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細胞宿主と微生物
オンラインで入手可能 2024年1月15日
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シアル酸分解酵素が腸内常在菌の初期コロニー形成を媒介する

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1931312823005097?dgcid=author

著者リンク オーバーレイパネルを開くEkaterina Buzun 1, Chia-Yun Hsu 1, Kristija Sejane 2, Renee E. Oles 1, Adriana Vasquez Ayala 1, Luke R. Loomis 1, Jiaqi Zhao 1, Leigh-Ana Rossitto 3, Dominic M. McGrosso 3, David J. Gonzalez 3 4, Lars Bode 2 5 6, Hiutung Chu 1 6 7 8 9
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https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.12.014
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要約
消化管の初期の微生物コロニー形成は、発育や健康に長期的な影響を及ぼす可能性がある。バクテロイデス属を含むキーストーン種は生後間もない時期に顕著であり、腸内生態系の構造維持に重要な役割を果たしている。しかし、生後間もない時期に弾力性のある群集が形成される過程は、まだ十分に解明されていない。本論文では、Bacteroides fragilisの1つのシアリダーゼ、NanHが、生後間もない腸粘膜の安定的な占有を媒介し、常在コロニー化プログラムを制御していることを示す。このプログラムは、ヒトミルクオリゴ糖や腸粘液に見られるようなシアル化糖鎖によって引き起こされる。NanHはダムから仔への垂直伝播に必要であり、幼生期のB. fragilisの優位性を促進する。さらにNanHは、定義された微生物群集において、抗生物質処理後の常在菌の回復力と回復を促進する。以上のことから、本研究は、安定したコロニー形成を促進する宿主由来の糖鎖を介した、宿主と微生物叢の共進化メカニズムを明らかにした。

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はじめに
乳児の腸内細菌叢は、生理学的発達とヒトの健康全般に大きく影響する。1 確立される乳児腸内細菌叢の組成と動態は、分娩様式2,3,4とヒトミルクオリゴ糖（HMOs）の摂取によって強く形成される。バクテロイデス類は、HMOを含む複雑な宿主由来の糖鎖10,11の分解を促進する多糖利用遺伝子座（PUL）の並外れたレパートリーを持っている12。重要なことに、HMOは腸粘液のO-糖鎖と構造的に類似しており13、Bacteroides fragilisとBacteroides thetaiotaomicronはPULを持つことが知られており、PULは腸粘液の採食を媒介し、腸内でのコロニー形成と持続をサポートする14,15,16,17。バクテロイデス類がHMOを分解できることはいくつかの研究で示されているが12,18、HMOの代謝と乳幼児の腸内常在菌のコロニー形成を直接結びつけるメカニズムは未解明である。

ここでは、B. fragilisにおけるHMO利用プロファイルを明らかにし、比較プロテオミクスを用いてB. fragilisにおけるHMO代謝を支配する酵素系を明らかにする。我々は、B. fragilisがHMO上で増殖する際に、シアリダーゼ（NanH）と常在コロニー化因子（CCF）が誘導されることを明らかにした。この結果から、B. fragilisのシアリダーゼであるNanHは、マウスの腸の安定的なニッチ占有と仔マウスの哺育期間中のコロニー形成に重要であることが示された。特に、NanHシアル酸分解酵素を欠損した変異体は、成体マウスにおける共同コロニー形成の際に、競争力の低下を示すことから、コロニー形成におけるNanHの役割は、哺乳期の仔マウスにとどまらない。我々は、複雑な群集において、B. fragilisがNanH依存的に抗生物質処理後も持続し、回復することを示した。我々の結果は、HMOsのような宿主由来の糖鎖が、パイオニア常在菌が生後間もない時期に腸内コロニー形成を開始するための主要なシグナルとして働き、腸粘膜での持続を促進するという証拠を提供するものである。

