アルツハイマー病における腸内細菌叢およびウイルス叢の網羅的メタゲノム解析

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K17028
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 植松 未帆 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 助教 (80815647)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: メタゲノム / 次世代シークエンサー / 腸内微生物叢 / パーキンソン病 / アルツハイマー病 / KEGG

研究実績の概要

近年、腸内微生物叢が腸脳相関を介して神経変性疾患の病態に影響を与える可能性が示唆されている。本研究では、腸脳相関により腸内環境から強い影響を受けると考えられている神経変性疾患、なかでもアルツハイマー病やパーキンソン病などに着目し、これらの神経変性疾患患者の糞便サンプルにおける、細菌叢とウイルス叢のメタゲノムを健常コントロールのものと比較し、コントロール群と疾患群で異なる微生物叢の組成および遺伝子機能の有無を検討する。本年度は、パーキンソン病の患者の糞便サンプルについて、腸内細菌およびウイルスのゲノムを抽出後、次世代シークエンサーを用いてゲノム配列を解析した。さらに、スーパーコンピュータを用いた情報解析を行い、パーキンソン病患者の腸内微生物叢の構成の同定を行った。さらに、得られた微生物の配列から同定された遺伝子を機能データベース（KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）で相同検索することにより、代謝系やシグナル伝達系におけるパスウェイをはじめとするさまざまな遺伝子機能解析を行った。これらの網羅的解析により、腸内微生物叢と宿主の間で異なる微生物叢の構成および遺伝子機能に注目した。解析の結果、疾患で優位であった微生物叢に着目し、神経細胞に対する影響を検討するため、マウス脳由来の神経細胞を培養して条件検討を行い、感染実験の準備をした。今後アルツハイマー病等、他の神経変性疾患の糞便サンプルについても同様に解析を進め、病態に関連する微生物叢の異常（dysbiosis)による神経細胞への影響の有無について検討していく。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

メタゲノムデータ解析：次世代シークエンスによって得られたゲノムデータは、スーパーコンピュータを利用して解析を行った。申請者の研究室において産出された既存のメタゲノムデータと公共データベースそれぞれから得られるゲノム配列の情報をリファレンスデータとして用い、微生物種を推定し、パーキンソン病患者の腸内微生物叢の構成の同定を行った。得られたデータにつき、申請者の研究室の解析している既存の健常者のデータと比較し、疾患群に特徴的な微生物叢の異常（dysbiosis）について検討した。
遺伝子機能解析（KEGGパスウェイ解析）：スーパーコンピュータを利用して、KEGGパスウェイ解析のパイプラインを用いて遺伝子機能解析、パスウェイ解析を行った。上記によって得られたデータにつき、申請者の研究室の解析している健常者のデータと比較し、疾患群に特徴的なKEGGパスウェイについて検討した。同様に、Pfamについても、疾患群に特徴的なclanの有無の検討を行った。
培養細胞への感染実験：上記の解析によって疾患に優位であった微生物について、神経細胞への影響を調べるため、感染実験を計画した。まず、マウス脳由来の神経細胞を長期培養し、条件検討を行った。

今後の研究の推進方策

種々の神経変性疾患での検討：本年度はパーキンソン病に焦点を当てて解析を進めてきた。今後は、アルツハイマー病等、gut-brain axisにより腸内環境から強い影響を受けると考えられているパーキンソン病以外の種々の神経変性疾患についても同様の手法を用いて腸内微生物叢およびその遺伝子機能を解析し、相互に比較・検討する。
より詳細な遺伝子機能解析（KEGGパスウェイ解析）：スーパーコンピュータを利用し、KEGGパスウェイ解析のパイプラインを用いて遺伝子機能解析、パスウェイ解析を行い、特に、免疫系や炎症誘導や、タウ蛋白・アミロイドβ蛋白・αシヌクレイン蛋白等の疾患関連蛋白の代謝経路およびエピジェネティックな修飾に影響を与える可能性のある分子に注目して、疾患関連分子を探索する。
培養細胞の感染実験：上記の解析で得られた知見からマウス脳由来の培養細胞に疾患に特徴的な遺伝子を有する微生物の感染実験を行い、神経細胞への影響を検討する。

次年度使用額が生じた理由

次年度は、本年度よりも多数の症例についての糞便サンプルのメタゲノム解析と、細胞培養・感染実験を行う予定である為、次年度に必要な費用の増大が見込まれ、次年度使用額が生じた。
使用計画：次世代シークエンス解析のために、ライブラリー作成用の試薬類やシークエンスキット、ディスポ製品、ガラス器具などを購入するための費用を増額する予定である。また、メタゲノムビッグデータ解析のために、スーパーコンピュータの使用は必要不可欠である。次年度は本年度より多数の症例の解析を行う予定のため、それに伴いデータ量が増大することが見込まれ、スーパーコンピュータの計算資源の利用費用とデータバックアップのためのハードディスク費用が必要となる見込みである。 また、細胞培養のための試薬・培地を購入する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Functional Restoration of Bacteriomes and Viromes by Fecal Microbiota Transplantation (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto K, Kimura Y, Allegretti JR, Yamamoto M, Zhang YZ, Katayama K, Tremmel G, Kawaguchi Y, Shimohigoshi M, Hayashi T, Uematsu M, Yamaguchi K, Furukawa Y, Akiyama Y, Yamaguchi R, Crowe SE, Ernst PB, Miyano S, Kiyono H, Imoto S, Uematsu S
  • 雑誌名: Gastroenterology 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1053/j.gastro.2021.02.013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Metagenome Data on Intestinal Phage-Bacteria Associations Aids the Development of Phage Therapy against Pathobionts (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto K, Kimura Y, Shimohigoshi M, Satoh T, Sato S, Tremmel G, Uematsu M, Kawaguchi Y, Usui Y, Nakano Y, Hayashi T, Kashima K, Yuki Y, Yamaguchi K, Furukawa Y, Kakuta M, Akiyama Y, Yamaguchi R, Crowe SE, Ernst PB, Miyano S, Kiyono H, Imoto S, Uematsu S
  • 雑誌名: Cell Host & Microbe 巻: 28 ページ: 380～389.e9
  • DOI: 10.1016/j.chom.2020.06.005
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ホットトピックス０６ プロテイノパチー克服への道程：タウオパチーの病理学的検討と新規治療法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 植松未帆
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] シンポジウム３ タウ病変の疾患特異性ー臨床診断から分子基盤までー：タウ分子が織りなす超微形態、病変と分布からヒト脳疾患まで (2020)
  • 著者名/発表者名: 植松未帆
  • 学会等名: 第61回日本神経病理学会総会学術研究会
• [学会発表] Quantum dot/nanogold colabeling for double correlative light and electron microscopy of human brain (2020)
  • 著者名/発表者名: 植松未帆
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会