【研究報告】（自然科学部門）

炎症性腸疾患における消化管ウイルス叢の解析

金沢大学医薬保健研究域医学系恒常性制御学緒言

飯田宗穂助教（テニュアトラック）

このことから、炎症性腸疾患の腸内細菌叢の機能異

炎症性腸疾患の病態には腸内細菌叢の構成かつ機能常を解明するためには、細菌由来の遺伝子解析のみではの異常が関与しているが、細菌の遺伝子の一部はファー全貌を明らかにすることはできず、ファージを含めたウジが運ぶ遺伝子である。そのため炎症性腸疾患におけるイルス叢の解析が不可欠であると考えられる。本研究で腸内微生物叢の異常を解明するために、ファージを含めは、日本人を対象として、いまだ解明されていない炎症た腸内ウイルス叢の解析を次世代シーケンサを用いて行性腸疾患患者の腸内ウイルス叢のメタゲノムを解析するう。得られたファージの情報は将来的にファージ操作にことで、腸内微生物叢の機能異常を把握し、炎症性腸疾より新たなプロバイオティクス製剤を生み出す重要な基患の病態に迫ることを目的とする。

盤知識になると考えられる。
実験方法

炎症性腸疾患であるクローン病と潰瘍性大腸炎においては腸内細菌叢の構成が変化していることが知られてクローン病患者、健常者の便を採取し、小さいサイいる。基礎研究において、腸内の一部の細菌が制御性 Tズの粒子である virus-like particle（VLP）を抽出する。

細胞の誘導や抗炎症性サイトカイン IL-10 の分泌に関与

VLP から抽出した DNA を用いて次世代シーケンサを用し、炎症の制御という面から炎症性腸疾患の病態に関与いてショットガンシーケンシングを行い、ファージデー

1）していることが示されている 。このような腸内細菌叢タベースを基にリードを対応させる。得られたシーケンが持つ炎症性腸疾患における重要性から、腸内に存在すシングデータと炎症性腸疾患患者や健常者の臨床所見のる数百種類を超える細菌を次世代シーケンサの技術によ相関を解析する。

り網羅的に把握しコミュニティとしての腸内細菌叢を理対象者として金沢大学附属病院炎症性腸疾患セン解し、炎症性腸疾患の病態を把握することが試みられる

ター・消化器内科を受診したクローン病患者から説明とようになった。

同意を得て便を採取する。便を用いた観察研究はすでに米国の炎症性腸疾患患者の便中細菌のメタゲノム解金沢大学医薬保健研究域倫理審査委員会に承認済であ析においては細菌属の種類の変化は健常者に比し 2％でり、それを基に炎症性腸疾患患者便の採取も開始されてあったのに対し、細菌の遺伝子のパスウェイ解析によるいる。コントロールとしての健常者の便も同意を得て採変化は 12％であったことが報告されている。つまり、炎取を行う。便は嫌気的、低温にて運送し、処理するまで症性腸疾患患者では、細菌の種類の変化のみを把握しては−80 度に保存する。

も病態の理解には不十分であり、細菌の運ぶ遺伝子の内得られた便から過去の報告に従い塩化セシウムの勾容の変化を把握し細菌の機能の異常を知る必要があると配を利用し大きな食物や細菌の粒子を除去し、小さな粒言える。実際に炎症性腸疾患患者の腸内細菌ゲノムで差子である virus-like particle（VLP）を採取する4）。VLP

異が見られたのは、酸化ストレス、炭水化物代謝、アミから DNA を抽出する。次世代シーケンサは平成 25 年度

2）ノ酸生合成、栄養素の輸送といった遺伝子群であった 。

末に金沢大学医薬保健研究域に納入が決まっている

一方、腸内細菌の遺伝子のうち、抗菌薬耐性遺伝子

Illumina 社の MiSeq を使用する。VLP から抽出した DNAや膜輸送、炭水化物、脂質、アミノ酸、核酸代謝、さらを増幅した後に、Illumina 社の専用試薬を用いて DNAにゲノムの複製や修復といった遺伝子の一部は、バクテライブラリ作成を行い、シーケンシングを行う。VLP

リオファージが運ぶ遺伝子であることがマウスモデルかサンプルから得られたリードは、まずエラーのフィルタ

3）リングやホストのゲノム配列の除去を行う。その後にパら実証された 。
1

飯田

宗穂

ブリックに利用できるファージのデータベース Phage社の Miseq を用いてシーケンシングを行いペアエンド

SEED や解析のパイプライン Virome を用いて類似の配リードを得た。Qualtiy control として quality の低い塩列の探索を行う。また KEGG データベースから遺伝子の基を末端から除去し、その後でも quality の低い塩基が5）機能のアノテーションを行いパスウェイ解析を行う 。

