誰が誰に話しかけているのか：幼少期におけるマイクロバイオームと腸管神経系の相互作用
誰が誰に話しかけているのか：幼少期におけるマイクロバイオームと腸管神経系の相互作用
ジュリア・ガンツ、エリアン・M・ラトクリフ
オンライン公開:28 FEB 2023https://doi.org/10.1152/ajpgi.00166.2022
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概要
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腸管神経系（ENS）は、消化管に内在する神経系であり、運動、栄養摂取、免疫反応などの重要な消化管機能を制御している。ENS の発達は器官形成の初期に始まり、摂食が始まると発達を続け、成人になるまで可塑性を維持する。腸内細菌叢とENSが重要な時期に相互作用し、正常な発達と潜在的な疾患発症に影響を及ぼすという認識が広まってきている。本総説では、マウスとゼブラフィッシュのモデル系から得られた知見に焦点を当て、それぞれのモデルがENSとマイクロバイオームの間の双方向コミュニケーションの解明にどのように役立つかを比較対照する。最後に、ヒトの疾患への影響についてさらに概説し、この分野を前進させることができる研究革新にハイライトを当てる。
はじめに
消化管（GI）の恒常性は、運動、感覚、分泌、吸収、および免疫系とのコミュニケーションにおける腸管神経系（ENS）の統合的な作用に依存している。腸管神経系の発達は、器官形成の初期に始まり、摂食が始まると発達を続け、成体になっても可塑性が続いている。腸内細菌叢とENSが重要な時期に相互作用し、正常な発達と潜在的な疾患発症に影響を及ぼすという認識が広まってきている。本総説では、ENSとマイクロバイオームの双方向コミュニケーションに関する我々の発展的理解における動物モデルシステムからの知見に焦点を当て、さらにヒト疾患への影響とこの分野をリードする研究革新の概要を述べる。
モデルシステムにおける腸内細菌の発達
モデルシステムは、宿主と微生物叢の相互作用における新しい仮説と潜在的なメカニズムを調査するための強力な手段を提供する。マウス・げっ歯類モデルは生物医学研究において一般的に使用されているが、すべての知見が必ずしもヒトに転用できるわけではないため、基礎科学と臨床的意義の両方における進歩は、様々なモデル系を探索することによってさらに豊かになる。本節では、マウスとゼブラフィッシュの発生から得られた視点を紹介する。
マウスとゼブラフィッシュのENSの発生は、前駆細胞の移動、増殖、分化の3つの段階に分けて考えることができる（図1）。マウスでは、ENSは神経堤に由来する(1)。消化管に移動する腸管神経堤由来細胞 (ENCC) は、迷走神経堤、三叉神経堤、仙骨軸レベルで神経堤から剥離する。ENCCの大部分は迷走神経堤からやってきて、腸全体をコロニーとして形成する(2)。ENCCの大部分は迷走神経堤から発生し、腸管全体を覆うが、仙骨堤から発生するENCCの大部分は腰腸管のみを覆う(2-5)、仙骨堤は食道全体を覆う(6)。ENCCに加えて、シュワン細胞前駆体の集団が同定されており、これらは外来神経とともに尾側腸管中部に入り、生後の神経新生を継続しながら、大腸ENSの約5分の1のニューロンを生み出す(7)。ゼブラフィッシュでは、ENSは、発達中の耳の後方に位置する迷走神経堤の一部に由来しており、ENSを生じさせる迷走神経堤の特定の部分は、まだ発見されていない（8-10）。迷走神経堤に由来する細胞は、後脳から腹側へ移動し、発達中の消化管に向かいます。腸管前部に到達した腸管前駆細胞（EPC）は、その後、両側性の流れで移動し、腸の末端部に到達する(8-11)。また、ゼブラフィッシュでは、シュワン細胞前駆体と思われる体幹堤由来の神経堤幹細胞が、胚発生後の神経発生に寄与していることが示唆されている（12）。腸管に移動するマウスENCCは、前駆細胞の移動中と腸管に到達した後の両方で、発生年齢の関数として徐々に変化する不均質な集団を構成している(13-17)。ゼブラフィッシュでも同様に、EPCは、移動と増殖の特性だけでなく、分化のプロファイルに基づいて、コロニー形成中に異なる発生状態の前方から後方への勾配を示す(10)。
図1.
