IgAは腸内細菌間の相互作用を誘導する~免疫系が腸内細菌を維持する新たなメカニズム~

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2018-07-24 理化学研究所

理化学研究所(理研)生命医科学研究センター粘膜免疫研究チームの鈴木敬一朗上級研究員、シドニア・ファガラサンチームリーダーらの国際共同研究グループは、免疫グロブリンA(IgA)[1]が腸内細菌叢[2]を制御するための新たなメカニズムを明らかにしました。 本研究成果は、今後、炎症性腸疾患[3]に対する新たな予防法・治療法の開発に貢献すると期待できます。

IgAは腸管内に分泌され、病原菌の排除や毒素の中和に関わる重要な抗体です。しかし、どのようなメカニズムで腸内常在菌を制御するのかは分かっていませんでした。今回、国際共同研究グループは、卵白オボアルブミン(OVA)を認識する単クローンIgA(7-6IgA)[4]が、ヒトの主要な腸内細菌であるBacteroides thetaiotaomicronB.theta)と糖鎖[5]を介して結合することを見いだしました。また、7-6IgAは大腸粘液の中でB.thetaの機能未知遺伝子の発現を誘導することも分かり、本研究においてこの遺伝子由来のタンパク質を「粘液関連機能因子(Mucus-Associated Functional Factor;MAFF)」と名付けて詳しく解析しました。その結果、B.thetaはMAFFの働きを介して、Firmicutes[6]に属する他の細菌種と相互作用し、腸内細菌叢全体の構成や代謝機能を変化させることが分かりました。さらに、マウスを用いた実験によって、MAFFが炎症性腸疾患の発症を予防する機能を持つことが明らかになりました。

本研究は、米国の科学雑誌『Journal of Experimental Medicine』(8月6日号)の掲載に先立ち、オンライン版(7月24日付け:日本時間7月24日)に掲載されます。

※国際共同研究グループ

理化学研究所 生命医科学研究センター
粘膜免疫研究チーム
基礎科学特別研究員 アレクシス・ボーゲルザング(Alexis Vogelzang)
リサーチアソシエイト 丸谷 美香子(まるや みかこ)
研究員 宮島 倫生(みやじまみちお)
チームリーダー シドニア・ファガラサン(Sidonia Fagarasan)
上級研究員 鈴木 敬一朗(すずき けいいちろう)

京都大学大学院医学研究科
AKプロジェクト
特定研究員 中島 啓(なかじま あきら)
テクニカルスタッフ 村田 めぐみ(むらた めぐみ)
テクニカルスタッフ 孫 安生(そん あおい)
特定准教授 鈴木 敬一朗(すずき けいいちろう)
創薬医学講座
特定教授 鶴山 竜昭(つるやま たつあき)
消化器内科学講座
大学院生 山田 聡(やまだ さとし)
助教 松浦 稔(まつうら みのる)

香川大学 医学部 分子微生物学
教授 桑原 知巳(くわはら ともみ)

札幌医科大学 医学部 消化器内科学講座
教授仲瀬裕志(なかせひろし)

ジョンホプキンス大学 医学校 病理学部
助教授ダニエル・ピーターソン(Daniel A. Peterson)

※研究支援

本研究は、京都大学「次世代免疫制御を目指す創薬医学融合拠点(拠点執行責任者:成宮周)」による支援を受けて行われました。

背景

私たちの体内に1,000種類以上存在する腸内細菌は、粘膜バリアーの構築、免疫組織の成熟、全身の代謝調節などに必須の役割を担っています。腸管内に多量に分泌される免疫グロブリンA(IgA)抗体は、腸内細菌の構成や分布の調節に重要な役割を果たすことが知られています。しかし、IgAがどのようなメカニズムで腸内細菌の調節に関わっているのかは分かっていませんでした。

これまでの研究により、IgAは腸内で常在細菌の表面をコートしていることが知られています。また、このコーティングには、通常の抗体-病原菌の結合様式とは異なり、糖鎖を介する場合があることが指摘されています。そこで、国際共同研究チームは細菌成分を認識しない単クローンIgA(7-6IgA)を作製し、強い糖鎖修飾を受けたIgAと細菌間の相互作用を詳しく解析しました。