リード中に効率に残ったリードはフィルタリングして除サンプルごとに得られたファージの種類と、炎症性腸去した。ヒトゲノムのコンタミネーションを除去し、ラ疾患患者または健常者の臨床所見との相関を解析する。

イブラリ作成時の PCR 反応にて生じた duplication readを除去した。このような基本的なリードの前処理を行っ結果た後に解析を行った。パイプライン Metavir を用いてそ本研究では、炎症性腸疾患の便ウイルス叢の組成や遺れぞれの検体に存在するウイルスゲノムの存在を同定し伝子が、健常者と異なることを仮説としている。これをた。クローン病（CD）4 例、健常者（HD）7 例の便中証明するためにクローン病患者 4 名の便と健常者 7 名のメタゲノムシーケンシングデータを解析した結果を図便から DNA を抽出し、イルミナ社の Nextera DNA kit

1、2 に示す。図 1 は便中に豊富な Podoviridae 科の組成を用いてライブラリの作成を行った。その後、イルミナを示した図である。クローン病症例では健常者症例に見られないようなウイルス属、種の増加が見られ、たとえば Picovirinae Epsilon15like virus がクローン病に多いウイルスであった。ウイルス叢の組成を用いてクラスタリングを行うと図 2 のようにクローン病群は健常者群とクラスターが分けられる。このようにクローン群は健常者群と異なるウイルス叢を有すると考えられ、クローン病のマーカーとなる可能性を示唆した。
考察
炎症性腸疾患患者に対するプロバイオティクスや抗菌薬投与の臨床試験は、持続的な炎症軽快が得られず成功していない。このことから、細菌の種類のみならず細菌の遺伝子を操作するような革新的な治療法が求められている。ファージ療法は発展中の治療法であるが、細菌の遺伝子操作を可能にする治療法である。炎症性腸図1疾患で減少がみられたファージ遺伝子を持ったファージ

便中 DNA のシーケンシングから Podoviridae 科ウイルスの組成を明らかにしたを細菌に導入し、プロバイオティクスとして治療に用いることが将来的な治療として考えられる。プロバイオ
ティクスは炎症性腸疾患における有用性が試験されてきた歴史がある。マウスあるいはヒト健常者における結果に基づき、炎症性腸疾患患者における Lactobacillus やBiﬁdobacterium の有効性を検討する臨床試験も行われてきた。しかし、大規模なデザインのランダム化対照研究が存在しないため、メタアナリシスではプロバイオ
ティクスの潰瘍性大腸炎やクローン病に対する利益は証明されていない。従来のプロバイオティクスでは炎症性腸疾患の病態を制御するには限界があると考えられる。
本研究では、炎症性腸疾患の消化管内バクテリオファージの持つ遺伝子が、健常者と異なることが証明された。

図2

ファージの運ぶ遺伝子は、腸内細菌の働きを担う重要な便中ウイルス叢組成からクラスタリングを行った
2

炎症性腸疾患における消化管ウイルス叢の解析遺伝子であることが多い。そのため、ファージの遺伝子

腸内ウイルス叢の解析を行うことが重要となってくる。の変化を把握することは、腸内細菌叢の機能異常の一端

本研究では健常者便中のウイルス組成とクローン病患者を把握することであり、炎症性腸疾患の病態解明に役立便中のウイルス組成は異なっていることがわかった。ク

つと考えられる。また、適切な遺伝子を持つファージをローン病特徴的なウイルスファージが病態とどのように細菌に感染させ新たなプロバイオティクスを作成する可

関連しているか、疾患マーカーとして成立するか、さら能性にもつながり、治療応用にもつながる可能性を持っなる検討が必要と考えられた。ている。本研究は炎症性腸疾患患者の腸内ウイルス叢プ謝ロファイルの同定を通じて、新たなプロバイオティクス

辞本研究は公益財団法人三島海雲記念財団により助成の可能性を探索するという点で先進的な治療の基盤となる結果を得た。

を頂きました。御礼申し上げます。

要文

約
炎症性腸疾患の病態には腸内細菌叢の構成かつ機能の献

1） C. Manichanh, et al.:599–608, 2012.
2） X. C. Morgan, et al.:
3） S. R. Modi, et al.:
4） R. V. Thurber, et al.:
5） A. Reyes, et al.:異常が関与しているが、細菌の遺伝子の一部はファージが運ぶ遺伝子である。そのため炎症性腸疾患における腸内微生物叢の異常を解明するために、ファージを含めた

3, 9,., 13, R79, 2012.
, 499, 219–222, 2013.
, 4, 470–483, 2009.
, 10, 607–617, 2012.