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消化管のコロニー形成は、マウスではE9からE15までの数日間（18）、ゼブラフィッシュでは受精後約32時間から66時間（10、19）までの数時間かけて行われる（図1）。この間、GI管は摂食・消化に移行する間に成長を続け、長さがかなり伸びている。マウスENCCが尾部方向へのコロニー形成を継続し、体長の拡大に対応するためには、移動を行いながら増殖を継続する必要がある。腸管に到達した後も増殖する能力があるとしても、腸の完全なコロニー形成を確保するためには、前駆細胞のスタートプールが依然として重要である(20-22)。さらに、ゼブラフィッシュを用いた研究から、EPCの増殖率は場所によって異なり、前腸では分化の開始と同時に増殖率が低下し、腸のより後方では増殖率が高くなることが分かりました（10, 23）。EPCの移動がほぼ完了すると、EPC増殖率は腸の前後長に沿ってより均一になり（10）、EPC増殖が移動の駆動力であるという提案されたモデルと一致する（24）。最終的には、マウスモデルと同様に、発生の後期においても増殖の証拠があり、成人期までEPCが存在し続けることが示唆されている（10, 25）。
EPCの生存と移動に影響を与える様々なシグナル伝達分子と転写因子の中で、ENSの発生に中心的で、マウスとゼブラフィッシュの両方で高度に保存されている3つの制御因子がある：転写因子SOX10、ホメオドメイン転写因子paired-like homeobox 2B (PHOX2B) 、およびRETである。マウスでは、すべての神経堤由来前駆細胞が、神経管から剥離し、消化管への移動を開始する際にSOX10を発現する。SOX10はENCCの生存に必要であり、欠損するとヒトとマウスの両モデルで無ガングリオン症になる(26-28)。また、SOX10の発現は、ENCCを未分化・増殖状態に維持するのに必要であり（29, 30）、腸グリア細胞では発現が継続するが、ENCCがニューロンに分化すると発現が停止される。ゼブラフィッシュでは、SOX10が欠損すると、変異幼虫は腸管ニューロンとGfap陽性の腸管グリアの両方で顕著な欠損を示す(31)。マウスでは、PHOX2Bは腸管間充織に入ったENCCに発現し（32）、ENCCの増殖と生存を促進している（33）。SOX10と同様に、PHOX2Bを欠損させると、腸管無ガングリオン症になる。(28, 33). ゼブラフィッシュでは、phox2bbはEPCで発現し、その後腸管ニューロンで発現し（9, 34）、phox2bbのノックダウンにより、腸管ニューロンの減少から腸管遠位部の完全な無ガングリオンの範囲となる(9)。
SOX10の発現は、マウス(35)とゼブラフィッシュの両モデルにおいて、RETの発現に必要である(9)。RETは、GDNFファミリーのリガンドによって活性化される受容体チロシンキナーゼである。GDNFは、トランスフォーミング成長因子タンパク質の一群で、対応するコアセプターの一群、GFRα1-4と複合体となってRETを活性化する（36, 37）。これらのリガンドは、最初にGFRα1-4コアセプターに結合するが、シグナル伝達は活性化されたRETによって媒介される。マウスでは、迷走神経堤由来の前駆細胞が生存、発達、あるいはその両方を行うには、RETとそのリガンドを優先するGFR-αコレセプターを発現している必要がある。ゼブラフィッシュでは、retと2つの遺伝子重複体gfra1aおよびgfra1bは、腸に向かう移動中のEPCに発現している（38）。RET (39), GFR-α1 (40, 41), またはGDNF (42, 43) を欠損したトランスジェニックマウスでは、食道と胃の近位部より下に腸管ニューロンが存在しない。