マイクロバイオームの多様性は、栄養ブロックによって病原体から身を守る

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サイエンスサイエンス

VOL. 382, NO. 6676
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研究論文
マイクロバイオータ
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マイクロバイオームの多様性は、栄養ブロックによって病原体から身を守る

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3502

FRANCES SPRAGGE HTTPS://ORCID.ORG/0009-0009-9763-7158, ERIK BAKKEREN HTTPS://ORCID.ORG/0000-0001-7970-7890, [...], AND KEVIN R. FOSTER HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-4687-6633 +6著者情報・所属機関
サイエンス
2023年12月15日
382巻 6676号
DOI: 10.1126/science.adj3502

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微生物叢は、コロニー形成抵抗性（colonization resistance）と呼ばれるプロセスで病原性種を排除することにより、宿主防御において重要な役割を果たしている。この性質はとらえどころがなく、1つまたは2つの生物種だけで備わっているわけではない。Spraggeらは、コロニー形成抵抗性は、大腸菌のような重要な菌種に支えられた多様な細菌群集の高次効果であることを発見した（Radlinski and Bäumlerによる展望を参照）。In vitroおよびin vivoの実験から、適切な組成が与えられれば、多様な微生物叢が、侵入してきた種が宿主内で増殖し定着するのに必要な栄養素を集団的に消費することが示された。共生微生物群が病原体と同じ（あるいは類似の）タンパク質の多くをコードしていれば、より優れたコロニー形成抵抗性を発揮し、宿主に健康上の利益をもたらす可能性があるため、コロニー形成抵抗性は予測可能である。-キャロライン・アッシュ
構造化アブストラクト
はじめに
腸内細菌叢と総称されるヒトの腸内に生息する多様な細菌種は、重要な健康利益をもたらす。その重要な恩恵のひとつがコロニー形成抵抗性、すなわち疾病の引き金となる病原体による腸内コロニー形成を制限する能力である。コロニー形成抵抗性をもたらす微生物叢の能力には複数のメカニズムが影響することが判明しているが、これらのメカニズムはしばしば文脈特異的であり、特定の菌株や菌種に依存している。その結果、どのような微生物叢が病原体を防御し、どのような微生物叢が病原体のコロニー形成を許容するかを予測する一般的な原則が欠如している。
理由
我々は、2つの重要な細菌病原体である肺炎桿菌（Klebsiella pneumoniae）と腸チフス菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium）に対するヒト腸内共生細菌のコロニー形成抵抗性を、生態学的アプローチを用いて研究した。我々は、共生細菌がもたらすコロニー形成抵抗性を、単独で、あるいは多様性を増した組み合わせで研究し、コロニー形成抵抗性の根底にある一般的なパターンを明らかにした。
結果
ヒト腸内共生細菌100個体について、K. pneumoniaeおよびS. Typhimuriumをそれぞれ単独で培養し、コロニー形成抵抗性を示す共生細菌をランク付けした。しかし、最も優れた共生種であっても、病原体に対する防御力は限られていた。対照的に、種を組み合わせて50種までの多様なコミュニティにすると、病原体の増殖が大幅に制限されるケースが見つかった。同じパターンは、無菌マウスにこれらの群集の一部をコロニー形成させ、病原体と接触させた場合にも観察された。したがって、コロニー形成抵抗性には生態学的多様性が重要であるが、同時に群集組成も重要であることがわかった。in vitroでもin vivoでも、コロニー形成抵抗性は特定の生物種が存在することによって決まるが、これらの生物種は単独ではほとんど防御効果を示さないことがわかった。このようなパターンは、病原体が必要とする栄養素を消費することで、病原体の増殖を阻止する群集の能力から説明することができた。栄養塩の遮断は、多様性と、ある生物群集と病原菌の栄養塩利用の重複を増加させる特定の重要な種の存在によって促進される。その結果、病原体に近縁の重要な種を含めることで、より高度な代謝の重複が可能になるため、生物群集を保護することができる。しかし、これだけでは十分ではない。栄養阻害、ひいてはコロニー形成抵抗性を確実にするためには、さらに多くの遠縁種が必要であることがわかった。最後に、栄養ブロッキングの原理を用いて、新しい標的株である抗菌薬耐性大腸菌臨床分離株について、より防御的なコミュニティと防御的でないコミュニティをインシリコで予測した。次に、これらの群集のコロニー形成抵抗性を実験的に検証した。この研究により、代謝的重複の表現型的尺度だけでなく、ゲノム的重複のより一般的な尺度の両方を用いて、多数の可能な組み合わせから防御的コミュニティを同定できることが明らかになった。
結論
我々の結果は、より多様なマイクロバイオームが健康に有益であり、特に病原体のコロニー形成に対する防御能を向上させるという考えを支持するものである。また、コロニー形成抵抗性はマイクロバイオームコミュニティの集団的特性であり、言い換えれば、単一の菌株が他の菌株と組み合わさって初めて防御力を発揮することもわかった。重要なことは、マイクロバイオームの多様性が高まると病原体に対する防御の可能性が高まるが、コミュニティと病原体との栄養利用プロファイルの重複が鍵となることである。我々の研究は、病原体から身を守るためにマイクロバイオームの構成を最適化する方法を示唆している。

