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腸内ファージオーム:研究の課題とヒト微生物叢への影響

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ミニレビュー記事
Front. 微生物学、2024年3月22日
ファージバイオロジー
第15巻 - 2024年|https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1379382
腸内ファージオーム:研究の課題とヒト微生物叢への影響

https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2024.1379382/full?utm_source=S-TWT&utm_medium=SNET&utm_campaign=ECO_FCIMB_XXXXXXXX_auto-dlvrit




シャオ・ユー&#x;シャオ・ユー
1

リー・チェン&#x;リー・チェン
2

シン・イシン
3
ビン・リービン・リー
3
シュエチン・リーシュエチン・リー
4
劉翔Xiang Liu
1
劉志鴻
劉志鴻
1
*
孔暁明
孔暁明
1
*
1山西医科大学第一病院呼吸器・重症治療医学科呼吸器疾患重点研究室じん肺重点研究室(中国・太原市
2中国山西省人民武装警察病院臨床検査病理部
3中国・太原市・山西医科大学医学院
4中国・晋城市煤業集団総合病院呼吸器・重症治療科
ヒトの腸内細菌叢は健康維持に重要な役割を果たしている。腸内細菌叢の多様性と構造の変動は、いくつかの代謝性疾患や炎症性疾患の発症に関与している。食事パターン、投薬、喫煙、飲酒、身体活動などはすべて、腸内のさまざまなタイプの微生物叢の存在量に影響を及ぼし、ひいては個人の健康に影響を及ぼす可能性がある。腸内ファージは腸内細菌叢の重要な構成要素であるが、ほとんどの研究は腸内細菌の構造と動態に主眼を置いており、腸内細菌叢の形成におけるファージの役割は無視されている。細菌を殺すウイルスであるバクテリオファージの腸内における分布、腸内細菌叢に影響を及ぼす役割、そしてその作用機序は依然として不明である。ここでは、腸内ファージに関する現在の知見、その生活様式、同定、腸内細菌叢への潜在的影響について概説する。

1 はじめに
ヒトの腸内には、細菌、古細菌、真核生物、ウイルスなど多様な微生物が存在し、宿主の健康を維持するための様々な生命活動において重要な役割を果たしている(Zhang et al.) 腸内微生物の恒常性には、宿主自身の年齢、食習慣、身体活動、病気の状態、薬の使用など、数多くの要因が影響している(Pargin et al.) 現在のところ、マイクロバイオーム研究は、他の生物種ではなく、ほとんど細菌にのみ焦点を当てている。腸内ビロームとは、バクテリオファージ、真核生物ウイルス、ヒト特異的ウイルスを含む、腸内で発見されたすべてのウイルスのコミュニティである(Hannigan et al.) 腸内マイクロバイオームの構成ではウイルスの数は比較的少ないが、腸内ファージの数はヒトの糞便1グラムあたり109個のウイルス様粒子(VLP)と報告されており、腸内細菌の数よりも1~2桁多い(Dion et al.) バクテリオファージは、微生物の組成を形成し、細菌の多様性を促進し、遺伝子の水平伝播を促進する上で極めて重要であると考えられる。それにもかかわらず、ウイルソームとマイクロバイオームが互いに影響し合うメカニズムは、ほとんど解明されていない。そこで本稿では、ファージと腸内細菌叢の相互関係に関する現在の研究進展を概説する。

2 ファージの発見、分類、特徴
1915年、Twortが初めてバクテリオファージの存在を発見し、固体培地プレートで細菌を死滅させる過程を解析した(Duckworth, 1976)。ファージ感染には通常、溶菌性または溶原性の2つの複製サイクルのいずれかが続き、それぞれ強毒ファージおよびマイルドファージと呼ばれる。マイルドファージは宿主細菌のゲノムに核酸を組み込み、宿主のゲノムを利用してプロファージを産生する。この状態では接合体ファージは生成できないが、ファージの遺伝子は宿主の染色体に組み込まれ、ファージは宿主とともにDNA複製を受け、宿主が分裂する際に受け継がれる(Howard-Varonaら、2017;Gildeaら、2022;Avellaneda-Francoら、2023)。対照的に、病原性ファージは溶菌サイクル中に宿主細菌のDNAとは独立して複製を受ける。この過程では、タンパク質の殻を合成するための転写が行われ、その後、多数の子孫ファージを生産するための組み立てが行われる。その結果、感染した細菌が破壊され、細菌が溶解して大量のファージが放出される(Dang et al.、2015;Townsend et al.、2021)(図1B)。