同様に、retを欠損したゼブラフィッシュのモルファントや突然変異体幼虫では、腸の最前部にいくつかのニューロンが存在する以外、腸のニューロンは基本的に見られない（38, 44）。RET経路はまた、ENCCおよびEPCの移動において顕著な役割を果たす。GDNFは、マウスでは腸管間充織内に、ゼブラフィッシュでは発達中の腸の全長に沿って発現し、生存だけでなくENCCとEPCの化学誘引の因子でもある (38, 45)。
成熟したENSは、多種多様な神経細胞型とグリア細胞から構成されており、マウス (46-50) とゼブラフィッシュ (19, 51, 52) の両方で、形態、免疫組織化学プロファイル、電気生理学的特性に基づいて、ますます区別されてきている。マウスのENCCの分化は、早ければ移動中に始まり、生後間もない時期まで進行している(53)が、思春期(54)や成体期(55)でも可塑性が続いている証拠がある。ゼブラフィッシュでは、神経細胞の分化は、進行中の増殖とEPCの移動と一致している。神経細胞は腸の前方で分化を開始するが、EPCは腸の後方でまだ移動している(10)。神経細胞のサブタイプの割合と多様性は、幼生から成体まで、発生の関数として変化する (10, 51, 52)。ENSの神経細胞とグリア細胞の異なるクラスを生み出すために、神経細胞とグリア細胞の両方を生み出すことができる二重能EPCは、ENCCの発生過程で神経前駆細胞とグリア前駆細胞に分離し、さらに特定の神経細胞とグリアタイプに細分化されるように進行します。最近のsingle-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) 解析では、ENSにおける神経細胞の多様化の新しいモデルとして、分裂後のニューロンが枝の中で分化を続けるというモデルが提案されました（57, 58）。ゼブラフィッシュでは、グリア分化のプロセスはあまりよく知られていませんが、最近の研究では、成体ゼブラフィッシュで腸グリア細胞の集団が同定され、恒常性の間に自己複製増殖と神経細胞分化を行うことが確認されました（25）。
神経細胞前駆体が段階的に系統を制限されながら進化する様子は、古典的には培養技術やトランスジェニックマウスによって明らかにされてきた。しかし、シングルセルRNAシーケンスを腸管神経細胞の多様性の理解に応用することで、腸管神経細胞を転写因子、神経化学マーカー、接着マーカー、その他のシグナル伝達分子の発現パターンに応じて分類する新しい枠組みが明らかにされつつある（57, 59, 60）。さらに、系統の選別は、腸管微小環境におけるENCCとEPCの相互作用によって部分的に媒介される。このように、腸管神経細胞およびグリア細胞前駆体の運命は、内在性および外在性の両因子によって決定される。
腸管の発達に及ぼす微生物叢の影響
出生時、摂食開始時、出生後早期は、消化管の微生物コロニー形成の重要な時期である。ヒトでは、妊娠年齢、母親の食事および曝露、宿主の遺伝、分娩様式、抗生物質の投与、乳児への給餌の種類など、複数の要因が生後早期の腸内細菌叢の構成に影響を与えることが分かっている (61-70) 。ENSと微生物叢の相互作用を研究するためのマウスとゼブラフィッシュのモデルシステムは、無菌（GF）モデルか広域抗生物質の投与のどちらかに主に焦点を当てている。