マイクロバイオームの多様性は、栄養ブロックによって病原体から身を守る。
病原体（赤色）は、栄養利用プロファイルにおいてコミュニティ（黄色と緑色の細菌）と重なるとコロニー形成に失敗する（栄養ニッチは色のついた丸で示されている）。マイクロバイオームの多様性が高まると、異なる栄養素が消費される確率が高くなり、病原体の増殖が阻害され、コロニー形成抵抗性が向上する。
概要
ヒトの腸内細菌叢は、病原体による宿主のコロニー形成に抵抗する上で重要な役割を担っているが、どのような叢が宿主を保護するのかを予測する能力が不足している。我々は、ヒトの腸内細菌が2つの主要な細菌性病原体のコロニー形成にどのような影響を及ぼすかを、in vitroと同胞マウスの両方で研究した。その結果、単一菌種単独ではほとんど影響を及ぼさなかったが、群集の多様性によってコロニー形成抵抗性が大幅に増加した。さらに、このような群集レベルの抵抗性は、特定の種が存在することが決定的に重要であった。このような生態学的パターンを、病原体が利用する栄養素と重複する栄養素を消費する抵抗性群集の集団的能力によって説明した。さらに、この知見を応用して、新規の標的株に抵抗する群集を予測することに成功した。我々の研究は、マイクロバイオームの多様性が有益である理由を提供し、病原体抵抗性コミュニティを合理的にデザインするためのルートを示唆している。
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参考文献および注釈
1
M. T. Sorbara, E. G. Pamer, コロニー形成抵抗性の細菌間メカニズムとそれを克服するために病原体が用いる戦略. Mucosal Immunol.12, 1-9 (2019).
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A. ヤコブソン、L.ラム、M.ラジェンドラム、F.タンブリーニ、J.ハニーカット、T.ファム、W.ヴァントレン、K.プルス、S.R.ステーラー、K.ルーゴ、D.M.ブーリー、J.G.ヴィルチェス-ムーア、M.スミス、J.L.ソネンバーグ、A.S.バット、K.C.ホアン、D.モナック、腸内常在菌が産生する代謝産物がサルモネラ菌感染に対するコロニー化耐性を媒介する。Cell Host Microbe24, 296-307.e7 (2018).
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3
E. M. Velazquez, H. Nguyen, K. T. Heasley, C. H. Saechao, L. M. Gil, A. W. L. Rogers, B. M. Miller, M. R. Rolston, C. A. Lopez, Y. Litvak, M. J. Liou, F. Faber, D. N. Bronner、C. R. Tiffany、M. X. Byndloss、A. J. Byndloss、A. J. Bäumler、Endogenous Enterobacteriaceae underlie variation in susceptibility to Salmonella infection. Nat. Microbiol.4, 1057-1064 (2019).
クロスリファレンス
PUBMED
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4
S. Y. Wotzka、M. Kreuzer、L. Maier、M. Arnoldini、B. D. Nguyen、A. O. Brachmann、D. L. Berthold、M. Zünd、A. Hausmann、E. Bakkeren、D. Hoces、E. Gül、M. Beutler、T. Dolowschiak、M. Zimmermann、T. Fuhrer、K. Moor、U. Beutler、T. Dolowschiak、M. Zimmermann、T. Fuhrer、K. Moor、U. Sauer、A. Typas、J. Piel、M. Diard、A. J. Macpherson、B. Stecher、S. Sunagawa、E. Slack、W. D. 大腸菌がサルモネラ・チフスムリウム感染を制限するのは、マウスの食餌シフトと脂肪を介した微生物叢の摂動後である。Nat. Microbiol.4, 2164-2174 (2019).
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