インサイト - Computational Biology - # 腸内マイクロバイオーム、代謝的独立性、炎症性腸疾患、ストレス応答

ストレス下にあるヒトの腸内マイクロバイオームでは、代謝的に独立性の高い微生物が豊富になる

Q: HMIと他の疾患状態、特に他の炎症性疾患や代謝性疾患との関連性は？

HMI（高代謝独立性）は、IBD（炎症性腸疾患）だけでなく、他の炎症性疾患や代謝性疾患においても重要な役割を果たしている可能性があります。本研究では、IBD患者においてHMIを持つ微生物集団が enrich されていることが示されましたが、これはIBDの特徴である腸内環境のストレスに適応した結果であると考えられます。 他の疾患、例えば、関節リウマチや乾癬などの炎症性疾患、あるいは2型糖尿病や肥満などの代謝性疾患においても、腸内環境のストレスやdysbiosis（腸内細菌叢の乱れ）が報告されています。これらの疾患では、腸内細菌叢の組成や機能の変化が、炎症の促進や代謝調節の異常に関与している可能性が示唆されています。 したがって、HMIを持つ微生物集団は、IBD以外の疾患においても、腸内環境のストレスへの適応機構として enrich され、疾患の病態に関与している可能性があります。今後の研究では、様々な疾患におけるHMIと腸内マイクロバイオームの関連性を詳細に調べることで、疾患の診断や治療への応用が期待されます。 具体的には、以下のような研究が考えられます。 他の炎症性疾患や代謝性疾患の患者 gut microbiome におけるHMIを持つ微生物集団の分析 HMIを持つ微生物集団と宿主の免疫応答や代謝経路との関連性の解明 HMIを標的とした介入による、疾患の予防や治療効果の検証

Q: 腸内マイクロバイオームにおけるHMIを標的とした介入（食事介入や糞便マイクロバイオータ移植など）は、IBDやその他のストレス関連腸疾患の治療に有効だろうか？

腸内マイクロバイオームにおけるHMIを標的とした介入は、IBDやその他のストレス関連腸疾患の治療に有効である可能性があります。 食事介入は、腸内マイクロバイオームの組成や機能に大きな影響を与えることが知られています。HMIを標的とした食事介入、例えば、HMIを持つ微生物の増殖を促進するプレバイオティクスの摂取や、HMIを持つ微生物が代謝しやすい食物繊維の摂取は、腸内環境のストレスを軽減し、疾患の症状を改善する可能性があります。 糞便マイクロバイオータ移植（FMT）は、健康なドナーの糞便から抽出した腸内細菌叢を患者の腸内に移植する治療法です。FMTは、再発性Clostridioides difficile感染症の治療に高い有効性を示しており、IBDなどの他の腸疾患への応用も期待されています。HMIを考慮したFMT、例えば、HMIを持つ微生物が豊富なドナーを選択する、あるいはFMT後にHMIを持つ微生物の増殖を促進する介入を行うことで、より効果的な治療法となる可能性があります。 ただし、HMIを標的とした介入は、まだ研究段階であり、その有効性や安全性を確認するためには、さらなる研究が必要です。特に、HMIを持つ微生物集団は多様であり、疾患や個人の腸内環境によって異なると考えられるため、個別化された介入戦略が必要となる可能性があります。

Q: HMIの概念は、腸内マイクロバイオーム以外の複雑な微生物群集、例えば土壌や海洋環境にも適用できるだろうか？

HMIの概念は、腸内マイクロバイオーム以外の複雑な微生物群集、例えば土壌や海洋環境にも適用できる可能性があります。 土壌や海洋環境は、栄養分の濃度が低く、温度や塩分濃度などの環境変動が大きい、微生物にとってストレスの多い環境です。このような環境では、HMIを持つ微生物は、他の微生物との競争に有利であり、環境ストレスに対する耐性が高いと考えられます。 実際、土壌や海洋環境から、HMIを持つと考えられる微生物が数多く発見されています。例えば、海洋性細菌Prochlorococcusは、光合成に必要な栄養塩を効率的に利用できるHMIを持つことで、貧栄養環境である海洋で優占種となっています。 土壌や海洋環境におけるHMIの役割を理解することは、これらの環境における微生物生態系の維持機構や、環境ストレスに対する応答機構を解明する上で重要です。また、HMIを持つ微生物は、バイオremediationやバイオ燃料生産など、様々な分野への応用が期待されています。 HMIの概念を土壌や海洋環境に適用するためには、それぞれの環境におけるHMIの定義や評価方法を確立する必要があります。例えば、土壌や海洋環境では、腸内環境とは異なる栄養素が重要となるため、HMIを評価する指標として、異なる代謝経路を考慮する必要があるかもしれません。