セクションの抜粋
B. fragilisにおけるHMO代謝システムの定義
我々はまず、バクテロイデス属が唯一の炭素源としてHMOを利用する能力を評価した。ヒト母乳から精製したプールHMO（pHMO）を用いて、B. fragilis（NCTC 9343）、B. thetaiotaomicron（VPI-8482） 、Phocaeicola vulgatus（旧B. vulgatus; ATCC 8482）、B. ovatus（ATCC 8483）、B. salyersiae（DSM 18765）、B. uniformis（ATCC 8492）およびB. acidifaciens（JCM 10556）の増殖をモニターした。これらのバクテロイデス属のうち、B. fragilis、B. thetaiotaomicron、P. vulgatusは頑健であった。

考察
ここで我々は、ヒト乳汁中のHMOが常在菌の腸内コロニー形成に重要な役割を果たすことを報告する。我々は、B. fragilisのHMO代謝の分子機構を明らかにし、シアリダーゼであるNanHの欠損が、生後早期のHMO上での生育障害と腸内コロニー形成の低下をもたらすことを示した。

主要リソース表
試薬またはリソースのソース IDENTIFIER
細菌株
Bacteroides fragilis NCTC 9343 Johnson41 NCTC 9343
バクテロイデス・テタイオタミクロン VPI-5482 ATCC Cat# 29148
Phocaeicola vulgatus ATCC 8482 Cato and Johnson42 ATCC 8482
バクテロイデス・オバータス ATCC 8483 Cato and Johnson42 ATCC 8483
Bacteroides salyersiae DSM 18765 ATCC Cat# BAA-997
バクテロイデス ユニフォーミス ATCC 8492 Cato and Johnson42 ATCC 8492
バクテロイデス・アシディファシエンス JCM 10556 宮本・伊藤43 JCM 10556
ビフィドバクテリウム・ロンガム NCC2705 ATCC Cat# 15707
ビフィドバクテリウム・ブレーベ

謝辞
技術的なサポートと有益な議論を提供してくれたChu研究室のメンバーに感謝する。また、G. DonaldsonとA. Khosraviの貴重なフィードバックと議論に感謝する。Collaborative Center for Multiplexed ProteomicsおよびLa Jolla Institute for Immunology Microscopy and Histology Core Facilityに感謝する。NIH S10 OD021831からZeiss LSM 880の資金提供を受けた。この研究は、米国国立衛生研究所（NIH）からの助成金（R00 DK110534、R01 AI167860、P30 DK120515）およびシードグラントによるものである。

参考文献（78）
Y.C. Louら.
乳児腸内菌株の持続性は、母体由来、系統、および表面接着や鉄獲得などの形質と関連する
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C.M.ミッチェルら
分娩様式は乳児早期腸内細菌叢の安定性に影響する
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生後1年間のヒト腸内細菌叢の動態と安定化
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M. Yassour et al.
生後数ヵ月間の母子間細菌伝播の菌株レベル解析
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P. Ferretti et al.
異なる身体部位からの母親から乳児への微生物伝播は、発達中の乳児腸内マイクロバイオームを形成する
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S.L. La Rosa et al.
腸内マイクロバイオームにおける糖鎖プロセッシング
Curr. Opin. Microbiol.
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A. Marcobal et al.
乳児腸内のバクテロイデス類は粘液利用経路を介してミルクオリゴ糖を消費する
細胞 宿主 微生物
(2011)
A.S.ルイスら
腸粘液とその糖鎖： 繁栄する微生物叢の生息環境
細胞 宿主 微生物
(2023)
E.C. Martensら
粘膜糖鎖採食は糖分解性ヒト腸内細菌共生体のフィットネスと伝播を促進する
細胞宿主微生物
(2008)
J. Li et al.
親水性相互作用クロマトグラフィーとエレクトロスプレー・タンデム質量分析法を用いたラットおよびマウス酸性ミルクオリゴ糖の特性解析
Carbohydr. Polym.
(2021)
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