ヒトマイクロバイオーム計画で分かったこと【米国国立衛生研究所のサイトから】

私たちの身体にはヒトと共生している常在微生物が全身にいます。その微生物群のことを教えてくれるのが、米国国立衛生研究所が行ったヒト・マイクロオーム・プロジェクトです。
その研究結果から現在のところ分かっているのは次のようなことです。

ゲノムシークエンスで健常人と共生する微生物の最初のデータが作成された

Genome sequencing creates first reference data for microbes living with healthy adults.

正常微生物群の構成

微生物群は人体のほぼあらゆる部分に生存し、皮膚表面上、消化管内、鼻腔内に存在します。
一部の細菌は疾患を引き起こすこともありますが、ほとんどの場合、微生物群は宿主であるヒトと共生し、ヒトの生存に不可欠な機能を提供しています。
今回、米国国立衛生研究所（NIH; National Institutes of Health）が設立した研究者らからなるコンソーシアムにより、健常人の正常微生物群の構成が初めて明らかにされ、多くの洞察とともに少しばかりの驚くべき知見がもたらされました。

Microbes inhabit just about every part of the human body, living on the skin, in the gut, and up the nose. Sometimes they cause sickness, but most of the time, microorganisms live in harmony with their human hosts, providing vital functions essential for human survival. For the first time, a consortium of researchers organized by the National Institutes of Health has mapped the normal microbial makeup of healthy humans, producing numerous insights and even a few surprises.

健康人にも病原体がいる

たとえば、ほぼ全てのヒトは、疾患を引き起こすことが知られている微生物である病原体を保持していることが明らかになりました。
しかし、病原体は健康な人に疾患を引き起こすことはなく、単に宿主や人体に生存する微生物の集合体であるヒトマイクロバイオーム（微生物群ゲノム）と共存しています。
今回、なぜ一部の病原体が致死的になるのか、そしてそれはどのような状況下においてであるかが明らかになることは間違いありません。
そして、それは微生物がどのようにして疾患を引き起こすのかに関して現在の概念を変える可能性があります。

Researchers found, for example, that nearly everyone routinely carries pathogens, microorganisms known to cause illnesses. In healthy individuals, however, pathogens cause no disease; they simply coexist with their host and the rest of the human microbiome, the collection of all microorganisms living in the human body. Researchers must now figure out why some pathogens turn deadly and under what conditions, likely revising current concepts of how microorganisms cause disease.

ヒト・マイクロバイオーム・プロジェクト

2012年6月14日にNature誌およびPublic Library of Science (PLoS)の複数のジャーナルに協調して発表された一連の研究報告において、およそ80の大学および研究機関の約200人のヒトマイクロバイオームプロジェクト（HMP; Human Microbiome Project）のコンソーシアムメンバーが5年間の研究成果を発表しました。
HMPは、NIHの共通基金を、2007年の会計年度開始以来、1億5千3百万ドル受理しています。
NIH共通基金はインパクトが高く革新的なNIHの共同研究（trans-NIH）に対して助成されるものです。
NIHの各研究機関や各研究センターは、HMPコンソーシアム研究に対する共同助成金として追加で2千万ドルを提供しました。

In a series of coordinated scientific reports published on June 14, 2012, in Nature and several journals in the Public Library of Science (PLoS), some 200 members of the Human Microbiome Project (HMP) Consortium from nearly 80 universities and scientific institutions report on five years of research. HMP has received $153 million since its launch in fiscal year 2007 from the NIH Common Fund, which invests in high-impact, innovative, trans-NIH research. Individual NIH institutes and centers have provided an additional $20 million in co-funding for HMP consortium research.

ゲノムシークエンス

「15世紀の探検家が新大陸の概要を描いたのと同様に、HMPの研究者らは人体の正常微生物構成を初めて示すため、新しい技術戦略を採用しました。HMPは健常な検体提供者の微生物群を分析するため、ゲノムシークエンシング法を用いて画期的な参照データベースを作成しました。
このことは、この共有する情報源を持たなかったために以前は不可能であった感染症研究の加速化への基礎固めをします」と、NIHの所長であるFrancis S. Collins医学博士は言っています。

“Like 15th century explorers describing the outline of a new continent, HMP researchers employed a new technological strategy to define, for the first time, the normal microbial makeup of the human body,” said NIH Director Francis S. Collins, M.D., Ph.D. “HMP created a remarkable reference database by using genome sequencing techniques to detect microbes in healthy volunteers. This lays the foundation for accelerating infectious disease research previously impossible without this community resource.”