核心概念

ヒトの腸内マイクロバイオームにおける代謝的独立性の高い（HMI）微生物の濃縮は、炎症性腸疾患（IBD）や抗生物質の使用など、ストレスの多い腸内環境の特徴であり、腸内ストレスの指標となる可能性がある。

要約

ストレス下にあるヒトの腸内マイクロバイオームにおける代謝的独立性の高い微生物の濃縮

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biorxiv.org

引用:
Microbes with higher metabolic independence are enriched in human gut microbiomes under stress
研究目的:
本研究では、ヒトの腸内マイクロバイオームにおける代謝的独立性と、炎症性腸疾患（IBD）などのストレスの多い腸内環境におけるその役割との関連性を調査することを目的とした。
方法:
研究者らは、健康な個人とIBDと診断された個人から得られた400を超える腸内メタゲノムを分析した。彼らは、メタゲノムから微生物の代謝能力を推定し、微生物の多様性の関数として、複雑なメタゲノムにおける微生物代謝の濃縮を定量化するソフトウェアフレームワークを開発した。さらに、ヒトの腸に関連する代表的なゲノムと、健康な個人とIBDと診断された個人におけるそれらの分布を分析した。
主な結果:

HMIは、IBDと診断された個人に関連する微生物群集の際立った特徴であることがわかった。
33個のHMI関連代謝モジュールの正規化されたコピー数を用いて訓練された分類器は、健康状態とIBD状態を区別するだけでなく、抗生物質治療後の腸内マイクロバイオームの回復も追跡した。
代謝的独立性の高い参照ゲノムは、IBD患者の腸内メタゲノムで過剰に表現されていた。
結論:
これらの結果は、ヒトの腸内環境における環境ストレス（炎症、癌、または抗生物質の使用に関連するかどうか）が、代謝的独立性の高い微生物集団の生存と相対的な拡大を促進することを示唆している。HMIは、腸内マイクロバイオームの状態を反映する診断ツールとして、また、IBDやその他の非伝染性ヒト疾患に関連して頻繁に観察される微生物の多様性の減少を説明するための生態学的枠組みを提供する可能性を秘めている。
意義:
この研究は、腸内マイクロバイオームにおけるHMIの役割についての貴重な洞察を提供し、IBDやその他のストレス関連腸疾患の診断と治療のための新しい標的を特定するのに役立つ可能性がある。
限界と今後の研究:
この研究は、IBDの診断前の段階におけるHMIの適用可能性を調査していない。さらなる研究は、HMIと他の疾患状態との関連性、およびHMIを標的とした介入の治療的可能性を調査するために必要である。

統計

健康な個人とIBDと診断された個人から得られた400を超える腸内メタゲノムを分析した。
33個のHMI関連代謝モジュールの正規化されたコピー数を用いて訓練された分類器は、健康状態とIBD状態を区別するだけでなく、抗生物質治療後の腸内マイクロバイオームの回復も追跡した。
HMIゲノムは、非HMIゲノムよりも平均的にかなり大きく（3.8 Mbp 対 2.9 Mbp）、より多くの遺伝子（それぞれ3,634 対 2,633遺伝子）をコードしていた。
HMI参照ゲノムは、非HMIゲノムと比較して、IBDサンプルのかなりの割合に存在していた（p < 1e-5、Wilcoxon順位和検定）。
健康な個人では、HMI集団と非HMI集団の検出は同様であった（p = 0.267、Wilcoxon順位和検定）。
分類器は、IBDと診断された個人のサンプルの76.8％と、健康な個人を表すサンプルの89.5％を正しく識別し、全体的な精度は85.6％、平均AUROCCは0.832であった。

抽出されたキーインサイト

Microbes with higher metabolic independence are enriched in human gut microbiomes under stress

by Veseli,I., C... 場所 www.biorxiv.org 05-15-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.10.540289v3