図1
www.frontiersin.org
図1. ファージのライフサイクルと分類の概要。(A)このセクションでは、ファージを核酸のタイプに基づいて4つの主要なグループに分類している。これらには以下が含まれる: (i) 二本鎖DNA(dsDNA)ファージ。シホウイルス科、ミオウイルス科、ポドウイルス科などが含まれる。 (ii) 一本鎖DNA(ssDNA)ファージ。マイクロウイルス科、イノウイルス科などが含まれる。 (iii) 二本鎖RNA(dsRNA)ファージ。シストウイルス科に属する。(iv)一本鎖RNA(ssRNA)ファージ。レビウイルス科に代表される。(B)図の後半は、ファージが宿主細胞に感染した後の2つの主要なライフサイクルを示している: ここでは、ファージのDNA(またはRNA)が宿主細胞内で複製、転写、遺伝子の発現を行う。これにより、新しいファージの子孫が形成され、最終的に宿主細胞を溶解(破裂)させて放出させるか、押し出しによって放出させる。(ii)溶菌サイクル: 溶菌サイクルとは逆に、ファージはその遺伝物質を宿主の染色体に組み込む。この統合により、ファージは細胞分裂の際に宿主細胞のDNAとともに複製される。

ファージの核酸の種類によって、二本鎖(ds)DNA(ミオウイルス科、シホウイルス科、ポドウイルス科)、一本鎖(ss)DNA(ミクロウイルス科、イノウイルス科)、dsRNA(シストウイルス科)、ssRNA(レビウイルス科)に分類され、95%以上がdsDNAファージである。また、ファージのゲノムサイズは約3.5kbから約540kbである(Sausset et al. さらに、ファージは、エンベロープや尾部の有無などのカプシド形態に基づいて分類される。この分類には3つの主要なタイプが含まれる:正多面体の頭部と、外側の鞘と尾部フィラメントと尾部ピンからなる基部を持つ中空の針状構造からなる複雑な尾部を特徴とする尾部ファージ、核酸を内包するタンパク質サブユニット(カプシド)が規則正しく配列した外形を持つ正多面体形状を特徴とする尾部なしファージ、および直線的な形状で明確な頭部構造を持たず、代わりに殻粒からなるコイル構造を持つことで区別される糸状ファージである(Feyereisen et al、 2019).

3 ファージ同定の現在の課題
歴史的に、腸内細菌叢内のファージオームに関する研究は、主に当時利用可能だった研究ツールの限界により、制約を受けてきた。これらのツールには、透過型電子顕微鏡(TEM)、走査型電子顕微鏡(SEM)、エピタキシャル蛍光顕微鏡(EFM)などの高度な顕微鏡技術を用いたウイルス様粒子(VLP)の直接観察や計数が含まれていた。さらに、特定の宿主株に感染する個々のファージの単離は、培養法で行うのが一般的であった(Baiら、2022年)。これらの顕微鏡法はウイルスの形態の多様性を明らかにするのに役立ってきたが、ヒトの糞便、盲腸内容物、大腸粘膜に存在するバクテリオファージの総数を正確に定量化するのにはあまり効果がなかった。

ファージが同定されて以来、ファージのスクリーニングと定量化には培養ベースの方法が採用されてきたが、ほとんどの腸内ウイルス(ほとんどがファージ)は宿主に厳密に依存しており、一般的な微生物学的手法では培養できない(Forster et al.) ハイスループットシーケンスとメタゲノム法の開発により、単一の遺伝子配列から腸内細菌叢組成を再構成できるようになった(Wang et al.) 現在、メタゲノム配列決定は腸内細菌叢研究のゴールドスタンダードとなっている。また、メタゲノム配列から種や亜種レベルの情報まで抽出するための計算機的アプローチも適用され、分類学的レベルの細菌組成の特徴付けが可能となっている(Scholz et al.) とはいえ、メタゲノムシーケンスデータからのファージの断片アセンブリー性能は細菌ほど頑健ではないため、ファージのアセンブリー配列は多数の短い断片として存在し、同定を困難にしている(Rozov et al.) この問題に対処するには、主に2つの戦略がある。第一の戦略は、サンプルに濃縮されたビロームから全ゲノムを抽出することである。これは、ろ過、遠心分離、酵素反応によってウイルス粒子を精製し、すべての細胞と遊離浮遊核酸を除去することで達成できる(Conceição-Neto et al.)