方法と結果（Methods and Results）

健常人の多様な微生物群

人体には数兆個の微生物が存在し、その数はヒトの細胞数の十倍にもなります。
微生物は非常に小さいため、ヒトの体重の約1～3％ですが（200ポンド（約90キログラム）の成人では細菌群は2～6ポンド（約0.9〜2.7キログラム）となり、ヒトの健康に大きな役割を果たしています。

The human body contains trillions of microorganisms — outnumbering human cells by 10 to 1. Because of their small size, however, microorganisms make up only about 1 to 3 percent of the body's mass (in a 200-pound adult, that’s 2 to 6 pounds of bacteria), but play a vital role in human health.

人間の正常なヒトマイクロバイオームを解明するため、HMPの研究者らは242人の健常米国人（男性129人、女性113人）から検体を採取し、男性15カ所、女性18カ所の身体部位から組織を収集しました。
研究者らは各検体提供者の各身体部位、すなわち口腔、鼻腔、皮膚（両耳の後ろ、両肘内側）、腸管下部（便）、女性の膣内の3カ所から最大で3検体を採取しました。
各身体部位にはアマゾンの熱帯雨林とサハラ砂漠に生息する微生物群に匹敵するほど多様な微生物が生息している可能性があります。

To define the normal human microbiome, HMP researchers sampled 242 healthy U.S. volunteers (129 male, 113 female), collecting tissues from 15 body sites in men and 18 body sites in women. Researchers collected up to three samples from each volunteer at sites such as the mouth, nose, skin (two behind each ear and each inner elbow), and lower intestine (stool), and three vaginal sites in women; each body site can be inhabited by organisms as different as those in the Amazon Rainforest and the Sahara Desert.

DNAゲノム塩基配列決定装置

歴史的に、医師は患者の微生物群を、病原体を分離して培養することにより研究していました。
微生物群は研究室内で増殖させることが困難であるため、通常はこの骨の折れる作業によってほんのわずかの種類の微生物しか同定することができませんでした。
HMPの研究者らは5000検体以上のヒトと微生物群の各検体の全DNAを精製し、DNAゲノムシークエンシング装置で解析しました。
計算機を用いて、細菌だけにみられる特異的な遺伝信号（16S rRNAと呼ばれる細菌のリボソームRNAの可変遺伝子）を同定するため、3.5兆塩基対のゲノム配列データを整列（ソート）させました。
細菌のリボソームRNAは、タンパク質を製造する細胞構造の形成を助けるので、様々な種類の微生物群の存在を同定することができます。

Historically, doctors studied microorganisms in their patients by isolating pathogens and growing them in culture. This painstaking process typically identifies only a few microbial species, as they are hard to grow in the laboratory. In HMP, researchers purified all human and microbial DNA in each of more than 5,000 samples and analyzed them with DNA sequencing machines. Using computers, researchers sorted through the 3.5 terabases of genome sequence data to identify specific genetic signals found only in bacteria — the variable genes of bacterial ribosomal RNA called 16S rRNA. Bacterial ribosomal RNA helps form the cellular structures that manufacture protein and can identify the presence of different microbial species.

この微生物の兆候に注目することでHMPの研究者らはヒトゲノムのシークエンスを解析することなく、細菌のDNAのみを解析することができるようになりました。
さらに、メタゲノミックシークエンシングあるいは、微生物群のシークエンシングによって、これらの微生物群の遺伝子にコード化されている代謝活性を解析することができたのです。

Focusing on this microbial signature allowed HMP researchers to ignore the human genome sequences and analyze only the bacterial DNA. In addition, metagenomic sequencing, or sequencing all of the DNA in a microbial community, allowed the researchers to study the metabolic capabilities encoded in the genes of these microbial communities.

「最近開発されたゲノムシークエンス法は、ヒトマイクロバイオーム研究にいわば強力なレンズを提供しました。DNAシークエンスにかかる費用が驚くほど下落したことよってヒトマイクロバイオームプロジェクトが行っているような大規模な研究が可能になった」と、NIHに代わってHMPを管轄する国立ヒトゲノム研究所（NHGRI; National Human Genome Research Institute）所長のEric D. Green医学博士は言っています。

“Recently developed genome sequencing methods now provide a powerful lens for looking at the human microbiome,” said Eric D. Green, M.D., Ph.D., director of the National Human Genome Research Institute, which managed HMP for NIH. “The astonishing drop in the cost of sequencing DNA has made possible the kind of large survey performed by the Human Microbiome Project.”

