糖利用順位から迫る細菌間クロスフィーディング機構の解明と腸内マイクロビオータ形成

• Project/Area Number: 21J15883
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 45040:Ecology and environment-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 高田 紘翠 京都大学, 生命科学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 腸内細菌 / ムチン / ビフィズス菌

Outline of Research at the Start

ヒトの腸管内には100種以上、総数にして40兆個以上の多種多様な細菌（腸内細菌）が生息している。腸内細菌は様々な疾患に関与することが明らかとなってきたが、「どのようにして腸内細菌叢が形成されるのか」についての理解はまだ進んでいない。
細菌叢形成には細菌間のクロスフィーディングが大きな影響を与えていると考えられているがその分子機構は未解明である。本研究は、糖の取り込み順序に着目してクロスフィーディング機構を解明するとともに、腸内細菌叢形成への影響を評価する。

Outline of Annual Research Achievements

ヒト腸管内に生息する多種多様な腸内細菌は様々な疾患に関与するが、「どのようにして腸内細菌叢が形成されるのか」は未だ解明されていない。腸内細菌叢形成には細菌間のクロスフィーディングが大きな影響を与えていると考えられている。ヒト常在性ビフィズス菌Bifidobacterium bifidumは、腸管内に豊富に存在するムチン糖鎖を単糖・二糖に分解して、一部の糖を他菌にクロスフィードすることが報告されているが、その分子機構は不明な部分が多い。本研究では、本クロスフィーディング機構への理解を深めるために、B. bifidumにおいてこれまで不明であったムチンに作用するβ-N-acetylglucosaminidaseについて着目し、コア構造と呼ばれるムチン型糖鎖構造の分解様式を明らかにすることを目指した。β-N-acetylglucosaminidase活性が報告されているGH84ドメインを持つ2つの細胞外酵素（BbhIVおよびBbhV）および既報の細胞外β-N-acetylglucosaminidaseであるBbhI（GH20）について、酵素学的および遺伝学的に調べた。その結果、BbhIとBbhIVは、core 3構造とcore 2構造にそれぞれ作用することでGlcNAcを遊離し、B. bifidumのムチン糖鎖利用においては異なる特異性を発揮しつつ協調的な役割を果たすことが示された。また、BbhIおよびBbhIVの発現量はムチンによって上昇することが分かった。これは、BbhIおよびBbhIVがムチン型糖鎖に強く作用することと一致していた。GlcNAcは、ムチン糖鎖においてコア構造に多く存在し、フコースのような末端にはあまり存在しないものの、GlcNAcの遊離はクロスフィーディングによる菌叢形成に大きな影響を及ぼすことが示唆された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A bacterial sulfoglycosidase highlights mucin O-glycan breakdown in the gut ecosystem (2023)
  • Author(s): Katoh T, Yamada C, Wallace M, Yoshida A, Gotoh A, Arai M, Maeshibu T, Kashima T, Hagenbeek A, Ojima MN, Takada H, Sakanaka M, Shimizu H, Nishiyama K, Ashida H, Hirose J, Suarez-Diez M, Nishiyama M, Kimura I, Stubbs KA, Fushinobu S, Katayama T
  • Journal Title: Nature Chemical Biology Volume: - Issue: 6 Pages: 778-789
  • DOI: 10.1038/s41589-023-01272-y
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Bifidobacterium bifidumは2種のβ-N-acetylglucosaminidaseを用いてムチンコア構造を分解する (2022)
  • Author(s): 高田紘翠, 加藤紀彦, 阪中幹祥, 片山高嶺
  • Organizer: 日本応用糖質科学会2022年度大会（第71回）
• [Presentation] ビフィズス菌による食品由来ムチンの分解 (2022)
  • Author(s): 高田紘翠，加藤紀彦，片山高嶺
  • Organizer: ビフィズス菌研究会2022年度第3回シンポジウム
• [Presentation] B. bifidumの2種のβ-N-acetylglucosaminidaseは協調的にムチンコア構造を分解する (2021)
  • Author(s): 高田紘翠、加藤紀彦、阪中幹祥、片山高嶺
  • Organizer: 第40回日本糖質学会年会
• [Presentation] ムチンコア構造に作用するBifidobacterium bifidum由来β-N-acetylglucosaminidase (2021)
  • Author(s): 高田紘翠、加藤紀彦、阪中幹祥、片山高嶺
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会