最初に、宿主細菌を生物学的サンプルから分離・培養し、それを感受性株と混合して液体培地で培養する。ファージは増殖し、かなりの量が放出される。その後、培養液を遠心分離して上清を分離し、これを軟寒天培地で感受性の細菌と混合し、寒天培地上に均一に広げる。ファージが存在すると、培地表面の細菌はファージの活性により溶解を受け、ファージプラークと呼ばれる透明で無菌の円形の空洞ができる。ファージプラークを一つ選び、希釈し、二重プレート上で培養する。ファージプラークの増殖後、別のシングルプラークを選び、希釈と培養を5-6回繰り返し、ファージを精製する。プレート上で増殖したファージ・プラークの形態が均一であることが、ファージ精製の基準となる。十分な量のファージ粒子を得るため、あるいは十分な量のファージDNAを抽出するため、液体培地を用いてファージを濃縮する(Yuら、2015;Luongら、2020)(図2)。

図2
www.frontiersin.org
図2. ファージ研究手法の図解。この図は、ファージの単離と研究に採用されている方法論を示している。まず、腸のサンプルを抽出し、細菌に感受性のある菌株と混合する。この結合した検体は液体培地で培養されるが、これは大量のファージを増殖・放出させるために重要なステップである。この図は、ファージと感受性の高い細菌を綿密に混合したものが、軟寒天培地に組み込まれ、固形寒天培地に重ねられて培養される様子を示している。この段階でのファージとバクテリアの相互作用により、バクテリアのコロニーが溶解し、"ファージプラーク "として知られる特徴的な透明ゾーンが形成される。これらのプラークは、理想的には1つのファージ粒子が1つのプラークを作り出すことができるため、ファージの精製にとって極めて重要である。高度な分析のために、ファージはかなりの数培養され、ファージDNAが抽出される。このDNAはハイスループットシークエンシングを受け、より深い洞察のために包括的なバイオインフォマティクス解析が行われる。さらに、マーカー遺伝子に依存したファージ検出アルゴリズムであるPhiSpyのような計算ツールは、メタゲノムデータセット内でファージを直接同定するのに役立つものとして描かれている。

4 ファージオーム解析におけるバイオインフォマティクスツール
濃縮されたサンプルには宿主情報が欠けているが、濃縮技術には一定レベルの専門知識と経験が必要である。第2の戦略である、メタゲノムデータからファージを直接同定するための計算ツールは、近い将来開発されることが期待されている(Fang et al., 2019)(図2)。ファージを同定するために使用される方法に基づいて、これらのソフトウェアは3つの異なるカテゴリーに分けられる。最初のものは、既知のマーカーファージ遺伝子に依存するものである。例えば、ファージ検出アルゴリズムであるPhiSpyは、ファージタンパク質の長さ、転写鎖の方向性、CGの歪度、ファージ特有の語長の豊富さ、ファージ挿入部位、ファージタンパク質の類似性など、いくつかの特徴に基づいて開発された(Akhter et al.) 第二の方法は、バクテリアのCRISPR/Casシステムに固有のスペーサー配列を利用するものである。Paolaらは、バクテリオファージを効率的に同定する手段として、これらのCRISPR/Cas由来の配列を採用している(Soto-Perezら、2019)。最後に、ディープラーニング・アルゴリズムを用いる3つ目の方法は、"VirFinder "や "MARVEL "といったツールに代表される。"VirFinder "は、組み立てられたメタゲノムデータ中のウイルス配列を同定するためにk-merベースの解析を利用し(Ren et al., 2017)、一方、"MARVEL "はメタゲノムビン内のバクテリオファージ配列を予測する(Amgarten et al.) これらのアプローチにより、複雑なメタゲノミックデータセットからファージ配列を同定することができる(Ren et al.)

5 腸内ファージオームの特徴と構成
約半世紀前、研究者たちは哺乳類の腸に定着する非病原性ウイルス(主にファージ)の豊かで多様なコミュニティを発見した(Donaldson et al.) ここ10年までは、マイクロバイオームの細菌組成が注目されてきた一方で、ヒト腸内ファージの組成や生理的意義については比較的ほとんど知られていなかった。この知識のギャップは、主に利用できるツールや技術的手段が限られていたことに起因する(Clinton et al.) 腸内ビロームの同定には、伝統的な培養ベースの手法と、透過型電子顕微鏡やエピ蛍光顕微鏡などの顕微鏡技術を用いるしかない。しかし、これらの方法はプロファージには適用できない。ハイスループット・ゲノム配列決定の進歩により、ヒト腸内ビロームのユニークな生態学的特徴を探索できるようになった(Zhao et al.)