ヒトには１万種を超える微生物

医師らは、以前はわずか数百種の細菌種しか人体から分離できませんでしたが、HMPの研究者らは人体環境内に1万種を超える種類の微生物が存在することを計数できました。
さらに研究者らは健常成人の全微生物属のうち81～99％を同定したと見積もっています。

Where doctors had previously isolated only a few hundred bacterial species from the body, HMP researchers now calculate that more than 10,000 microbial species occupy the human ecosystem. Moreover, researchers calculate that they have identified between 81 and 99 percent of all microorganismal genera in healthy adults.

「私達はヒトの正常微生物群の多様性の境界を明らかにしました。健常西洋人において何が正常であるかについて良く理解するとともに、生理学と疾患に関連してマイクロバイオームがいかに変動するかを学びつつあります」と、NIHのプログラム調整・企画・戦略イニシアティブ（NIHの共通基金を含む）の部門長James M. Anderson医学博士は語っています。

“We have defined the boundaries of normal microbial variation in humans,” said James M. Anderson, M.D., Ph.D., director of the NIH Division of Program Coordination, Planning and Strategic Initiatives, which includes the NIH Common Fund. “We now have a very good idea of what is normal for a healthy Western population and are beginning to learn how changes in the microbiome correlate with physiology and disease.”

ヒト遺伝子より微生物遺伝子が関与する

また、これらの微生物によって起こる多血症では、ヒトの遺伝子が関与する以上に、多くのヒトの生存に応答する微生物遺伝子群が関与しているとHMPの研究者らは報告しています。
ヒトゲノムが約2万2千種類のタンパク質遺伝子をコード化しているのに対し、ヒトマイクロバイオームは約800万種類の固有のタンパク質遺伝子をコード化しており、ヒト遺伝子数の360倍の数の細菌遺伝子群が関与していると、見積もっています。

HMP researchers also reported that this plethora of microbes contribute more genes responsible for human survival than humans contribute. Where the human genome carries some 22,000 protein-coding genes, researchers estimate that the human microbiome contributes some 8 million unique protein-coding genes or 360 times more bacterial genes than human genes.

細菌遺伝子によって人間は食物を消化する

この細菌ゲノムの関与は人間の生存に非常に重要なものです。例えば胃や腸管にいる細菌が担う遺伝子群によって、人間は食物を消化し、生体内で合成できない栄養素を吸収することができるのです。

This bacterial genomic contribution is critical for human survival. Genes carried by bacteria in the gastro-intestinal tract, for example, allow humans to digest foods and absorb nutrients that otherwise would be unavailable.

微生物遺伝子がビタミンや抗炎症物質を生成する

「人間は、食事を消化するために必要なすべての酵素をもっているわけではありません。腸内微生物群はわれわれの食事のタンパク質や脂質、炭水化物の多くを、吸収可能な栄養素に分解します。さらに、微生物群はビタミンや、私たちのゲノムでは生成できない抗炎症物質などの有益な化合物を生成します」とNHGRIのHMPプログラム部長であるLita Proctor博士氏は言います。
抗炎症物質は、腫脹など、疾患に応答する免疫系の一部を制御している物質です。

“Humans don't have all the enzymes we need to digest our own diet,” said Lita Proctor, Ph.D., NHGRI's HMP program manager. “Microbes in the gut break down many of the proteins, lipids and carbohydrates in our diet into nutrients that we can then absorb. Moreover, the microbes produce beneficial compounds, like vitamins and anti-inflammatories that our genome cannot produce.” Anti-inflammatories are compounds that regulate some of the immune system's response to disease, such as swelling.

微生物の種類より代謝活性の方が重要

研究者らは微生物群の代謝活性の関与のほうが、それらを提供する微生物群の種類よりも重要であることを発見して驚きました。
例えば健康な腸管内では、脂肪の消化を助けるため常に細菌群が必要ですが、この機能を担うのはいつも同じ種類の細菌群であるとは限らないのです。

Researchers were surprised to discover that the distribution of microbial metabolic activities matters more than the species of microbes providing them. In the healthy gut, for example, there will always be a population of bacteria needed to help digest fats, but it may not always be the same bacterial species carrying out this job.

「細菌群は互いに代打を務めることができるようです。代謝機能があるかどうかが重要なのであって、どの種類の微生物がそれを供給するかではありません」と、Nature誌のHMP関連論文の１論文で共同筆頭著者になっているハーバード公衆衛生大学院のCurtis Huttenhower博士は言っています。

“It appears that bacteria can pinch hit for each other,” said Curtis Huttenhower, Ph.D., of Harvard School of Public Health and lead co-author for one of the HMP papers in Nature. “It matters whether the metabolic function is present, not which microbial species provides it.”

