「腸内微生物に変化があるマウスやその他のモデル生物では、行動にも変化が現れることを示す研究が、ますます増えています」と語るのは、 エレイン・シャオ氏。生物学・生物工学の研究助教であり、本研究の筆頭責任著者でもある。「微生物が神経系とどのようにコミュニケーションを取るのかに関心があります。まず、通常の腸内微生物が宿主の神経伝達物質のレベルに影響を与える可能性を検討しました。」
末梢セロトニンは、消化管の腸クロム親和性（EC）細胞のほか、特定の種類の免疫細胞や神経細胞によっても産生されます。シャオ氏と同僚たちはまず、腸内微生物が腸内のセロトニン産生に影響するのか、影響するならどの種類の細胞に作用するのかを調べようとしました。そこで、通常の腸内細菌叢を持つマウスと、常在微生物を持たない無菌マウスの末梢セロトニン濃度を測定しました。
研究者らは、無菌マウスのEC細胞が産生するセロトニンは、通常の細菌群を持つマウスのEC細胞に比べて約60％少ないことを発見しました。無菌マウスに通常の腸内微生物を再定着させると、セロトニン濃度は再び上昇し、セロトニン不足が回復可能であることが示されました。
「EC細胞は腸内のセロトニンの豊富な供給源です。この実験でわかったのは、セロトニンを作るには微生物が必要らしいということです。少なくとも、その大部分はそうです」と、論文の筆頭著者で、シャオ氏のもとで研究技術者を務めるジェシカ・ヤノ氏は述べています。 依存 する
次に研究者らは、腸内に生息する多様な微生物のうち、特定の細菌種がEC細胞と相互作用してセロトニンを作るのかを調べようとしました。
既知の腸内微生物から複数の単独種や群を試験した後、ヤノ氏、シャオ氏らは、約20種の芽胞形成細菌からなる群の存在という条件が、無菌マウスのセロトニン濃度を高めることを確認しました。この群を投与されたマウスでは、無菌マウスに比べて消化管運動も活発になり、血小板の活性化にも変化が見られました。血小板はセロトニンを利用して血液凝固を促すことが知られています。
微生物と宿主の興味深い協調に関わる可能性のある仕組みを詳しく調べるため、研究者らは鍵となる分子を探し始めました。芽胞形成細菌によって調節され、培養下でEC細胞からのセロトニン産生を高める、微生物の代謝産物を複数特定しました。さらに、無菌マウスでこれらの代謝産物を増やすと、セロトニン濃度も上昇しました。
この分野の先行研究では、一部の細菌はそれ自体でセロトニンを作ることが示されていました。しかし今回の研究は、体内のセロトニンの多くが、宿主と相互作用してセロトニンを産生する特定の細菌に依存していることを示唆すると、ヤノ氏は述べています。「私たちの研究は、腸内に通常存在する微生物が、宿主の腸細胞を刺激してセロトニンを産生させることを示しています」と説明します。 相互作用 する
「マイクロバイオームと免疫系・代謝系とのつながりはよく知られていますが、腸内微生物が神経系の形成に果たす役割の研究は、生物科学における刺激的な最前線です」と、ルイス・B・アンド・ネリー・スー教授（微生物学）で本研究の共著者でもあるサーキス・K・マズマニアン氏は述べています。「この研究は、この新興分野におけるカリフォルニア工科大学の先駆的な先行研究を見事に発展させています。」
共著者であるエセル・ウィルソン・ボウルズ・アンド・ロバート・ボウルズ教授（化学・化学工学）のルステム・イスマギロフ氏は、次のように付け加えています。「この研究は、宿主と微生物群集の間にある化学的相互作用の豊かさと、この研究を主導したシャオ博士の幅広い科学的知見と洞察力の両方を示しています。」
セロトニンは人間の健康の多くの側面にとって重要ですが、こうした知見を臨床に応用できるようになるまでには、さらに多くの研究が必要だとシャオ氏は注意を促します。
「セロトニンを増加させるだけでなく、まだ調査されていない他の作用もあると考えられる細菌群を特定しました」と同氏は述べています。「また、末梢セロトニンが過剰になると有害に見える状態もあります。」
この研究では腸内のセロトニンに限って調べましたが、シャオ氏と研究チームは現在、この仕組みが発達中の脳にとっても重要なのかを調査しています。「セロトニンは、さまざまな生物学的過程に関与する重要な神経伝達物質であり、ホルモンでもあります。腸内微生物がセロトニン濃度を調節するという発見は、微生物を利用して生物学的変化を促すという興味深い可能性を示しています」とシャオ氏は述べています。
本研究の成果は、「 腸内マイクロバイオータ由来の常在細菌が宿主のセロトニン生合成を調節する 」と題する論文で発表されました。シャオ氏、ヤノ氏、マズマニアン氏、イスマギロフ氏のほか、カリフォルニア工科大学から学部生のクリスティ・ユー、ガウリ・シャストリ、フィービー・アン、大学院生のグレゴリー・ドナルドソン、博士研究員のリアン・マーが共著者として参加しています。共著者のキャスリン・ネーグラー氏はシカゴ大学に所属しています。
本研究は、シャオ氏を対象とするNIH所長早期独立賞およびカリフォルニア工科大学環境微生物相互作用センター賞の助成を受けました。また、マズマニアン氏へのNSF、NIDDK、NIMHの助成金、イスマギロフ氏へのNSF EFRIおよびNHGRIの助成金、ネーグラー氏へのNIAID、Food Allergy Research and Education、シカゴ大学消化器疾患センター中核施設からの助成金による支援も受けました。
本記事は、 カリフォルニア工科大学 との協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：ジェシカ・ストーラー＝コンラッドは、カリフォルニア工科大学のサイエンスライターです。
画像：顕微鏡で見た腸内細菌。ロイター。
