Unraveling the principles of microbiota function for rationally-designed biotherapeutics

• Project/Area Number: 20H05627
• Research Category: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 本田 賢也 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 教授 (60334231)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺嶋 秀騎 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 客員研究員 (60912897) ; Li Youxian 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (20840185) ; 成島 聖子 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 上級研究員 (80578336)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥640,770,000 (Direct Cost: ¥492,900,000、Indirect Cost: ¥147,870,000); Fiscal Year 2025: ¥91,000,000 (Direct Cost: ¥70,000,000、Indirect Cost: ¥21,000,000); Fiscal Year 2024: ¥104,000,000 (Direct Cost: ¥80,000,000、Indirect Cost: ¥24,000,000); Fiscal Year 2023: ¥130,000,000 (Direct Cost: ¥100,000,000、Indirect Cost: ¥30,000,000); Fiscal Year 2022: ¥130,000,000 (Direct Cost: ¥100,000,000、Indirect Cost: ¥30,000,000); Fiscal Year 2021: ¥130,000,000 (Direct Cost: ¥100,000,000、Indirect Cost: ¥30,000,000); Fiscal Year 2020: ¥55,770,000 (Direct Cost: ¥42,900,000、Indirect Cost: ¥12,870,000)
• Keywords: 常在細菌 / 抗生物質耐性 / ワクチン / 大腸がん / 代謝疾患 / 腸内細菌 / 抗生物質耐性菌 / 百寿 / 常在細 / 多剤耐性菌 / がん

Outline of Research at the Start

細菌培養とノトバイオート技術を組み合わせ、常在細菌叢と宿主のより詳細な「因果関係」の理解を進め、エフェクターとなる菌株コンソーシアムを分離選択する。特に1.免疫疾患・ワクチン、2.多剤耐性菌感染、3.代謝疾患、4.がん、5.健康長寿、に焦点をあてて、細菌叢のなかでどの細菌メンバーが、宿主に影響を与えるのかを明らかにする。更に6.マイクロバイオーム基盤技術の開発も進める。長期的にはマイクロバイオームの制御による予防・治療技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

1.免疫疾患・ワクチン、2.多剤耐性菌感染、3.代謝疾患、4.がん、5.健康長寿、に影響する常在細菌を探索した。まず、1. Paraprevotella claraが、トリプシンや TMPRSS2の分解を介してマウスコロナウイルスの腸管感染を阻害することを見いだした。P. claraのトリプシン分解遺伝子はCOVID19感染症における腸炎発症と逆相関していることを見いだした。2. 抗生物質耐性菌を除去できる有益な細菌種を探索し、ヒト便から18種類のFirmicutesを中心とした菌株の組み合わせが、クレブシェラ株だけではなく、接着浸潤性大腸菌などに対しても腸管からの除去効果を発揮することを見いだした。更にそのメカニズムとしてグルコン酸代謝が関わることを明らかにした。3. 代謝疾患を改善する細菌種を探索し、低タンパク食が、白色脂肪組織において、腸内細菌依存的にBeige細胞を強力に誘導することを見出した。健常者にFDG-PET行って、FDGの集積が確認された1名の便から単離した4菌株にBeige細胞誘導を促進する作用があることがわかった。4. 大腸がんに影響する細菌種うを探索し、 APCf/f x KrasLSL-G12D x Tp53f/f x Cdx2-CreERT2マウス (AKTCマウス)が腸内細菌依存的に大腸腫瘍を発症すること、更に、大腸がん切除標本上皮から単離した 14菌株にAKTCマウスにおける大腸腫瘍発症作用があることが分かった。5. 百寿者の便サンプルからテストステロンを代謝する細菌を同定した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1. 免疫疾患・ワクチンを増強する細菌の探索：Paraprevotella claraが、トリプシンやTMPRSS2の分解を介してマウスコロナウイルスの腸管感染を阻害することがわかった。これらを臨床応用するため、GMPレベルで凍結乾燥菌株の作製を推進した。
2. 抗生物質耐性菌を除去できる有益な細菌種の同定：ヒト便から18種類のFirmicutesを中心とした菌株の組み合わせが、クレブシェラ株だけではなく、接着浸潤性大腸菌などに対しても腸管からの除去効果を発揮すること、そしてそのメカニズムがグルコン酸代謝によることを明らかにした。
3. 代謝疾患を改善する細菌種の同定：低タンパク食が、白色脂肪組織において、腸内細菌依存的にBeige細胞を強力に誘導することを見出した。25名の健常者に FDG-PET行って、FDGの集積が確認された1名の便から、33菌株の細菌株を分離した。33菌株の4菌株を無菌マウスに投与すると、低タンパク食摂食時に、強いBeige細胞誘導が確認された。
4. 大腸がんに影響する細菌種の同定：APCf/f x KrasLSL-G12D x Tp53f/f x Cdx2-CreERT2マウス (AKTCマウス)が腸内細菌依存的に大腸腫瘍発症モデルとして適していることが分かった。大腸がん外科的切除標本の上皮から単離した14菌株を無菌AKTCマウスに定着させたところ、大腸腫瘍が発症することが分かった。
5. 健康長寿：百寿者の便サンプルからテストステロン代謝菌を同定できた。

