させたモデル実験系をノトバ

３．統合オミクス解析
メタゲノム解析により，細菌叢が全体としてどイオートと呼ぶ）マウスモデルを解析した 11）．
O157 は代表的なヒトの食中毒菌であり，ヒトには水溶性あるいは血性の下痢を引き起こし時に54（8）―― 亜鉛栄養治療

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図６

201855（9）ビフィズス菌が産生する酢酸によるマウス O157 感染死予防

統合オミクス解析により，酢酸がマウス O157 感染死を予防するメカニズムが明らかにされた．詳細は本文参照．

図７

酪酸により大腸制御性Ｔ細胞の分化促進と免疫恒常性の維持

クロストリジウム目などの細菌群が産生する酪酸が存在すると，ナイーブ T 細胞から制御性Ｔ細胞への分化が促進されてより多くの制御性Ｔ細胞が集積し，過剰な免疫応答を抑制して免疫恒常性の維持に寄与する．詳細は本文参照．

死に至らしめることもあるが，腸内細菌を有する

防株定着マウスと比較してより高濃度の酢酸が存

ロ毒素が血中に吸収されてマウスの感染死を起こ

クス解析を応用した結果，ナイーブ T 細胞からSPF マウスでは経口感染させても不顕性であり，在していた（図 6）．実際，非予防株定着マウスすことが明らかとなった．

制御性Ｔ細胞への分化の過程で，クロストリジウ腸管を通過するだけである．しかし，無菌マウスに酢酸を徐放性に放出するアセチル化でんぷんを

このように，統合オミクス解析は，最初からあム目が産生する酪酸が存在すると分化が促進されに経口投与された場合 O157 は十分増殖し，産生餌に混ぜて投与することで，その後の O157 感染る物質（この例では酢酸）に着目しなくとも，網ることがわかった．制御性Ｔ細胞は，自己反応性さ れ た ベ ロ 毒 素 に よ り マ ウ ス は 毒 素 死 す る．

死を予防できる．次に，予防株・非予防株定着マ

羅的な解析から酢酸にたどり着き，酢酸によるやアレルギー反応，過剰・遷延する炎症などの異O157 を経口投与する１週間前にビフィズス菌をウスの大腸上皮細胞のトランスクリプトーム解

O157 感染死予防の分子メカニズムに繋がる上皮常・過剰な免疫応答を負に制御することで，自己投与しておくと，その後の無菌マウスの感染死を析，ならびに腸管上皮細胞株を酢酸ナトリウム存

細胞の遺伝子発現の違いやビフィズス菌の保有遺免疫疾患やアレルギー，炎症性疾患などの発症や予防できる株（予防株）とできない株（非予防株）

在下で培養した際の遺伝子発現解析から，酢酸に伝子の違いをも見いだすことができる，宿主－腸増悪を抑え，免疫恒常性のバランスを保つためにが存在する．どちらのビフィズス菌を投与したマより大腸上皮細胞のエネルギー代謝・抗炎症作用

内フローラ相互作用の分子的理解に適した解析法

重要な細胞である．酪酸はヒストン脱アセチル化

ウスにおいても，腸内での O157 の増殖やベロ毒関連遺伝子の発現が増強され，その結果 O157 にであると言える．

酵素の阻害剤であることが知られている．酪酸に素の産生量には大きな違いはないが，血中ベロ毒よる上皮細胞死が抑制されることがわかった（図

素濃度は予防株ビフィズス菌投与マウスで非予防6）．最後に，予防株・非予防株の比較ゲノム解析株投与マウスと比較して著しく低く抑えられていの結果，予防株に存在する果糖のトランスポーることから，予防株ビフィズス菌がマウス大腸にター遺伝子が非予防株では欠損しており，その結何らかの作用を及ぼすことでベロ毒素の吸収が抑果，予防株はブドウ糖，果糖の両者を代謝して酢

腸内フローラ構成菌であるクロストリジウム目

で増加した制御性Ｔ細胞によりマウスの実験腸炎制されていることが示唆された．

酸を産生できるが非予防株はブドウ糖しか代謝で（order Clostridiales）細菌の中には，マウス大腸の症状が軽快することも示され，酪酸が制御性Ｔ

そこで，メタボローム解析により予防株・非予きないことが示された（図 6）．その結果，非予粘膜固有層におけるナイーブ T 細胞から制御性細胞の分化促進により腸管免疫恒常性の維持に働防株投与マウスの糞便中の代謝物を網羅的に解析

防株では酢酸濃度が不十分となり O157 感染時にT 細胞への分化を促進する菌群が存在するが，そ．
いていることが示唆された 12）（図 7）したところ，予防株定着マウスの糞便中には非予上皮細胞死が起こり，破綻した上皮バリアからベのメカニズムは不明であった．そこで，統合オミ