メタゲノミクスのデータセットから、ファージはヒトの腸内に宿主細菌に匹敵するレベルで存在することが示されている(Looft et al.) 腸内には多様なバクテリオファージコミュニティが存在し、そのほとんどが各個人に固有であり、ほとんど解明されていない(Tetz et al.) 現在では、腸内ファージ群は主にDNAファージから構成されており、主にCaudovirales(dsDNAウイルス)、次いでMicroviridae(ssDNAウイルス)であることが知られている(Cao et al.) 本研究で同定された腸内ファージの中で最も世界的に分布しているのはcrAssphageであり、バクテロイデスに感染し、ヒトの腸内で安定したコロナイザーであるという仮説が立てられている(Dutilh et al.、2014;Koonin and Yutin、2020)。ファージに関する研究が限られていることを考慮すると、「コアファージオーム」の存在には疑問が残る。しかし、健康な個体では長期にわたって同じファージが保存される傾向があり、腸内ビロームの約90%を占めている(Minot et al.)

腸内のさまざまな領域におけるファージの存在量は重要であり、食事の影響、特定の細菌の存在、腸の健康状態、疾患の状態によって変化する。この存在量は変動しやすいため、正確なレベルを把握するためには標的を絞ったメタゲノム研究が必要となる。文献的には、ファージが腸内生態系にかなり存在し、潜在的な影響を及ぼしていることが認められている。腸の生理的特徴により、微生物群集とバクテリオファージは異なる。例えば、近位腸は乳酸桿菌科や腸内細菌科などの細菌ファミリーを育む微好気性環境を示すが、遠位腸は嫌気性であるためバクテロイデス科、プレボテラ科、ルミノコッカス科などが繁殖する(Donaldson et al.) この環境勾配はファージの分布と存在量に影響を与えると考えられ、霊長類とブタのモデルから得られた経験的証拠は、消化管内のファージの存在量と組成が部位によって異なることを示している(Looftら、2014;Zhaoら、2019;Clintonら、2022)。ファージ集団はまた、腸の粘液層を通して断面的に変化しており、これは免疫系にさらなる影響を及ぼす可能性がある(Tetz et al.、2017)。

病態は、腸内マイクロバイオーム内に存在するファージの量と種類の両方を変化させる可能性がある。病気によるマイクロバイオームの変化は、感染に利用可能な宿主細菌に応じて、ファージの個体数の変化を促す可能性がある。病気は腸内細菌の多様性を減少させ、それに伴ってファージの多様性も減少する可能性がある。逆に、糖尿病のようないくつかの疾患では、大腸菌のような特定の細菌の個体数が増加することが観察されており、その結果、関連するファージの数が増加する可能性がある(Tetz et al.) バクテリオファージとその宿主細菌、宿主生物の健康との間の動的な相互作用を理解することは複雑であり、ファージの個体数と宿主の健康の両方への影響を考慮すると、現在集中的に研究されている課題である。

さらに、ファージによる腸内細菌(特にヒトの健康において保護的な役割を持つ細菌)の捕食は、腸内細菌異常症や疾患の一因となる可能性がある(Diard et al. しかしながら、ファージは侵入細菌の個体数を制御し、腸管バリア機能の完全性を維持する上で重要な役割も果たしている(Barr et al.) 逆に、腸内ファージ個体群の増加は腸の透過性に直接影響を及ぼし、細菌や細菌産物が血流に移行して慢性炎症反応を悪化させる可能性がある(Tetz et al.) このように、ファージが腸の健康に与える正確な影響は、依然として微妙なバランスを保っており、治療への応用の可能性についてはさらなる解明が必要である。

