微生物叢

微生物叢（英: microbiota 英語発音: [ˌmaɪkɹoʊbaɪˈoʊtə]）とは生態系における生きた微生物の集合のことであり、それらの遺伝情報を含意してマイクロバイオーム（英: microbiome 英語発音: [ˌmaɪkɹoʊbaɪˈoʊm]）と呼ばれることもある。微生物叢は細菌、古細菌、真菌、寄生虫、ウイルスによって構成されており、この構成成分の組成構造は微生物叢が定着する環境ごとに異なっている。微生物叢はヒトを含めた動物の体に定着し、植物と共生、また海中から地下鉄の車内まで様々な環境に存在している。

ヒトの体にも微生物は定着しており、ヒトの微生物叢はヒトの健康状態と密接に関連している。そのため、特に腸内細菌は医学的な観点からも古くから研究されてきた。古典的には分離培養に依存した研究が行われていたが、16S rRNA遺伝子の配列に基づく系統分類法が提唱されてからは、分離培養を伴わない方法により未培養の微生物を含めた解析が行われるようになった。近年のDNAシークエンス技術の発展に伴い、微生物叢の研究は急速に進展、様々な疾患との関連性が明らかにされている。

定義と語源

ミリメートル単位の原核生物から数十ナノメートル単位のウイルスまで、様々な微生物が微生物叢を構成する。

微生物叢は生きた微生物集団の全体であり、また微生物集団が有する遺伝情報の全体を指してマイクロバイオーム (microbiome) と呼ばれることもある。従来は微生物叢を意味する用語として、生態学において叢（くさむら、多くのものが集まっている）を意味する用語であるフローラの語が用いられてきたが、マイクロバイオーム解析の興隆と共に微生物叢 (microbiota) が支配的に用いられるようになった。また、微生物叢研究はメタゲノム解析と呼ばれる解析技術によって発展してきた。メタゲノムとはギリシャ語で「高次」や「超越」を意味する「メタ」と、すべての遺伝子全体を意味する「ゲノム」を組み合わせた造語である。メタゲノム解析においては微生物群集の遺伝子全体を、DNAの混合物として培養を行わずに網羅的に解析する。微生物が細菌、古細菌、真菌、蠕虫などの寄生虫、及びウイルスを内包するように、微生物叢もまた細菌をはじめとした様々な微生物によって構成される。一方で、微生物叢の研究の多くは腸内細菌をはじめとした細菌に焦点を当てており、マイクロバイオームが常在細菌と同義的に用いられることもある。ヒト微生物叢の遺伝情報の規模はヒトそのものの遺伝情報の規模よりも大きく、それ故に「第二のゲノム」と称されることもある。

微生物叢の構成要素とその解析手法

細菌叢

細菌叢は微生物集団が有する遺伝情報の全体がマイクロバイオームと呼ばれるように、細菌集団が有する遺伝情報の全体をバクテリオーム (bacteriome) と呼ぶ。先述の通り、微生物叢を構成する要素の中でも、細菌の成分は特に重点を置かれて研究が進められてきた。

シュードモナス属16S rRNAの超可変領域。細菌の16S rRNAには9か所の多様性の大きい部位が存在し、その領域を挟むようにプライマーを設計することで、菌種ごとに異なる配列をPCR法により増幅することができる。

細菌叢の組成を明らかにするためには、様々な生物で保存されており、適度に系統間では配列が異なる16S rRNA遺伝子のDNA配列をマーカー遺伝子として解析し、その存在比から細菌叢を構成する菌種の特定や組成を推定することが一般に行われる。また、その手法のことをメタ16S解析と呼ぶ。この手法は比較的簡単、安価に行える、真正細菌だけでなく古細菌も同時に評価できるといった利点をもつ。ただし、PCRによりDNA配列のコピー数を増幅する作業が必要であり、この過程で特定の分類群に対してその組成を過大/過少に評価してしまうようなバイアスが生じる。また、古くから行われてきた手法であり、データベースに登録された既存のデータや、データ解析ツールが充実しているのもこの手法である。

一方で、全メタゲノム解析は試料に含まれる全てのDNA配列を解析する手法であり、微生物叢の遺伝情報を詳細に解析できる上、細菌のみならず真菌やDNAウイルスについても同時に評価できるという利点を持つ。しかしながら比較的高価で複雑な解析が必要であり、一般性には劣る。