無菌環境下に存在する無菌（GF）マウスは、宿主と微生物叢の関係を明らかにする上で重要なツールであることが証明されている。GFマウスはしばしば特定病原体フリー（SPF）マウスと比較されるが、SPFマウスは主要な病原体種を含まない複雑な常在菌叢から構成されているため、対照となりうる。新生児GFマウスの研究から、腸内細菌叢がENSの発達に影響を与える可能性が示された（図2）。生後3日目のGFマウスのENSは、SPFマウスと比較して構造的に異常であり、腸管神経叢の格子状の配列の崩壊、神経節あたりの神経密度と神経数の減少、硝子体神経細胞の割合の増加が認められた。興味深いことに、これらの構造変化は、SPF動物に比べ、GFの空腸と回腸で観察されたが、十二指腸では観察されなかった(71)。GF動物にASF（Altered Shaedler Flora）を投与したところ、ENSの正常なパターンが回復した（71）。これらの構造的観察に加え、GFマウスの空腸と回腸の腸管収縮の頻度と振幅が減少し、消化管運動が損なわれていることを示す機能的データも得られた(71)。一方、GFゼブラフィッシュの幼生では、7日目の時点でENSニューロン数に変化は見られなかった(72)。GFゼブラフィッシュ幼生では、腸管通過性は損なわれていないが、GF幼生は腸の長さ方向に、従来の飼育（CV）幼生と比較して速い腸の収縮を示す（73, 74）。ゼブラフィッシュを用いた最近の研究により、特定の細菌株が腸上皮の腸内分泌細胞を介したシグナル伝達によりENS制御の腸管運動を変化させることが示され、微生物叢とENS間のコミュニケーションがENS制御の腸管機能に影響を与えることが明らかになった(75)。この微生物と宿主の相互作用の機構的基盤は、特定の腸内細菌株、病原体Edwardsiella tardaによるトリプトファン異化物の放出を通じて働くことが示されている。このトリプトファン代謝産物は、腸管内分泌細胞の一部で発現しているTrpa1（transient receptor potential ankyrin 1）という特定のチャネルを活性化する。Trpa1を介した腸内分泌細胞の活性化は、腸管神経を活性化し、その結果、腸の運動が変化する。この研究は、微生物と腸の相互作用のメカニズム基盤を明らかにした数少ない例の一つである。しかし、微生物が他の発生段階でのENS神経細胞数、神経細胞サブタイプの構成、あるいは神経支配パターンを変化させるかどうかは、ゼブラフィッシュではまだ検証されていない。
図2.
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GFマウスの研究では、腸管グリア細胞の集団の減少も示されている。グリア細胞も腸管ニューロンと同様に、GI管に定着する神経堤由来の前駆細胞に由来している。この研究では、8週齢のGFマウスではCVマウスに比べて粘膜の腸グリア細胞の平均数と密度が有意に減少していることが判明したが、腸管および粘膜下叢の腸グリアネットワークには影響がなかった(76)。GFマウスを4週齢でconventional化すると、粘膜腸管グリア細胞のネットワークが回復することがわかった(76)。したがって、粘膜腸管グリアが生後、腸管粘膜に侵入して正常なネットワークを形成する能力は、腸内細菌叢の存在に依存すると思われる。
GF動物のENSにおけるこのような早期の異常は、成体まで持続することが示されている。成体GFラットの盲腸の腸管神経叢のパターン形成の不規則性は、1960年代にすでに報告されている(77)。離乳後4週齢のGFマウスでは、大腸の腸管神経叢の神経細胞数が著しく減少していることが判明した(78)。成体GF動物におけるENSのこれらの持続的な変化は、機能障害として現れることがある。例えば、内在性一次求心性ニューロンの興奮性は、SPF対照と比較して成体GFマウスで著しく低下していることが判明しており、腸管ニューロンにおける正常な電気生理学的プロファイルの発現には、常在菌の微生物が必要であることが示唆されている (79).