マイクロバイオームは変化している

ヒトマイクロバイオームの構成は時間とともに明らかに変化しています。患者が病気になったり抗生物質を服用したりすると、マイクロバイオームの構成する多くの種類の細菌群が影響を受け、かなり変動します。しかし最終的に微生物群は、たとえ以前の細菌型の構成ではないにしても平衡状態に戻ります。

Moreover, the components of the human microbiome clearly change over time. When a patient is sick or takes antibiotics, the species that makeup of the microbiome may shift substantially as one bacterial species or another is affected. Eventually, however, the microbiome returns to a state of equilibrium, even if the previous composition of bacterial types does not.

臨床への応用（Clinical Applications）

産道のマイクロバイオームの変化

NIHは、HMPの中で、マイクロバイオームと疾患の関係を明らかにするために数多くの研究に資金助成を行い、さらに診療結果を含めたPLoSの複数の論文にも資金助成しています。
例えばヒューストンのベイラー医科大学の研究者らは妊婦24人と妊娠していない女性60人の産道（膣内）のマイクロバイオームの変動を比較しましたが、産道のマイクロバイオームは出産準備期において細菌群の種類構成が劇的に変動していました。
その変動は主に種類の多様性減少が特徴でした。
新生児は、細菌を吸収するスポンジのようなものです。無菌である子宮から出た後、自分自身のマイクロバイオームをどんどん移入します。
新生児が出産後初めて微生物群に接触することから、産道のマイクロバイオームが健全な出産に関与していることは驚くにあたらないでしょう。

As a part of HMP, NIH funded a number of studies to look for associations of the microbiome with diseases and several PLoS papers include medical results. For example, researchers at the Baylor College of Medicine in Houston compared changes in the vaginal microbiome of 24 pregnant women with 60 women who were not pregnant and found that the vaginal microbiome undergoes a dramatic shift in bacterial species in preparation for birth, principally characterized by decreased species diversity. A newborn is a bacterial sponge as it populates its own microbiome after leaving the sterile womb; passage through the birth canal gives the baby its first dose of microbes, so it may not be surprising that the vaginal microbiome evolved to make it a healthy passage.

幼児の発熱

セントルイスのワシントン大学医学部の研究者らは、3歳未満の幼児によく認められる原因不明の発熱を有する小児の鼻腔内のマイクロバイオームを解析した。
発熱が認められた小児の鼻腔内検体には、発熱が認められない小児の最大5倍量のウイルスDNAが検出され、その種類はより広範であった。
過去の研究ではウイルスには、その複製に至適の温度範囲が存在することが示されている。
発熱は病原性ウイルスに対する生体防御機能の1つであるため、迅速なウイルス定量検査を行うことにより、ウイルスの殺傷効果もないうえ、子供の健康なマイクロバイオームを傷害してしまう抗生物質による不適切な治療を避けるのに役立ちます。

Researchers at the Washington University School of Medicine in St. Louis examined the nasal microbiome of children with unexplained fevers, a common problem in children under 3 years of age. Nasal samples from the feverish children contained up to five-fold more viral DNA than children without fever, and the viral DNA was from a wider range of species. Previous studies show that viruses have ideal temperature ranges in which to reproduce. Fevers are part of the body's defense against pathogenic viruses, so rapid tests for viral load may help children avoid inappropriate treatment with antibiotics that do not kill the viruses but may harm the child's healthy microbiome.

HMPのデータを用いた研究

これらの研究は、特定疾患におけるマイクロバイオームの機能を研究するためにそれらのデータを用いた最も初期の臨床的研究に含まれている。
NIHは、HMPのデータや技術を用いた多くの医学的研究に対して資金援助をしており、それらはクローン病、潰瘍性大腸炎、食道癌における腸内マイクロバイオームの機能や、乾癬、アトピー性皮膚炎、免疫不全における皮膚マイクロバイオームの機能、妊娠や性遍歴、包茎手術における尿生殖器マイクロバイオームの機能、さらには、小児の腹痛や腸管炎、腸管機能不全における未熟児の重篤状態など、数多くの小児期の障害において果たす機能などについての研究が含まれる。

These are among the earliest clinical studies using microbiome data to study its role in specific illnesses. NIH has funded many more medical studies using HMP data and techniques, including the role of the gut microbiome in Crohn's disease, ulcerative colitis and esophageal cancer; skin microbiome in psoriasis, atopic dermatitis and immunodeficiency; urogenital microbiome in reproductive and sexual history and circumcision; and a number of childhood disorders, including pediatric abdominal pain, intestinal inflammation, and a severe condition in premature infants in which the intestine actually dies.