また、メタトランスクリプトーム解析は試料に含まれる全RNAを解析するもので、死んだ細菌でも安定しているDNAを解析するメタ16S解析や全メタゲノム解析と異なり、原則的に生きている細菌の遺伝情報だけを解析できる。ただし、上記の手法に比べるとrRNAの除去が必要など、実験系が複雑であり、解析により多額の費用がかかる。

真菌叢

カビや酵母といった真菌もまた微生物叢の構成要素として注目されている。真菌の研究は19世紀から行われてきたが、環境中の真菌全体を捉える真菌叢の研究の歴史は浅く、mycobiologyとmicrobiomeを組み合わせた造語であるmycobiomeの語が提案されたのは2010年のことである。また、真菌叢解析に関する報告は細菌叢解析に関するものに比べると格段に少ない。しかしながら、解析の手法に大きな差はない。細菌叢の解析には16S rRNA遺伝子の配列がマーカーとして利用されるが、真菌叢の解析においてはリボソームRNA遺伝子を隔てる内部転写スペーサー (internal transcribed spacer, ITS) 領域や、細菌の16S rRNA遺伝子に相当する18S rRNA遺伝子がマーカー遺伝子として用いられる。ただし、真菌叢の解析はデータベースの不足から細菌叢の解析と比べ困難である。

ウイルス叢

他の微生物と同様にウイルスもまた人体に普遍的に常在しており、DNAウイルスやRNAウイルスを含むすべてのウイルスの集合をviromeと呼ぶ。ウイルスは細菌や真菌と異なり、全てのウイルスで共通して存在するような保存配列を持たない。そのため、ウイルス叢の解析においてはしばしば試料に含まれる全ての遺伝情報を解析するメタゲノム解析が用いられる。また、人体に生息するDNAウイルスの多くは、常在細菌に感染しているバクテリオファージであり、ウイルス叢の研究は細菌叢との関連で扱われることが多い。ファージは宿主となる細菌を殺したり、新しい遺伝子を付与することで、細菌叢に影響を及ぼしていると考えられている。環境中にもウイルスは存在しており、最初期のウイルス叢研究は海水中のウイルス叢を解析したものであった。

宿主や環境と微生物叢

ヒトと微生物叢

ヒトの皮膚微生物叢。皮膚の微生物叢はその解剖学的部位によってそれを構成する細菌種の組成が異なっている。

腸内をはじめヒトの体には微生物が定着している。大腸には特に多数の細菌が生息しており、重量は体重70kgの成人男性で0.2kgに過ぎないが、細胞数では約40兆に及ぶと推定されている。この数は個人の全細胞の数を超える。ヒトの微生物叢はヒトの疾病との関連性から重点的に研究が進められてきた。その中でも腸内細菌叢に関する研究が特に焦点を当てられてきており、腸管の走行に沿って腸内細菌叢の構造が変化することや、様々な疾病との関連が明らかにされている。同様に、口腔、皮膚、膣などの微生物叢も疾患との関連などから研究されてきた。また、ヒトの微生物叢の大規模な調査として、アメリカのHuman Microbiome ProjectやヨーロッパのMetaHITなどの国家規模のプロジェクトが実施されている。

ヒトの微生物叢は腸管、口腔、皮膚、膣といった部位ごとに、構成する細菌種が異なり、例えば異なるヒトの腸管の微生物叢を比べた場合と、同一のヒトの腸管の微生物叢と口腔の微生物叢を比較した場合、前者の方が互いに類似性が高い。

腸管の微生物叢については特に3つのエンテロタイプと呼ばれる微生物叢のグループが提唱されている。3つのエンテロタイプはそれぞれに特有な細菌の系統によって特徴付けることができ、これらの特徴的なグループは地域に依存せずに存在する。

近年の研究成果から疾患と細菌叢の関係が明らかにされてきた。例えば肥満とそれに伴う2型糖尿病のような生活習慣病は、ヒトの遺伝情報だけではなく、腸内細菌叢を構成する細菌種の割合とも関係していることが疫学調査や動物実験から明らかにされた。

環境が清潔だとアレルギー性疾患に罹患しやすいとする衛生仮説も微生物叢との関連から説明され得る。経済的豊かな富裕国では病原性のない、または病原性の弱い寄生虫や真菌、乳酸菌といった常在性の微生物に感染する機会が失われている。一方でこのような微生物は免疫の過剰応答を抑える制御性T細胞の誘導を活性化する働きがあり、それ故に富裕国では炎症性腸疾患などのアレルギー性疾患が増加しているとするものである。実際に様々な研究が炎症性腸疾患と微生物叢の関連性を示しており、細菌叢の多様性（α多様性）が失われて特定の菌種が増加することなどの変化が起きると考えられているが、因果関係の証明には至っていない