抗生物質を用いた動物モデルは、腸内細菌叢を枯渇させる単一抗生物質から、より完全に細菌叢を消失させる広域スペクトルカクテルまで多岐にわたっている。新生児モデルでは、マウスは出生から生後10日目までバンコマイシンという単一の抗生物質を経口投与され、その結果、微生物叢が著しく変化したが、まだ存在していた。バンコマイシンを投与したマウスでは、コントロールマウスと比較して、腸管神経叢のニューロン密度の減少、腸管硝子体ニューロンの割合の減少、カルビンディン陽性ニューロンの割合の増加、および大腸運動の増加が認められた(80)。離乳後期（6週齢）の後半にバンコマイシンを投与した場合、ENSの変化のパターンは異なり、腸管コリン作動性ニューロンの割合が減少し、粘膜下コリン作動性ニューロンの割合が増加し、大腸伝搬収縮が遅くなった (81)．3 週齢の幼若マウスに広域抗生物質を投与したモデル系では、腸管硝子体ニューロンの割合の減少、コリン作動性、タキキキニン作動性、硝子体作動性の神経伝達の変化、消化管通過時間の遅延などの ENS の変化が認められた (82)．ENS の構造と機能の変化は、生後 8-12 週の成体動物にも見られる。広域抗生物質の投与により、回腸と近位結腸の粘膜下層と腸管神経叢の両方でニューロンが減少し、回腸の腸管神経叢で腸グリアが減少し、GI通過時間が短縮された (83)．
腸内細菌叢の構成に対するENSの影響
ENS は、すべての重要な腸管機能を制御し、消化管内の免疫細胞と相互作用するため、腸管の恒常性と機能に大きな影響を与える（図 3） (84, 85)。これらの機能には、栄養感知、GI 運動と血流の制御が含まれ、それにより消化、栄養摂取、水分吸収が制御される（図 3）(85, 86)。ENS は、細菌産物が血流に流れ込むのを防ぐ腸管バリア機能に寄与している (87)。ENS はまた、内腔 pH と粘液分泌を調節することにより、腸内腔の化学的環境を維持するためにも重要である (84, 85)。
図3.
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腸の機能を制御するENSの重要な役割から、ENSの発達と機能の変化が、さまざまなヒトの疾患における腸内細菌叢の異常と関連していることは驚くには当たらない。例えば、先天性ENS障害であるヒルシュスプルング病患者は、腸の様々なセグメントでENSニューロンおよびグリアの欠如を特徴とし、微生物叢の異常が見られ、生命を脅かす腸の炎症であるヒルシュスプルング関連腸炎（HAEC）を発症します（88～93年）。腸内細菌叢の変化と関連するENS機能障害のその他の例は、自閉症スペクトラム障害のような神経発達障害から、炎症性腸疾患、糖尿病、およびパーキンソン病のような神経変性疾患にまで及ぶ（94-98）。ENS障害の動物モデルは、ENS機能の変化が微生物叢のコロニー形成と組成に及ぼす影響を解明するのに役立っている（99, 100）。様々なヒルシュスプルング病モデルマウスやゼブラフィッシュでは、ENSニューロンの欠如により、腸内細菌叢の異常と腸の炎症が増加する（89, 100-104）。一つの基本的な疑問は、どのENSが制御する腸の機能が腸内細菌のコロニー形成や組成に重要であるかということである。ゼブラフィッシュモデル系を用いたいくつかの研究により、ENSの機能が腸内細菌叢にどのように影響を与えるかについてのメカニズムが明らかにされている。
ゼブラフィッシュは、ENS の発達と機能が微生物叢のコロニー形成と構成に与える影響を研究するための優れたモデルシステムである (19, 72, 99, 105)。その外形、急速な発達、多数の子孫、透明な幼生、および遺伝学的・発生学的な扱いやすさから、1）ENS の表現型、例えば、ENS ニューロン数および ENS 機能の変化、2）腸の表現型、例えば、運動パターン、腸管通過能力、内腔 pH、3）炎症反応、4）微生物叢組成など様々な表現型の可視化を多数の関連・非関連集団で in vivo に行うことが可能である。ライトシート蛍光顕微鏡のような最小限の破壊的顕微鏡アプローチを用いると、生きた動物で腸管運動パターンと腸管内腔内の細菌の挙動を高解像度で同定することができる（44, 106-109）。ゼブラフィッシュ胚はgnotobiotic技術への適合性が高く、GFを大量に飼育することができる(99, 110, 111)。ゼブラフィッシュの腸の発達は早く、受精後5日目（dpf）ですでにENSと消化管が機能する。そして、ゼブラフィッシュの幼生は、水柱に細菌を加えることによって、特定の細菌種にコロニー化させることができる(99)。重要なことは、ENS の発達の遺伝的基盤がゼブラフィッシュとヒトの間で保存されていることで、ヒトの ENS 障害のゼブラフィッシュモデルを確立することができる (19, 105)。