疾患に特異的な研究

「ヒトマイクロバイオームプロジェクトにおいて重要なのは、疾患に特異的な研究を行うことが可能になることです。
私達は正常な ヒトマイクロバイオームがどのようなものかを理解できたので、マイクロバイオームの変動が疾患とどのように関連するのか、あるいはいかに疾患を引き起こすのかを理解できるでしょう」と、ヒトマイクロバイオーム研究の現状と今後の枠組みに関するNature誌掲載論文の筆頭共著者である、メリーランド州ロックビルのJ・クレイグ・ヴェンター研究所のBarbara Methé博士は語る。

“Enabling disease-specific studies is the whole point of the Human Microbiome Project,” said Barbara Methé, Ph.D., of the J. Craig Venter Institute, Rockville, MD, and lead co-author of the Nature paper on the framework for current and future human microbiome research. “Now that we understand what the normal human microbiome looks like, we should be able to understand how changes in the microbiome are associated with, or even cause, illnesses.”

マイクロバイオームの倫理的、法的、社会的意義の研究

NIHの共通基金は、マイクロバイオーム研究の倫理的、法的、社会的意義を評価する一連の研究に対しても資金援助している。これらの研究成果はまだ発表されていないが、数多くの重要な問題がすでに明らかになっている。それらには、人体に有用であると考えられる生きた微生物を含んだプロバイオティック製品などのマイクロバイオームを使用する製品群をどのように規制するかという問題から、どの人が健康な時にマイクロバイオーム蓄積を考慮し始める必要があるかどうかという問題まで含まれる。

The NIH Common Fund also invested in a series of studies to evaluate the ethical, legal and social implications of microbiome research. While the results of these studies are yet to be published, a number of important issues already have been identified, ranging from how products designed to manipulate the microbiome — such as probiotic concoctions that include live microorganism believed to benefit the body — might be regulated, to whether individuals should begin to consider storing their microbiome while healthy.

NIHとヒト・マイクロオーム・プロジェクト

NIHが2007年12月にHMPを開始したのち、NIHを含む研究助成機関やヒトマイクロバイオームの研究に関心を持つ世界中の研究者らを代表して国際ヒトマイクロバイオームコンソーシアムが2008年に設立された。コンソーシアムは研究の重複を避け、分子生物学的データや臨床的データを迅速に公表するために研究の調整を行っている。さらに共通データの品質基準や、研究結果を共有するためのツールを開発も行った。

After NIH launched HMP in December 2007, the International Human Microbiome Consortium formed in 2008 to represent funding organizations, including NIH, and scientists from around the world interested in studying the human microbiome. The consortium has coordinated research to avoid duplication of effort and insured rapid release of molecular and clinical data sets. It also has developed common data quality standards and tools to share research results.

他の大規模共同研究と同様に、NIHは研究者が、国立医学図書館の一部である国立生物工学情報センター(www.ncbi.nlm.nih.gov/genomeprj/43021?report=HMP)や、HMPデータ解析およびコーディネートセンター(http://www.hmpdacc.org/ Exit Disclaimer)などの公的データベースを通じてHMPデータに自由にアクセスできるようになっている。

As with other large-scale collaborative efforts, NIH ensured that the research community could freely access HMP data through public databases, such as the National Center for Biotechnology Information, part of the National Library of Medicine, and at the HMP Data Analysis and Coordinating Center

ヒトマイクロバイオームプロジェクトは、NIHの一機関であるNIH所長室（NIH Office of the Director）、米国国立アレルギー・感染症研究所(NIAID; National Institute of Allergy and Infectious Diseases)、米国国立関節炎・骨格筋・皮膚疾患研究所(NIAMS; National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases )、米国国立癌研究所(NCI; National Cancer Institute)、米国国立歯科・頭蓋顔面研究所(NIDCR; National Institute of Dental and Craniofacial Research)、米国国立糖尿病・消化器・腎疾病研究所(NIDDK; National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases)との共同事業により、国立ヒトゲノム研究所(NHGRI; National Human Genome Research Institute)が管轄している。

HMPに関するさらに詳細な情報はhttp://commonfund.nih.gov/hmp/index.aspxで閲覧できる。ヒトマイクロバイオームプロジェクトの健康な人を対象としたコホート研究で採取した身体部位を示す図はwww.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20163で閲覧できる。

The Human Microbiome Project is managed by National Human Genome Research Institute, in partnership with the NIH Office of the Director, the National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, National Cancer Institute, National Institute of Dental and Craniofacial Research, and National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, all part of NIH.

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