研究手法と成果

国際共同研究グループはまず、卵白オボアルブミン(OVA)タンパク質と特異的に反応するIgAをマウスの腸管に誘導し、その腸管免疫細胞を用いたハイブリドーマ[4](腫瘍細胞の一種)を作製することによって、細菌成分を認識しない単クローンIgA(7-6IgA)を精製しました。7-6IgAは強い糖鎖修飾を受けており、OVAで抗原結合部位[7]を飽和した後でも、さまざまな培養細菌の表面に結合できることが分かりました。なかでも、ヒトの主要な腸内細菌であるBacteroides thetaiotaomicronB.theta)の表面には、特に強く結合しました(図1A)。

次に、7-6IgAを産生するハイブリドーマ細胞を免疫不全マウスの皮下に注射して、7-6IgAだけを腸管IgAとして持つマウスを作製し、B.thetaとの相互作用について腸内細菌の遺伝子発現解析を行いました。その結果、7-6IgAの働きによって粘液や食物に含まれる多糖類の分解[8]に関わるB.thetaの遺伝子発現が変化していることが分かりました(図1B)。これらの中で、大腸粘液中で発現が上昇(図1C)している機能未知のオペロン[9]に注目し、それらがコードするタンパク質を暫定的に「粘液関連機能因子(Mucus-Associated Functional Factor;MAFF)と命名し、さらに詳しく調べました。

続いて、MAFFオペロンを欠損したB.theta株を作製し、通常マウスの腸管内に定着させると、野生型のB.thetaはMAFF欠損株よりも著しく大きな形態を示すことが観察されました(図2A上段)。しかし、無菌マウスにB.thetaを1種類だけ定着させたときには、そのような違いは見られませんでした(図2A下段)。これは、MAFFが機能を発揮するためには他の細菌種が必要であるということを示しています。

また、無菌マウスにB.thetaと同時にさまざまな細菌を定着させて、B.thetaの遺伝子発現を解析したところ、他の細菌種(特に大腸細菌叢)が存在するときだけ、大腸粘液内でMAFFオペロンの発現が誘導されることが分かりました(図2B)。

さらに、MAFFが他の腸内細菌の遺伝子発現に及ぼす影響を解析したところ、Firmicutes門に属する細菌において、短鎖脂肪酸[10]の生成を中心とした代謝活性がMAFFの働きによって調節されていることが分かりました。また、Firmicutes門に属する細菌種の増殖も誘導され、腸内細菌叢の構成がMAFFの働きによって大きく変化しました(図3A)。MAFFはIgAによって誘導されますが、7-6IgAの働きによっても同様の腸内細菌叢の変化が認められました(図3B)。

これらの腸内細菌の変化が炎症性腸疾患に影響を与えるのかを調べるために、DSS腸炎モデル[11]を誘導しました。B.thetaを定着させなかったマウスとMAFFオペロンを欠損したB.theta株を定着させたマウスでは激しい腸炎を発症しましたが、野生型のB.thetaを定着させたマウスでは腸炎発症に強い抵抗性を示しました(図3C、D)。これは、MAFFの働きによって炎症性腸疾患の発症が予防されたことを示しています。

以上の結果は、IgAが大腸粘液内でB.thetaにおけるMAFFオペロンの発現を誘導し、Firmicutes門に属する他の細菌種との相互作用を促進することによって、腸内細菌全体の代謝機能と構成を調節していることを示しています(図4)。

今後の期待

本研究では、これまで知られていなかったIgAの働きが存在することを明らかにしました。この過程には、腸内細菌の粘液内への局在に加えて異なる細菌種との相互作用が関与しており、未解明の疑問点が多く残されています。例えば、MAFFがどのような分子を認識して細菌間の相互作用を発揮するのかは、今後の研究で解明すべき重要な項目です。これらの研究を積み重ねることによって、今後、炎症性腸疾患の新たな予防法・治療法の開発に資することが期待できます。

原論文情報
  • Akira Nakajima, Alexis Vogelzang, Mikako Maruya, Michio Miyajima, Megumi Murata, Aoi Son, Tomomi Kuwahara, Tatsuaki Tsuruyama, Satoshi Yamada, Minoru Matsuura, Hiroshi Nakase, Daniel A. Peterson, Sidonia Fagarasan & Keiichiro Suzuki, “IgA regulates the composition and metabolic function of gut microbiota by promoting symbiosis between bacteria”, Journal of Experimental Medicine, 10.1084/jem.2018042
発表者

理化学研究所
生命医科学研究センター 粘膜免疫研究チーム
上級研究員 鈴木 敬一朗(すずき けいいちろう)
チームリーダー シドニア・ ファガラサン(Sidonia Fagarasan)

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