ゼブラフィッシュの実験的利点を利用することで、ENS が介在する腸の機能が微生物叢のコロニー形成と組成に影響を与えるメカニズムについて、重要な洞察が得られている。ヒルシュスプルング病関連遺伝子retやsox10のゼブラフィッシュ変異体は、腸の運動パターンの変化や内腔pHの変化が腸内細菌叢のコロニー形成や組成に影響を与え、結果として腸の炎症を増加させることを示している（図4）。ゼブラフィッシュのsox10変異体幼虫は、ENSニューロンとグリアを完全に欠いており、その結果、腸の運動パターンと腸管通過に欠陥がある(112, 113)。また、ゼブラフィッシュsox10変異体幼虫は、炎症の増加と関連した細菌の過剰繁殖を示す（112）。sox10変異体の腸内細菌叢をGF野生型幼生に移植すると、ENSが損なわれていない野生型幼生に炎症が誘発されることから、微生物叢の炎症促進作用は伝達性であることがわかった。炎症反応は、特定の細菌株の存在と関連している。好中球の高い蓄積は、ビブリオ属の相対的な存在量の高さと相関している(112)。この炎症反応は、腸のENSニューロンを回復させることで回復することから、ENSの機能は炎症の増加を防ぐのに十分であることが示された(102)。ヒルシュスプルング病の異なるマウスモデルでENSニューロンを回復させると、好中球の数が減少し、基本的に野生型の微生物叢組成を回復させることができた（100）。あるいは、CVゼブラフィッシュsox10変異体にEscherichia種やShewanella株のような抗炎症性細菌種を添加すると腸の炎症が減少した（112）。これは、炎症性細菌種と抗炎症性細菌種の相互作用によって宿主の免疫応答のバランスをとることができることを示唆している。sox10変異体では、腸管透過性と腸管通過性が微生物叢とは無関係に変化しており、炎症の増加に先行して観察された。このことは、微生物による腸内環境の悪化と炎症が、ENSの機能の変化に依存していることを示唆している(74)。ENSを回復させると高炎症表現型が回復したので、次の問題は、どのENSが制御する腸の機能が腸内細菌叢の異常と炎症を引き起こすのかを明らかにすることであった。
図4.
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最近の研究により、内腔pHの低下が、ゼブラフィッシュsox10変異体における炎症の増加と炎症性細菌の豊富さに必要かつ十分であることが示された(74)。内腔のpHはENSによって制御されているが、CVおよびGF sox10変異体ともに低下していることから、pHの変化は微生物叢に依存しているのではなく、ゼブラフィッシュsox10変異体にはENSニューロンおよび/またはグリアがないことに起因していると考えられる。sox10変異体の内腔pHを上昇させると、炎症亢進の表現型が救済されることから、酸性pHが炎症亢進に必要であることが示された。逆に、野生型幼虫の内腔pHを下げると炎症が増加したことから、内腔pHの変化は炎症反応を引き起こすのに十分であることが示された(74)。この研究により、ENSが制御する内腔環境の変化、微生物叢の異常、そして炎症反応の間に直接的な関係があることがわかった（図4、AおよびB）。
内腔pHの変化に加えて、腸管運動も微生物叢のコロニー形成と構成に影響を与えることが示唆されている（図4、C、D）。細菌種は腸に定着する際、その固有の挙動と群集構造に応じて腸内の特定の空間構成に存在する（108）。さらに、宿主環境は、細菌株の挙動や生物地理学的分布に応じて、そのコロニー形成挙動に影響を与える。ゼブラフィッシュにおける特定の細菌株のコロニー形成および競合研究は，腸管運動が腸内細菌叢の構成に与える影響に光を当てている．ゼブラフィッシュの腸に常在している2つの細菌種、Aeromonas veroniiとVibrio choleraeは、宿主の腸の運動パターンに強く影響される競争的相互作用を持っています(106)。それぞれの種は、単体では特徴的で異なる行動や生物地理的な嗜好性を持っている。