6 ファージと細菌の相互作用
腸内細菌叢と同様に、腸内ファージオームの組成や機能の変動は宿主の健康に影響を与える。ファージが腸内細菌叢の生態系に与える影響に関するデータは増えつつあるが、まだ理解が不十分である(Zhang et al.) ファージが単に微生物叢組成の変化に反応するだけなのか、それとも積極的に腸内生態系内の細菌動態を形成しているのかを明らかにすることが不可欠である。多くの環境生態系では、ファージの動態は「勝者を殺す」理論に従っており、バクテリオファージは最も急速に増加している宿主集団で増殖する。宿主集団が減少すると、バクテリオファージの複製は支持されなくなり、ファージ数の増加は止まる。したがって、微生物の多様性は維持され、特定の種が生態系を支配することはない(Thingstad, 2000)。しかし、腸内におけるファージと細菌の相互作用については、「勝者を殺す」ダイナミクスは報告されていない(Reyes et al.) 結局のところ、ファージとバクテリアの相互作用は、細胞の空間的位置と生理的状態によって決まる。例えば、大腸菌は通常、大腸の内腔では栄養不足で増殖しないが、腸粘膜の粘液層では代謝が活発である。実際、前者の場所にいる大腸菌株はファージの標的にはなりにくい(Chibani-Chennoufi et al.)

大半のファージは細菌株と種特異的に相互作用する。ファージと宿主細菌の関係には、相互利用が含まれている可能性がある。腸内ファージは通常、宿主を助けるか殺すかのどちらかであり、この均衡は時間とともに急速に変化する。一方、ファージの生存も宿主細菌に依存している。さらに詳しく説明すると、腸内ファージは溶菌型と溶菌型に分類することができ、それぞれが宿主細菌との相互作用において異なる役割を果たしている。

7 溶原性ファージが宿主の腸内細菌にもたらす利益
ヒトの腸内で発見されたファージの大部分はプロファージであり、典型的な「温和な」挙動を示し、その組成は宿主の一生の間安定している(Kim and Bae, 2018)。ゲノム断片の再配列は相同組換えの結果として腸内細菌叢で起こり、プロファージはそのアンカーポイントとして機能する(Nakagawa et al.) ファージの挿入は細菌の遺伝子を破壊し、遺伝子の機能を抑制する可能性がある(Lam et al.) さらにプロファージは、宿主細菌が環境ニッチを拡大し、優位に立てるようにする適性増強遺伝子もコードしている。これらの適性増強遺伝子は生活環にとって重要ではなく、ファージによって大きく異なる。細菌集団におけるファージの捕食と溶原性形質転換が、遺伝子の水平移動と細菌量の調節に重要な役割を果たしていることはよく知られている。膨大な証拠が、ファージが細菌細胞に利益をもたらす遺伝的多様性を付与できることを示している(Leigh, 2019; Wahl et al.)

志賀毒素やいくつかの抗生物質耐性遺伝子のように、ファージによる毒素や抗生物質耐性の遺伝子の導入はよく知られている(Brüssowら、2004;Johnsonら、2022)。遺伝子をコードするプロファージは、競合を減らすために近縁の菌株を溶菌することができる(「kill-the-relatives」)(Fortier and Sekulovic, 2013)。その上、腸内ファージオームの進化の過程で、安定的に保存されている遺伝子が発見され、糖質の輸送や分解などのエネルギー収集に関与している(Markine-Goriaynoffら、2004;Minotら、2011)。エネルギー収集遺伝子を含むこれらのファージは、宿主ゲノムに存在する場合、ヒトの腸内細菌叢や代謝を調節する可能性がある(Reyes et al.) プロファージの誘導は、感染初期には低い細胞密度でビブリオ・ウナギのバイオフィルム形成を促進する一方、感染後期には菌数の増加を促進することが以前に報告されている(Tan et al.、2020)。ファージの結合を阻止するためにリポ多糖(LPS)を変化させたり(Krylov et al., 2013)、ファージの超感染を阻止するためにO-抗原を変化させたり(Perry et al., 2009)する。最後に、菌株特異的に細菌の運動性に影響を与え(Tsaoら、2018)、宿主細菌の病原性を活性化または抑制する遺伝子を含む多数のファージが同定されている(Gongら、2024)。