より制御性Ｔ細胞のマスター転写因子である

５．腸内細菌由来の酪酸による大腸制御性 T 細胞分化促進

Foxp3 遺伝子のヒストンアセチル化が亢進し，Foxp3 遺伝子の発現増強が起こることで大腸制御性Ｔ細胞の分化が促進する．その結果大腸局所

56（10）―― 亜鉛栄養治療

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57（11）

互作用の因果関係を明らかにできる可能性が大でおわりにある．今後，遺伝子発現量（トランスクリプトーム），Impact of gut microbiota on health and diseases

以上述べてきたように，腸内フローラは宿主と代謝物定量（メタボローム）に遺伝子発現調節

Hiroshi Ohno1），2）の相互作用により，様々な疾患の発症や増悪の原（エピゲノム），タンパク質発現量（プロテオーム）

1）Laboratory for Intestinal Ecosystem, RIKEN Center for Integrative Medical Sciences

因となっている可能性がある．ヒトのゲノムワイを加え，より網羅性や精度の高い統合オミクス解2）Intestinal Microbiota Project, Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology

ド関連解析（GWAS）と同様，メタゲノム解析

析へとグレードアップを図り，様々な疾患やコのみでは疾患との因果関係を直接示すことはでき

ホートに応用することで，疾患発症関連バイオ

ないが，異なる階層の網羅的解析を組み合わせたマーカーの同定やそれに基づく新たな治療法，予統合オミクス解析により，宿主－腸内フローラ相防法の開発が期待される．

Gut microbiota, a huge number of commensal bacteria in animal guts including humans, deeply affectthe host physiology and pathology. Recent studies with metagenomics and fecal microbiotatransplantation in germ-free mice have revealed that dysbiosis, or abnormal composition of gut
microbiota, could be pathogenic; in addition, normalization of dysbiosis into symbiosis can cure

◆文献 ― ――――――――

diseases. Metagenomics is to make a gene catalogue of gut microbiota, which is not enough to1）Sender R, Fuchs S, Milo R：Revised Estimates

signaling: master regulator of intestinal mucosal

for the Number of Human and Bacteria Cells inhomeostasis in mice and humans. Adv Immunol

the Body. PLoS Biol 14：e1002533, 2016

122：177, 20142）Turnbaugh PJ, et al：A core gut microbiome inobese and lean twins. Nature 457：480, 20093）Qin J et al：A human gut microbial genecatalogue established by metagenomic sequencing.
Nature 464：59, 20108）Garrett WS et al：Communicable ulcerative
colitis induced by T-bet deficiency in the innate10）van Nood E et al：Duodenal infusion of donor

disease? F1000Res 4(F1000 Faculty Rev)：1146,

feces for recurrent Clostridium difficile . N Eng J
Med 368：407, 20135）Forslund K et al：Disentangling type 2 diabetes11）Fukuda S et al：Bifidobacteria can protect fromand metformin treatment signatures in the humanenteropathogenic infection through production ofgut microbiota. Nature 545：116, 2015

acetate. Nature 469：543, 20116）Sadlack B et al：Ulcerative colitis-like disease in12）Furusawa Y et al：Commensal microbe-derived

mice with a disrupted interleukin-2 gene. Cell 75：

butyrate induces colonic regulatory T cells. Nature253, 1993

504：446, 20137）Shouval DS et al：Interleukin 10 receptor◆大野博司略歴
1983 年		
1991 年		
1997 年		
1999 年		
2005 年		
2007 年		
2013 年				
2017 年				

approach is useful for understanding molecular mechanisms of the host-but microbiota interaction,which may result in identifying gut microbiota-associated pathogenic biomarkers potentially leading to
a new therapeutic or preventive strategies.

Keyword：gut microbiota, metegenomics, transcriptomics, metabolomics, integrated omics approach

harvest. Nature 444：1027, 2006

and serotonin：Unraveling inflammatory bowel
2015

approaches such as transcriptomics and metabolomics with metagenomics. This‘integrated omics’

immune system. Cell 131：33, 2007
9）TurnbaughPJ et al：An obesity-associated gut
microbiome with increased capacity for energy4）Kaunitz J, Nayyar P：Bugs, genes, fatty acids,understand the functions of gut microbiota. To overcome this, we combine other cyclopedic

千葉大学医学部卒業
千葉大学大学院医学研究科博士課程修了
千葉大学医学部 助教授
金沢大学癌研究所 教授
横浜市立大学大学院 客員教授
千葉大学大学院医学研究院 客員教授
理化学研究所統合生命医科学研究センター
粘膜システム研究グループグループディレクター
神奈川県立産業技術総合研究所腸内細菌叢プロジェクト
プロジェクトリーダー兼務

Address for correspondence
1-7-22 Suehiro, Tsurumi, Yokohama, Kanagawa 230-0045, Japan
Phone：+81 45 503 7031

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