Strategy for Future Research Activity

1. ワクチンレスポンス: SARS-CoV2 mRNAワクチン投与後のボランティアの便と血漿を収集し、高い抗体価を示す細菌叢の特徴を明らかにする。更に、その便から抗体レスポンスを増強する細菌の単離を目指す。
2. 抗生物質耐性菌: 健常者の便サンプルから、抗生物質多剤耐性菌クレブシエラ菌に対して腸管定着防御に働く18菌株を同定したので、その臨床応用の可能性を検討する。
3. 代謝疾患:ヒト腸内細菌叢の中から4菌株が、低タンパク食によるBeige誘導を十分に媒介できることが分かったので、そのメカニズムの詳細を明らかにする。
4. がん: APCf/f x KrasLSL-G12D x Cdx2-CreERT2マウスにおいて大腸腫瘍を誘導する14菌株を同定したので、その腫瘍誘導メカニズムを明らかにする。
5. 健康長寿: 百寿者便からテストステロン代謝菌を同定したので、その代謝産物の機能を明らかにする。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A+: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, more progress has been made in research than expected.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Broad Institute(米国)
• [Int'l Joint Research] Broad Institute(米国)
• [Int'l Joint Research] Broad Institute(米国)
• [Journal Article] Centenarians have a diverse gut virome with the potential to modulate metabolism and promote healthy lifespan (2023)
  • Author(s): Johansen Joachim、Atarashi Koji、Arai Yasumichi、Hirose Nobuyoshi、Sorensen Soren J.、Vatanen Tommi、Knip Mikael、Honda Kenya、Xavier Ramnik J.、Rasmussen Simon、Plichta Damian R.
  • Journal Title: Nature Microbiology Volume: 8 Issue: 6 Pages: 1064-1078
  • DOI: 10.1038/s41564-023-01370-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Diet-mediated constitutive induction of novel IL4+ ILC2 cells maintains intestinal homeostasis in mice (2023)
  • Author(s): Cui Wanlin, Nagano Yuji, Hatakeyama Masanori, Honda Kenya , et al.
  • Journal Title: Journal of Experimental Medicine Volume: － Issue: 8
  • DOI: 10.1084/jem.20221773
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of trypsin-degrading commensals in the large intestine (2022)
  • Author(s): Li Youxian (32名中1番目）、___、Honda Kenya (32名中32番目）
  • Journal Title: Nature Volume: 609 Issue: 7927 Pages: 582-589
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05181-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microbiota imbalance induced by dietary sugar disrupts immune-mediated protection from metabolic syndrome (2022)
  • Author(s): Kawano Yoshinaga、＿＿＿＿、Honda Kenya (13人中12番目）、Ivanov Ivaylo I.
  • Journal Title: Cell Volume: 185 Issue: 19 Pages: 3501-3519.e20
  • DOI: 10.1016/j.cell.2022.08.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Targeted suppression of human IBD-associated gut microbiota commensals by phage consortia for treatment of intestinal inflammation (2022)
  • Author(s): Federici Sara、＿＿＿、Honda Kenya (53人中45番目）、＿＿＿、Elinav Eran
  • Journal Title: Cell Volume: 185 Issue: 16 Pages: 2879-2898.e24
  • DOI: 10.1016/j.cell.2022.07.003
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The effects of oral microbiota on health (2022)
  • Author(s): Tuganbaev Timur、Yoshida Koji、Honda Kenya
  • Journal Title: Science Volume: 376 Issue: 6596 Pages: 934-936
  • DOI: 10.1126/science.abn1890
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] T Cell Responses to the Microbiota (2022)
  • Author(s): Ivanov Ivaylo I.、Tuganbaev Timur、Skelly Ashwin N.、Honda Kenya
  • Journal Title: Annual Review of Immunology Volume: 40 Issue: 1 Pages: 559-587
  • DOI: 10.1146/annurev-immunol-101320-011829
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel bile acid biosynthetic pathways are enriched in the microbiome of centenarians (2021)
  • Author(s): Yuko Sato, Koji Atarashi, Damian R. Plichta, Yasumichi Arai, Satoshi Sasajima, SM. Kearney, Kozue Takeshita, AN. Skelly, Youxian Li, Takeshi Tanoue, Seiko Narushima, DR. Littman, MA. Fischbach, Y Uwamino, T Inoue, A Honda, Masahira Hattori, Tsuyoshi Murai, Ramnik J. Xavier, Nobuyoshi Hirose, Kenya Honda, et al.
  • Journal Title: Nature Volume: 599 Issue: 7885 Pages: 458-464
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03832-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non‐zero‐sum microbiome immune system interactions (2021)
  • Author(s): Tuganbaev Timur、Honda Kenya
  • Journal Title: European Journal of Immunology Volume: 51 Issue: 9 Pages: 2120-2136
  • DOI: 10.1002/eji.202049065
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toward the development of defined microbial therapeutics (2021)
  • Author(s): Li Youxian、Honda Kenya
  • Journal Title: International Immunology Volume: 33 Issue: 12 Pages: 761-766
  • DOI: 10.1093/intimm/dxab038
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Staphylococcus cohnii is a potentially biotherapeutic skin commensal alleviating skin inflammation (2021)
