【研究報告】（自然科学部門）

概日時計と腸内環境のホメオスタシス

村上

カリフォルニア大学アーバイン校
緒結言1.

食は健康を左右する重要な因子であり、糖尿病や高真理

博士研究員

果
腸内細菌移植によりドナー表現型が再現される

脂血症、高血圧などメタボリック症候群に代表される生腸内細菌叢移植によりドナー表現型が再現されるか

活習慣病の多くは長年の食習慣によってもたらされるとどうかを検証するため、肝および脂肪組織の解析を行っ言っても過言ではない。したがって、特定の食習慣がいた。HF-R では CC-R に比較し、肝脂肪染色において脂かに疾病発症に関与するかを明らかにすることは、生活肪滴の蓄積を認め、精巣上体脂肪量は有意に増加し、こ習慣病の蔓延する現代社会における重要な課題である。

れらは HFD 摂取ドナー表現型と一致するものであった。

1）

食事内容は腸内細菌叢の構築に寄与し 、ある種の腸次に、16S rRNA Sequencing 法を用いたレシピエント

内細菌種は宿主のエネルギー代謝を調節することが知らの腸内細菌叢組成の解析を行った。数種の species におれている2）。すなわち食品は、栄養成分による直接的作いて両群間に差を認め、さらに PCoA 解析では CC-R と用のみならず、腸内環境を介した間接的作用によってもHF-R では異なるクラスタリングを認めた。以上の結果代謝に影響を与える。

から、腸内細菌移植実験によって両群間に異なる腸内環境がもたらされ、ドナー表現型が一部再現されることが一方、エネルギー代謝機構は概日リズムによる制御確認できた。

を受けている。概日時計が様々な生体機能に日内リズムを生み出すことにより、個体は変動する外的環境へ効率2.

的に適応することが可能となり、生体の恒常性が維持さ

腸内細菌叢移植により時計遺伝子の発現パターンが変化するれる。さらに、代謝と概日時計は互いに制御されてお次に腸内細菌叢の違いにより、エネルギー代謝の中り、高脂肪食の摂取は概日リズムの乱れを惹起することが報告されている 3, 4）。

心的器官の一つである肝臓において時計遺伝子の発現が以上の背景より我々は、腸内細菌叢が概日時計を介いかに影響を受けるかについて解析を行った。高脂肪食して宿主エネルギー代謝を調節しているのではないかと摂取により時計遺伝子の振幅の減衰と位相のずれが生じ考えた。この仮説を検証するため、本研究では高脂肪食ることが報告されている 3, 4）。興味深いことに、HF-R で摂取マウスをモデルとし、腸内環境と宿主概日リズムおは CC-R に比較し、時計遺伝子発現および BMAL リン酸よび代謝調節の関係について検証を行った。

化蛋白発現において、軽度の位相前方偏移が認められ、これは高脂肪食摂取時の時計遺伝子の発現パターンに極実験方法めて類似していた。一方、高脂肪食摂取時と同様、これコントロール食（CC）あるいは高脂肪食（HFD）をらの時計遺伝子のリズム形成は保たれており、頑強性を6 週間以上摂取させたマウスをドナー、C57BL6 SPF マ示す結果であった。

ウス（雄 12 週齢）をレシピエントとし、胃管経由にてそこで腸内細菌移植により、遺伝子発現に生じる変ドナー由来腸内細菌叢の移植を行った。全期間を通じ、化をよりグローバルに検証するため、レシピエント肝をレシピエントマウスには CC を摂取させた。移植終了 2

用い、ZT0（明期開始時間，ZT; zeitgeber）と ZT12（暗週間後、4 時間ごとにレシピントマウスより肝組織を採期開始時間）における transcriptome 解析を行った。各取し、CC 摂取ドナー由来腸内細菌叢移植群（CC-R）、時間帯において、それぞれ CC-R と HF-R 間で発現レベ

HFD 摂取ドナー由来腸内細菌叢移植群（HF-R）についルに有意差がある遺伝子を抽出し、それぞれの遺伝子群て両群間の比較解析を行った。

について KEGG パスウェイ解析を行った。ZT0 では各1

村

図1

上真理

食餌および腸内細菌叢が肝脂質代謝関連遺伝子に及ぼす影響

γ 発現を示す（donors: ＝5, recipients: ＝5–12）.（C）抗生（A, B）qPCR 法による（A）ドナー肝および（B）レシピエント肝の剤（Ab）投与 6 週間投与後の肝γ 発現を示す（ ＝4–9）.
Mean±SEM, two-way ANOVA, post hoc Holm–Sidak comparisons * ＜0.05, ** ＜0.01

グループに特異的なカテゴリーを認めなかったのに対摂動が生じた（図 1A、B）。次に核内 PPARγ の発現をし、ZT12 においては HF-R 上昇群、CC-R 上昇群それぞimmunoblot 法にて確認したところ、HF-R での ZT12 をれが特異的パスウェイによって占められていた。すなわ

頂値とした摂動を認め、遺伝子発現の結果と合致した。

ち、ZT12 において HF-R で有意に上昇する群は主に脂さらに、クロマチン免疫沈降法にて PPARγ 標的遺伝子

質代謝関連経路で占められ、これはこの群に特異的でへの結合を確認したところ、ZT12 において HF-R ではあった。このことから、腸内細菌叢移植が及ぼす宿主

CC-R に比較し PPARγ の結合の有意な上昇を認めた。以transcriptome への影響は、ZT 依存的であることが示唆上の結果から、高脂肪食摂取にて誘導された PPARγ にされた。さらに、腸内細菌叢の宿主代謝への影響についよるリプログラミングが腸内細菌移植によって再現されて検証するため、肝メタボローム解析を行ったところ、ることが明らかになった。