8 溶菌性ファージの腸内細菌叢への影響
溶原性に加えて、ファージは標的微生物を枯渇させることで腸内細菌叢に直接影響を与えることができる。変異原や消化管内の炎症など、いくつかの環境ストレッサーはプロファージの放出を促進する可能性がある(Górski et al.) ファージは、その尾部を標的細菌の細胞壁に吸着させることで、標的細菌にウイルス遺伝物質を注入する。ウイルス遺伝物質は宿主細菌を利用してDNA複製とタンパク質合成を行い、集合体化によって子孫ファージを生成する。子孫ファージが成熟すると、宿主細菌の細胞壁のペプチドグリカン層がファージの溶菌タンパク質(エンドリジン)の作用によって大量に分解され、細菌が溶解して子孫ファージが放出される(Crielら、2021;Emenchetaら、2023)。標的細菌に感染した後、ファージは急速に数百の子孫ファージを生成し、各子孫ファージは周囲の標的細菌に感染して数百の子孫ファージを生成する、ということを数回繰り返すことができるため、多数の標的細菌が死滅し、腸内細菌叢に影響を及ぼす可能性がある。バクテリオファージ(ファージ)はしばしば宿主細菌の特殊な捕食者として説明され、ファージの捕食は細菌集団の密度と分布を制御する大きな力のひとつである(Shkoporov et al.) ファージの捕食は、対応する感受性細菌に直接影響し、マウスモデルで報告された他の非標的細菌種にも連鎖的な影響を及ぼす。本研究において著者らは、広範な代謝プロファイルを用いて、ファージ捕食による細菌組成の変化が腸内メタボロームにも変調をきたすことを実証した(Hsu et al.) これらの知見は哺乳類宿主に示唆を与え、治療目的でのファージの応用につながる可能性がある。腸の不明確な細菌保護機構と宿主の抗ファージ機構の急速な進化のおかげで、ファージは宿主細菌種をほとんど完全に根絶することができないことは注目に値する。したがって、ファージによって引き起こされる腸内細菌叢組成の変動は、種レベルでは一過性であると予想される(Nanda et al.) この現象は、微生物群集形成がより安定したシステムであること、そしてファージの捕食が細菌群集の安定性を高める上で有益であることを間接的に示唆している。ファージは、その特異的な細菌拮抗物質としての機能から、腸内細菌叢を合理的に調整するための最有力候補と考えられている。ファージによる腸内細菌株の欠失はいくつかの方法で試みられているが、この生物学的技術の有効性はまだ結論が出ていない(Sarkerら、2016;Gundersenら、2023)。腸内細菌叢を制御するファージの能力は大きな可能性を示しているが、現在の微生物の複雑さによって知見は制限されている(Reyesら、2013)。その可能性にもかかわらず、ファージを用いた腸内マイクロバイオームの効果的な調節については、さらなる調査と実験的証拠が必要である。

9 腸内におけるファージ動態と免疫相互作用
ファージと細菌の関係は捕食者と被食者の関係であることから、腸内細菌叢の変化がファージの組成に影響を及ぼすと考えられがちである。しかし、Maらは、糖尿病患者の腸内のファージ数が健常対照群よりも有意に多いことを発見し、さらに解析を進めた結果、腸内細菌とファージの間に複雑な関係のネットワークがあることを明らかにした。腸内ファージオームの変化は、変化した細菌宿主との共変化だけでは説明できない(Ma et al.) 以前は、ファージは腸内マイクロバイオームを介して間接的にヒトの免疫に影響を与えるだけの傍観者とみなされていた。しかし現在では、ファージが宿主免疫系と直接相互作用しうることが明らかになっている(Popescu et al.) ファージと哺乳類細胞との直接的な相互作用は、通常、宿主の炎症性免疫応答や抗ウイルス性免疫応答を誘導する。これは、ファージの内在化と哺乳類細胞によるレセプター認識によって直接起こる可能性がある。ファージは宿主細胞に積極的に取り込まれ、保存されたウイルス検出レセプターを活性化し、炎症性サイトカインの分泌と適応免疫プログラムの動員を引き起こす(Champagne-Jorgensenら、2023)。ゲノムDNAやRNA、タンパク質カプシド、リポ多糖(LPS)などの残留細菌産物など、ファージ粒子全体やその構成成分の存在は、哺乳類の免疫応答を直接刺激することがある(Wahidaら、2021年)。Gogokhiaらは、無菌マウスをファージで処理すると、腸内の免疫細胞が増幅することを発見した。ファージレベルの上昇は、大腸炎における腸の炎症を悪化させ、TLR9受容体を介したファージ特異的および非特異的IFN-γ媒介免疫応答の活性化によって媒介される。ファージは宿主細菌の関与なしに、哺乳類の免疫を直接活性化することができる(Gogokhia et al.) さらに、ファージはその外殻タンパク質を用いて腸粘膜に付着すると、生体バリアとして細菌の増殖を直接阻害することもできる。これらのファージは、粘膜に侵入した病原性細菌の排除を助ける可能性がある(Gliźniewicz et al.)