深掘り質問

HMIと他の疾患状態、特に他の炎症性疾患や代謝性疾患との関連性は？

HMI（高代謝独立性）は、IBD（炎症性腸疾患）だけでなく、他の炎症性疾患や代謝性疾患においても重要な役割を果たしている可能性があります。本研究では、IBD患者においてHMIを持つ微生物集団が enrich されていることが示されましたが、これはIBDの特徴である腸内環境のストレスに適応した結果であると考えられます。
他の疾患、例えば、関節リウマチや乾癬などの炎症性疾患、あるいは2型糖尿病や肥満などの代謝性疾患においても、腸内環境のストレスやdysbiosis（腸内細菌叢の乱れ）が報告されています。これらの疾患では、腸内細菌叢の組成や機能の変化が、炎症の促進や代謝調節の異常に関与している可能性が示唆されています。
したがって、HMIを持つ微生物集団は、IBD以外の疾患においても、腸内環境のストレスへの適応機構として enrich され、疾患の病態に関与している可能性があります。今後の研究では、様々な疾患におけるHMIと腸内マイクロバイオームの関連性を詳細に調べることで、疾患の診断や治療への応用が期待されます。
具体的には、以下のような研究が考えられます。

他の炎症性疾患や代謝性疾患の患者 gut microbiome におけるHMIを持つ微生物集団の分析
HMIを持つ微生物集団と宿主の免疫応答や代謝経路との関連性の解明
HMIを標的とした介入による、疾患の予防や治療効果の検証

腸内マイクロバイオームにおけるHMIを標的とした介入（食事介入や糞便マイクロバイオータ移植など）は、IBDやその他のストレス関連腸疾患の治療に有効だろうか？

腸内マイクロバイオームにおけるHMIを標的とした介入は、IBDやその他のストレス関連腸疾患の治療に有効である可能性があります。
食事介入は、腸内マイクロバイオームの組成や機能に大きな影響を与えることが知られています。HMIを標的とした食事介入、例えば、HMIを持つ微生物の増殖を促進するプレバイオティクスの摂取や、HMIを持つ微生物が代謝しやすい食物繊維の摂取は、腸内環境のストレスを軽減し、疾患の症状を改善する可能性があります。
糞便マイクロバイオータ移植（FMT）は、健康なドナーの糞便から抽出した腸内細菌叢を患者の腸内に移植する治療法です。FMTは、再発性Clostridioides difficile感染症の治療に高い有効性を示しており、IBDなどの他の腸疾患への応用も期待されています。HMIを考慮したFMT、例えば、HMIを持つ微生物が豊富なドナーを選択する、あるいはFMT後にHMIを持つ微生物の増殖を促進する介入を行うことで、より効果的な治療法となる可能性があります。
ただし、HMIを標的とした介入は、まだ研究段階であり、その有効性や安全性を確認するためには、さらなる研究が必要です。特に、HMIを持つ微生物集団は多様であり、疾患や個人の腸内環境によって異なると考えられるため、個別化された介入戦略が必要となる可能性があります。

HMIの概念は、腸内マイクロバイオーム以外の複雑な微生物群集、例えば土壌や海洋環境にも適用できるだろうか？

HMIの概念は、腸内マイクロバイオーム以外の複雑な微生物群集、例えば土壌や海洋環境にも適用できる可能性があります。
土壌や海洋環境は、栄養分の濃度が低く、温度や塩分濃度などの環境変動が大きい、微生物にとってストレスの多い環境です。このような環境では、HMIを持つ微生物は、他の微生物との競争に有利であり、環境ストレスに対する耐性が高いと考えられます。
実際、土壌や海洋環境から、HMIを持つと考えられる微生物が数多く発見されています。例えば、海洋性細菌Prochlorococcusは、光合成に必要な栄養塩を効率的に利用できるHMIを持つことで、貧栄養環境である海洋で優占種となっています。
土壌や海洋環境におけるHMIの役割を理解することは、これらの環境における微生物生態系の維持機構や、環境ストレスに対する応答機構を解明する上で重要です。また、HMIを持つ微生物は、バイオremediationやバイオ燃料生産など、様々な分野への応用が期待されています。
HMIの概念を土壌や海洋環境に適用するためには、それぞれの環境におけるHMIの定義や評価方法を確立する必要があります。例えば、土壌や海洋環境では、腸内環境とは異なる栄養素が重要となるため、HMIを評価する指標として、異なる代謝経路を考慮する必要があるかもしれません。