  • Author(s): Ito Y, Sasaki T, Li Y, et al
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 35 Issue: 4 Pages: 109052-109052
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109052
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 腸内細菌と長寿 (2023)
  • Author(s): 新 幸二、本田 賢也
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] Toward the development of defined microbial therapeutics (2023)
  • Author(s): 本田 賢也
  • Organizer: The 21st Awaji International Forum on Infection and Immunity
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Toward development of defined microbial therapeutics (2023)
  • Author(s): 本田 賢也
  • Organizer: 7th Microbiome R&D and Business Collaboration Congress: Asia
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Toward the development of defined microbial therapeutics (2023)
  • Author(s): 本田 賢也
  • Organizer: EMBO | EMBL Symposium: The human microbiome
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Harness connections between the microbiome and disease to improve human health (2023)
  • Author(s): 本田 賢也
  • Organizer: 第41回札幌国際がんシンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Human Microbiota Regulation of Barrier Immunity (2023)
  • Author(s): 本田 賢也
  • Organizer: KEYSTONE SYMPOSIA on Molecular and Cellular Biology Regulation of Barrier Immunity (X8)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Microbiome and Immunity: Role in Cancer (2023)
  • Author(s): 本田 賢也
  • Organizer: KEYSTONE SYMPOSIA on Molecular and Cellular Biology Microbiota and Cancer Immunity (K2)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Toward development of defined microbial therapeutics (2023)
  • Author(s): Kenya Honda
  • Organizer: Global Immunotalks
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Interspecies communication for structuring homeostatic microbiota (2022)
  • Author(s): Kenya Honda
  • Organizer: IHMC2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Toward the development of defined microbial therapeutics (2022)
  • Author(s): Kenya Honda
  • Organizer: Microbiome Virtual International Forum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Microbiota and regulation of intestinal immunity (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: The 2021 Principles of Mucosal Immunology course, Society for mucosal Immunology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 免疫とマイクロバイオーム (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: 第42回日本炎症・再生医学会
  • Invited
• [Presentation] Mining the gut microbiota and identifying effector microbes that causally affect the host physiology (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: 第5回日本循環器学会基礎研究フォーラム
  • Invited
• [Presentation] 腸内細菌と発がん (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] Identifying effector microbes that causally affect the host physiology to develop defined microbial therapeutics (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: The 10th Microbiome Interactions in Health and Disease meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 腸内細菌による抗生物質耐性菌・ウィルス感染制御 (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: 第70回日本感染症学会東日本地方会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 腸内細菌を標的とした疾患治療法の開発 (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: 第109回日本泌尿器科学会総会
  • Invited
• [Presentation] 腸内細菌を標的とする疾患治療 (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: 第34回日本外科感染症学会総会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Mining the microbiota and identifying effector microbes that causally affect the host physiology (2021)
  • Author(s): 本田賢也
  • Organizer: KEYSTONE SYMPOSIA
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] グルコン酸消費菌を有効成分とする抗菌組成物 (2023)
  • Inventor(s): 古市宗弘 本田賢 也 ほか
  • Industrial Property Rights Holder: 古市宗弘 本田賢 也 ほか
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] トリプシン又はＴＭＰＲＳＳ２の分解用組成物 (2023)
  • Inventor(s): Youxian Li, 本田賢 也 ほか
  • Industrial Property Rights Holder: Youxian Li, 本田賢 也 ほか
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-576680
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] トリプシン又はＴＭＰＲＳＳ２の分解用組成物 (2022)
  • Inventor(s): Youxian Li, 本田賢也 ほか
  • Industrial Property Rights Holder: Youxian Li, 本田賢也 ほか
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 100歳以上の長寿者に特有の胆汁酸代謝菌の同定およびその代謝経路の解析 (2021)
  • Inventor(s): 本田賢也, 新幸二, 佐藤優子
  • Industrial Property Rights Holder: 本田賢也, 新幸二, 佐藤優子
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Overseas