HF-R 群で有意に上昇する代謝物の半数以上が長鎖脂肪次 に、 高 脂 肪 食 に よ る nutritional eﬀect

酸であり、transcriptome の結果と合致するものであっmicrobial eﬀect

た。以上のことから、脂質代謝系経路が高脂肪食摂取ドめ、既報の高脂肪食負荷マウスの transcriptome データ

ナーの腸内細菌叢によって影響を受ける主な生体プロセと 当 研 究 の デ ー タ の 比 較 解 析 を 行 っ た。 す な わ ち、スであり、さらにこのプロセスが概日リズムに沿って誘ZT0、ZT12 にて HF ドナーと CC ドナー、HF-R と CC-R導されることが示唆された。の発現レベルをそれぞれ比較した。ZT12 において、ドとに共通するメカニズムを追究するたナー、レシピエントともに HFD 群で有意に上昇する遺3.

高脂肪食による腸内細菌叢の変化は肝 PPARγのリ伝子群についてパスウェイ解析を行ったところ、脂質代ズム獲得に寄与する謝関連経路に集約された。そこで、この遺伝子群を既報

我々は以前、高脂肪食摂取によって PPARγ のクロマの PPARγ の ChIP–Seq のデータと照合したところ、10％チンへのリクルートメントに概日リズムが生じ、これに強の遺伝子が PPARγ の標的遺伝子であった。肝臓に誘より周期性の肝リプログラミングが生じることを報告し導された PPARγ は脂肪酸代謝経路を促進する一方、脂た4）。PPARγ の発現は通常、脂肪組織が主であるが、脂質合成系遺伝子の発現を誘導する。実際に、HF-R では

肪肝や肥満では肝臓でも誘導され、その病態に関与して核内 SREBP1 およびその下流遺伝子の発現が有意に上昇いる。レシピエントマウス肝の網羅的解析の結果から、し、それらの酵素によって生成される種々の長鎖脂肪酸

我々は高脂肪食による肝臓での PPARγ 誘導性リプログがメタボローム解析によって上昇しており、HF-R の表ラミングに腸内細菌叢が寄与するのではないかと考え、現型を裏付ける結果であった。

γ および PPARγ 標的遺伝

最後に、PPARγ によるリプログラミングに腸内細菌子の発現を 4 時間ごとに qPCR 法にて検証した。興味深叢の存在が寄与していることを確認するため、CC あるいことに、ドナー肝同様、レシピエント肝においても、

いは HFD を摂取させたマウスに広域スペクトラムを有CC-R 群ではγ および標的遺伝子に明瞭な摂動を認する抗生剤を投与することにより、腸内細菌叢の除菌をめなかったが、HF-R 摂取群では ZT12 をピークとした行った。その結果、抗生剤投与群において ZT12 におけレシピエント肝における2

概日時計と腸内環境のホメオスタシス

ミングが部分的に腸内細菌叢の変化を介して誘導されることを明らかにした（図 2）。さらにこの効果は除菌により抑制されることから、腸内細菌叢が栄養負荷に対する細胞の可塑性に寄与することが示された。
要図2

腸内細菌叢は高脂肪食摂取によって誘導される肝のリズム獲得に寄与する

約
肝臓の概日リズムが腸内細菌叢によって制御される

γメカニズムを解明した。すなわち、高脂肪食摂取による腸内環境の変化は、肝臓における PPARγ およびその下る高脂肪食誘導性の PPARγ および標的遺伝子群の発現流遺伝子の周期的な発現を広範に誘導し、宿主の肝脂質上昇が抑えられた（図 1C）。以上の結果から、高脂肪食代謝を調節する。当研究で得られた新しい知見は、食習摂取による概日リズムに沿った PPARγ リプログラミン

慣の改善に基づく疾病予防、および腸内環境の制御をグが腸内細菌叢を介して制御されることが確認できた。

ターゲットとした技術開発の基盤となることが期待され
る。

考察
謝

近年、腸内細菌が宿主のエネルギー代謝を調節する

辞ことが明らかになってきている。代謝と概日時計機構は本研究を遂行するにあたり、助成を賜わりました公相互制御の関係にあることから、腸内環境と宿主概日時益財団法人三島海雲記念財団に深謝申し上げます。な計との関連性が広く注目を集め始めている。最近の報告

お、本研究内容は現在学術誌への投稿準備中であること

5）を申し添えます。

では、腸内細菌叢の組成が日内変動すること や、腸内細菌叢由来の代謝物質が宿主概日時計の維持に関与する可能性6）が示唆されている。しかしながら、腸内細菌叢

文がどのように宿主 transcriptome の概日リズムに影響を献

1） L. A. David, et al.:
, 505, 559–563, 2014.
2） E. Holmes, et al.:., 16, 559–564, 2012.
3） A. Kohsaka, et al.:., 6, 414–421, 2007.
4） K. L. Eckel-Mahan, et al.:, 155, 1464–1478, 2013.
5） C. A. Thaiss, et al.:
, 159, 514–529, 2014.
6） V. Leone, et al.:., 17, 681–689, 2015.
7） M. Kawai, C. J. Rosen:.
.
., 6, 629–636,
2010.

与え、システム全体の代謝を制御するかということについては明らかではない。一方、核内レセプターは日内変動する代謝物質を感知することにより、概日リズムとエネルギー代謝を結ぶ重要な役割を果たしており、PPARγ はその中心的な役割を担っている7）。
当研究では高脂肪食による周期性 PPARγ リプログラ

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