ビブリオの細胞は運動性が高く、腸の前部に最も多く存在する。一方、Aeromonasは運動性の細胞集団が少ない密な集合体を形成し、主に腸の中部に生息している(106)。Aeromonasの確立された培養物にVibrioの挑戦を受けると、Aeromonasの集団は著しく崩壊して低下する(106)。ゼブラフィッシュの腸内でビブリオに感染させた場合とさせなかった場合のアエロモナスの挙動をin vivoで画像化すると、ビブリオが存在する場合、個体数の崩壊がより頻繁に起こり、より急激で、容易に回復しないことを示している(106)。この競争に宿主はどのような影響を及ぼすのでしょうか？ゼブラフィッシュの腸内で各細菌集団をin vivoでイメージングしたところ、両種は腸の運動によって異なる影響を受けることがわかりました。ビブリオの分布は、基本的に腸に沿った蠕動運動による影響を受けなかった。これは、腸の前部に位置し、運動性が高いという特性によるものと思われる（106）。一方、Aeromonasの個体群は、腸管収縮の影響を強く受けた。アエロモナスは優先的に腸の中部に密集して存在するため、腸の収縮によって押し出され、集団崩壊を引き起こす可能性がある(106)。腸の前部にある少数のニューロンを除いて腸に沿ったENSニューロンを欠くゼブラフィッシュのret突然変異体は、野生型の兄弟と比較して腸の運動パターンの変化、特に腸の運動振幅の減少を示す(44)。また，ゼブラフィッシュのret変異体では，ビブリオがアエロモナスに対抗できないことから，ENSが制御する腸管運動の変化により，両者の競合が中和されることがわかった（図4D）（106）]．
ビブリオとアエロモナスの競合的相互作用は、それぞれの細菌種に特有の特徴によって駆動されている。運動性欠損あるいは走化性欠損のビブリオ変異体は、アエロモナスに対抗する能力を失っている(107)。この変化は、腸内の空間分布の変化によりもたらされる。ビブリオの運動性及び走化性変異体は凝集体を形成し、主に腸の前部に存在する野生型ビブリオとは対照的に、腸のより後部に存在する(107)。この凝集力と生物地理学の変化は、腸管運動による集団構造に大きな影響を与える。野生型のアエロモナスと同様に、凝集したビブリオの運動性や走化性変異体は、腸管収縮による排出を受けるようになる(107)。腸管運動の関連性は、ゼブラフィッシュのret突然変異体において、両方のビブリオ 変異株の存在量と局在が救出されたことによって確認された。そこで本研究では、運動性変異がコロニー形成後にビブリオ菌にのみ誘導されるエレガントな誘導性CRISPR干渉アプローチを用いて、運動性がコロニー形成に必要なのか、あるいはコロニー形成後に腸内に持続的に存在するために必要なのかを検証しています。運動性変異を獲得したビブリオ菌は、コロニー形成後も運動性変異の表現型を示すことから、ビブリオ菌は野生型の腸内ニッチを占めるために遊泳能力を必要とすることがわかった(107)。このことは、ビブリオが野生型の腸管ニッチを確保するためには、これらの機能が不可欠であることを示しています。これらの研究を総合すると、ENSが制御する腸管機能が腸内の微生物叢の存在量や細菌の生物学的分布にどのように影響を与えるかについて、さまざまなメカニズムが明らかになり、ENSの機能が変化した疾患においてこれらがどのように影響を与えるかについて洞察することができる。
今後の方向性
マウスとゼブラフィッシュの両研究をまとめると、微生物叢とENSの相互作用の構成要素を解明する上で、それぞれのモデルシステムの長所が浮き彫りになりました。しかし、研究に共通するテーマは、微生物-ENS相互作用の概念実証データを作成するために、GFモデル、広域抗生物質、選択的細菌株の使用など、より思い切った微生物操作モデルや、無神経節症などの重度のENS異常のモデルを使用することである。将来的には、腸内細菌叢のより微妙な変化が、GI機能に意味のある変化をもたらすかどうかを明らかにすることが重要であろう。例えば、便秘の小児患者を対象とした研究では、健常対照児と比較して糞便微生物叢の組成が変化していることが報告されており（114）、極端でない条件下でも微生物-ENS相互作用がGI機能の変化を引き起こす可能性を示唆しているが、そのメカニズムは未だ解明されていない。同様に、より微細なENSの欠陥が腸内細菌叢および炎症にどのような影響を及ぼすかを明らかにすることは、ENSの組成または機能におけるそれほど深刻ではない変化を伴うENS障害が腸の恒常性および健康にどのように影響するかを示す上で重要であろう。