腸管と同様に皮膚もまた独自の微生物叢を構成しており、皮膚の微生物叢においてはプロピオニバクテリウム属、コリネバクテリウム属、ストレプトコッカス属の細菌とそれに感染するファージ、マラセチアなどの真菌、ポリオーマウイルスが主体となっている。健常者の皮膚微生物叢は黄色ブドウ球菌の増殖を抑制する働きを持つが、アトピー性皮膚炎の患者においては皮膚微生物叢が破綻して黄色ブドウ球菌が増殖している。また、ニキビは皮膚微生物叢で最も比率の大きい種であるアクネ菌との関連が指摘されている。アクネ菌は健常な皮膚における常在細菌だが、ニキビ患部においては特定の系統が増加している。

ヒト以外の動物と微生物叢

ヒトと同様に様々な動物が微生物と共生関係にあり、固有の微生物叢を持つ。微生物叢はそれを保持する動物の行動によって構成が変化し、また微生物叢が宿主となる動物の行動に影響を与えるとされる。一方でアリなどの一部の動物は、病的な状態や一過性に微生物が寄生することを除くと、共生関係にある微生物叢が存在しない場合もあると指摘する研究もある。

細菌叢や特定の細菌が、それを保持する宿主に及ぼす生理作用を明らかにするために、ノトバイオート技術が用いられる。ヒトの細菌叢がヒトの健康に及ぼす影響を明らかにするためには、ヒトそのものを研究材料とすることがもっとも直接的な方法だが、遺伝的、環境的な背景を揃えた実験群を用意することは困難であり、また、健康を害するおそれのある処置を伴う実験は倫理的に行うことができない。そのため、ヒトの腸内細菌の研究であっても実験動物を用いた実験が必要となる。既知の細菌のみが腸内などに定着しているノトバイオート動物の作製においては、細菌の株やその混合物を何の微生物も定着していない無菌動物に接種する。さらに、細菌を移植されたノトバイオート動物の病態や健康状態の変化を観察することで、移植した細菌叢が宿主に与える生理作用を調べる。現在広く用いられる無菌動物はマウスとラットだが、無菌動物を用いた初期の研究ではモルモットが多く用いられた。他にもウサギ、ブタ、ヤギ、ヒツジ、ウシ、ウマ、イヌ、ニワトリなどの動物でも無菌化が行われている。

歴史

古典的には腸内細菌叢をはじめとする微生物叢の研究には分離培養法を基礎とした手法が用いられてきた。しかしながら、今日において実験室で分離培養が可能な細菌は集団中の極一部に過ぎないことが知られており、分離培養に頼った手法で微生物叢の全体像を把握することは困難である。

1977年、カール・ウーズとジョージ・E・フォックスは16S rRNA遺伝子の配列に基づく系統分類の手法を提示する。

さらに1990年には、当時開発されたPCR法を用いて、キャサリン・G・フィールドらのグループが16S rRNAを増幅し、分離培養を介さずに海洋の微生物叢を構成する細菌の分類を試みる。

1990年代における微生物叢解析の主な手法は、遺伝情報を含んだDNA配列を大腸菌に導入する必要があるクローニングを前提とした手法であった。

メタゲノムの語が提唱されたのは1998年である。また、マイクロバイオームという概念を初めて提唱したのはノーベル生理学・医学賞を受賞したジョシュア・レーダーバーグとされており、これは2001年のことであった。

‪この頃までの微生物叢解析は古典的なDNAシークエンシング法であるサンガー法に依存していたため、出力されるデータ量に限りがあり、希少な種の遺伝情報を見過ごしてしまう可能性があった。この課題を解決したのが2010頃からの次世代シーケンサーの登場である。454をはじめとした第二世代シーケンサーとも呼ばれるDNAシーケンサーはサンガー法に比べ、圧倒的に多数の配列を同時に解析することができる。このDNAシーケンサーの技術革新により、より網羅的に微生物叢を解析することが可能となった。

これに伴って研究の規模も巨大化しており、例えば2006年に公表された初期のメタゲノム解析は、サンガー法による2人の被験者の腸内細菌を対象としたものであったが、2016年に公表された研究では、イルミナ社製の次世代シーケンサーが用いられ、解析対象者の数は1135人に及ぶ。