10 結論と今後の展望
ファージオームは、腸内細菌叢の組成と機能を様々な方法で変化させることができる。抗生物質遺伝子、病原性遺伝子、エネルギー遺伝子などのフィットネス遺伝子を含む溶原性転換は、宿主細菌に対するプロファージの寄与を最も決定付ける可能性がある。これらの適性遺伝子、ファージの挿入による遺伝子の不活性化、遺伝子の再配列は共に、腸内細菌叢における宿主細菌の存在量に影響を与える。注目すべきは、溶菌性ファージが腸内細菌叢における選択圧として作用し、標的種の数を減らすことで微生物叢の構造や代謝を調節していることである。腸内細菌叢から自律的に機能するバクテリオファージの増殖性を支配するメカニズムをさらに解明することは、宿主の免疫学的防御機構への明確な影響を評価することと並んで、不可欠である。

この10年間で、メタゲノミクスの進歩は、腸内細菌叢のウイルス成分の組成と動態に光を当ててきた。実際、ハイスループットシーケンスと新しいアセンブリー法によって、新しいファージの記述と同定が可能になった。これらの手法により、ビロームの構成は非常に多様であり、個体間で共有されている腸内ファージはごく一部であることが明らかになった。このような腸内ファージオームの新しい分類と統一基準は、腸内マイクロバイオームにおけるファージの役割を理解する上で不可欠であり、確立される必要がある。さらに、腸内ファージの同定率の低さと、腸内細菌叢の安定性に寄与する要因の包括的な理解の欠如は、腸内細菌叢の特徴を明らかにする上で最大の障害の2つである。ファージのライフサイクルは、腸内細菌叢の形成におけるファージの役割の可能性を決定することを困難にしている。最初の2つの課題は、研究の増加や配列決定・解析技術の進歩によって徐々に解決されつつある。しかし、細菌の溶菌感染または溶原性感染における変換と微生物叢への影響に関する革新的なアイデアが、現在必要とされている。

著者貢献
XiaY:執筆-原案、執筆-校閲・編集。LC:執筆-校閲・編集。XinY:執筆-校閲・編集。BL:執筆-校閲・編集。XuL:執筆-校閲・編集。XiL: 執筆-校閲・編集。ZL: 執筆-校閲・編集。XK: 執筆-校閲・編集。

資金援助
著者は、本論文の研究、執筆、および/または発表のために財政的支援を受けたことを表明する。本研究は、中国国家自然科学基金(NSFC):82202569、山西省基礎研究プログラムプロジェクト:20210302124635、中国医学科学院非営利中央研究院基金:2020-PT320-005の支援を受けた。

謝辞
本論文の質を著しく向上させたYiwei Shi教授の洞察に満ちた議論に心から感謝する。

利益相反
著者らは、本研究が利益相反の可能性があると解釈されるような商業的または金銭的関係がない状態で実施されたことを宣言する。

発行者注
本論文で表明された主張はすべて著者個人のものであり、必ずしも所属団体や出版社、編集者、査読者の主張を代表するものではない。本記事で評価される可能性のあるいかなる製品、またはその製造元が主張する可能性のあるいかなる主張も、出版社によって保証または支持されるものではない。

参考文献
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受理された: 2024年1月31日; 受理済み: 2024年3月11日;
発行:2024年3月22日

編集者

ユン・ヒョンジン、アジュ大学、大韓民国
査読者

Dong Yang, 天津環境医学研究所, 中国
Copyright © 2024 Yu, Cheng, Yi, Li, Liu, Liu and Kong. これはクリエイティブ・コモンズ表示ライセンス(CC BY)の条件の下で配布されるオープンアクセス論文です。原著者および著作権者のクレジットを明記し、学術的に認められている慣行に従って本誌の原著を引用することを条件に、他のフォーラムでの使用、配布、複製を許可する。これらの条件に従わない使用、配布、複製は許可されない。

*通信: Zhihong Liu, liuzhdoc@163.com; Xiaomei Kong, kongxm@sxmu.edu.cn.

これらの著者はこの研究に等しく貢献している。

免責事項:本論文で表明されたすべての主張は、あくまでも著者のものであり、必ずしも所属団体や出版社、編集者、査読者の主張を代表するものではない。本記事で評価される可能性のあるいかなる製品、またはその製造元が主張する可能性のある主張も、出版社によって保証または支持されるものではない。

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