最近の研究では、仮説の立案や、微生物とENSの相互作用のメカニズムの解明において、より新しい方法論の可能性が強調されている。例えば、核内RNA配列解析（nRNA-seq）を用いてGFマウスとSPFマウスの大腸の核内トランスクリプトームを比較したところ、多くの異なる発現遺伝子が同定され、その後の詳細な調査により、内腔環境からの手がかりを統合する腸管ニューロンのアリールハイドロカーボン（AHR）シグナルの役割も同定された（115）。ゼブラフィッシュでは、CVまたはGFを飼育したゼブラフィッシュ幼生全体（116）またはCV対GF幼生の腸（117）のscRNA-seq研究は、腸内とその先の両方で微生物に関連する転写変化を決定するための素晴らしい追加リソースを提供します。GFとSPFのマウスやゼブラフィッシュの間で発現が異なる遺伝子の豊富なデータセットをさらに探索し、メカニズムに関する仮説をさらに生み出すことは興味深い。特に、微生物と腸管の相互作用の細胞遺伝学的なメカニズムを明らかにする研究はまだ少ないので、これは重要なことです。エピジェネティック修飾遺伝子に変異があると、ENSや腸管上皮の発達が変化し、腸の炎症反応と関連することが分かっている（103, 104）。次のステップとして、高解像度scRNA-seqとクロマチンアクセシビリティアッセイや特定のクロマチン特徴、例えばヒストン修飾の検出などの遺伝子制御領域を特定するアッセイの組み合わせは、微生物-ENS相互作用のメカニズムの根底をなす微生物による転写変化の遺伝子制御基盤を特徴付ける扉を開くことになるであろう。
本総説ではENSに焦点を当てたが、ENSは複雑な微生物叢-腸-脳軸のパズルの1ピースに過ぎない(118, 119)。腸脳軸は、ENSと迷走神経を介した双方向コミュニケーションから成り、マウス (120) とゼブラフィッシュ (75) の両方において正常な消化管ホメオスタシスに不可欠である。腸脳軸の変化は、腸脳相互作用障害の病態生理の基礎を形成することが示されている(121, 122)が、これは早ければ乳児期に現れ、寿命のどの時点でも発生しうる。マイクロバイオータの不足は脳の神経細胞の発達を変化させ、それに伴って行動も変化させる（121, 123-126）ことから、マイクロバイオータ環境が消化管と脳の両方の発達プログラミングに重要であることが注目されている。今後の研究により、微生物叢-腸-脳軸のシグナル伝達における複数のレベルの相互作用における母体および／または初期摂食環境の重要性がより認識されるだけでなく、基礎的なメカニズムや治療介入の可能性がさらに明らかになると期待される。
助成金
この研究は、National Science Foundation CAREER Grant 2143267 (to J.G.)、National Institute of Neurological Disorders and Stroke Grant R21NS123629 (to J.G.), Farncombe Family Digestive Health Research Institute (to E.M.R.) and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (to E.M.R.) からの資金援助により行われたものです。
開示事項
金銭的、非金銭的な利益相反はない。
著者の貢献
J.G. and E.M.R. prepared figures; J.G. and E.M.R. drafted manuscript; J.G. and E.M.R. edited and revised manuscript; J.G. and E.M.R. approved final version of manuscript.J.G.およびE.M.R.は最終版を承認した。
謝辞
図1のデザインはAshwini Pugazhendhiの協力によるものである。図1はBioRenderで作成した。
著者ノート
通信：E. M. Ratcliffe E. M. Ratcliffe (ratcli@mcmaster.ca); J. Ganz (ganz@msu.edu).
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