私たちの体は約30兆個のヒト細胞で構成されていますが、同時に約39兆個の微生物細胞も宿っています。腸内、口腔内、皮膚など、あらゆる場所に生息する細菌、ウイルス、原生動物、真菌からなるこれらの群集は、総称してヒトマイクロバイオームと呼ばれています。これらの微生物は、単に寄生虫や潜伏病原体で構成されているだけではありません。科学者たちがますます認識しつつあるように、これらの微生物は私たちの健康に不可欠な生態系を形成しています。これらの繊細なシステムの混乱が、どのように私たちに必要な栄養素を奪い、食物の消化を妨げ、そして心身の不調を引き起こすのかを解明しようとする研究がますます増えています。
しかし、私たちのマイクロバイオームについてはまだほとんど何も分かっていないため、より根本的な疑問への答えがようやく見えてきたところです。「これらの微生物はどこから来るのか？風邪ウイルスや胃腸炎のように、他の人から感染する可能性があるのか？」
ヒトマイクロバイオームの伝播に関する最大規模かつ最も包括的な解析が、いくつかの重要な手がかりをもたらしました。イタリアのトレント大学のゲノム学者が主導した研究により、マイクロバイオームの微生物が人々の間で、特に多くの時間を共に過ごす人々の間で広く伝播しているという手がかりが見つかりました。1月にNature誌に掲載されたこの研究結果は、人が生涯を通じてどのようにマイクロバイオームを構築し、再構築していくのかという理解における重要なギャップを埋めるものです。
他の科学者たちもこの研究を称賛している。マウントサイナイ・アイカーン医科大学の遺伝学・ゲノム科学准教授、ホセ・クレメンテ・リトラン氏は、この研究を「傑出した」ものと称賛し、家族や同居者間でどの程度の共有が期待できるかを明確に示す初めての指標だと述べた。
この研究は、微生物が糖尿病やがんなどの疾患のリスクを高めたり低くしたりできるかどうか、そしてそれによって通常は伝染性がないと考えられている病気に伝染性の側面をもたらすかどうかという興味深い憶測を刺激する。 2020年にこの可能性についてサイエンス誌に論評を寄稿したブリティッシュコロンビア大学の微生物学教授、ブレット・フィンレイ氏にとって、この研究結果は「非伝染性疾患をそのように呼ぶべきではないという結論に、決定的な釘を打ち込んだ」ものだ。
計り知れない多様性
マイクロバイオームは指紋のようなもので、非常に多様性に富んでいるため、全く同じマイクロバイオームを持つ人は一人もいません。また、非常に動的で、生涯を通じて成長、縮小、進化を繰り返します。そのため、赤ちゃんのマイクロバイオームは成長する頃には大きく異なっているのです。西洋化された社会では、少数の微生物種が90%以上の人々に見られますが、ほとんどの微生物種は20%から90%の人々に見られます。（おそらくほとんどの人が唯一名前を挙げられる腸内細菌である大腸菌でさえ、90%の頻度には達していません。）研究によると、非西洋化社会では、微生物の多様性とマイクロバイオームの多様性がさらに高いことが示唆されています。
集団内において、ランダムに選ばれた2人の個人が共通するマイクロバイオームの種は通常、半分未満です。腸内微生物構成の重複は平均して30～35%です。微生物学者の間では、すべての健康な人が持つ「コア」となる微生物種群が存在するかどうかについて議論されていますが、もし存在するとしても、おそらく全体の1桁台の割合でしょう。
しかし、微生物がヒト間でどのくらいの頻度で感染するかを特定することは、種を探すよりもはるかに困難な問題です。一つの種は、多くの異なる株、つまり遺伝子変異体から構成されている可能性があります。そのため、研究者はマイクロバイオームサンプル中の遺伝子を調べることで、個々の株を特定できる必要があります。そして、ヒトのマイクロバイオームには、200万から2000万もの固有の微生物遺伝子が存在する可能性があり、微生物は常に遺伝子を入れ替え、変異し、進化しています。
だからこそ、マイクロバイオーム内の多数の細胞がどのように拡散するかを知ることは、「一つの病原体の拡散を追跡する方法を知るよりもはるかに難しい」と、トレント大学のポスドク研究員で今回の研究の筆頭著者であるミレイア・ヴァレス＝コロマー氏は述べている。最近まで、集団内で菌株を追跡することは不可能だった。
2010年、ニコラ・セガータがハーバード大学のポスドク研究員としてヒトマイクロバイオーム・プロジェクトのための膨大な遺伝子データセットの解析を開始した当時、当時利用可能なツールは、ヒトのマイクロバイオームに含まれる種を正確に特定するために必要な解像度を欠いていました。微生物が属する大まかな分類群を特定することは可能でしたが、それはまるで、ある人物の居住地をアメリカ中西部に絞り込むようなものでした。
その後数年間、様々な研究室で、社会的交流や近接生活が霊長類やマウスのマイクロバイオームに影響を与えるという証拠が発見されました。パプアニューギニアなどの比較的孤立した集団を対象としたヒト研究でも、微生物の共有の兆候が見られました。ペットからの感染の痕跡が見つかった研究もありました。しかし、これらの研究には限界があったため、感染がどれほどの規模で起こっているのか、そしてそれがどこでも同じ程度に起こっているのかは明らかではありませんでした。
しかし、セガタ氏が2013年にトレント大学に研究室を設立してから状況は一変した。彼とチームは、同じ種の菌株を区別できるメタゲノミクスツールの開発と改良に着手し、マイクロバイオームの伝播をより詳細に研究できるようになった。
セガタ氏は2018年、母親と乳児の微生物叢を分析することでこの問題の探究を始めました。彼の研究グループの研究結果と他の複数の研究は、母親から乳児への大量の微生物伝播があり、母親が「出生時にマイクロバイオームを刷り込んでいる」という以前の疑念を裏付けました、とセガタ氏は述べました。最近の研究では、母親が数年かけて乳児のマイクロバイオームを形成し続けることが示されています。
しかし、マイクロバイオームの多様性は幼少期と成人期で大きく変化するため、母親からの早期継承は「成人期に見られる微生物群を説明できない」とセガータ氏は述べた。その後の実験では、新たな微生物が人々が摂取した食物に由来する可能性はほぼ排除された。なぜなら、それらの微生物は腸内にうまく定着できなかったためである。
だから「感染はしているに違いない」とセガタ氏は言った。「私たちの腸内にあるものが、他の人の腸から来たに違いない」
家族や友人と共有する
マイクロバイオームの新たなグローバル解析のために、セガータ、ヴァレス＝コロマー、そしてその同僚たちは、これまで知られていなかった種や、同じ種の異なる株を認識できるまでにツールを改良しました。これらのツールを用いて、彼らは五大陸20カ国から集められた9,700以上の便と唾液のサンプルを解析しました。これらのサンプルは、非常に多様なライフスタイルを持つコミュニティを代表し、人間の寿命の全範囲と様々な生活様式を網羅しています。彼らは、家族、ルームメイト、隣人、そして村の間で80万以上の微生物株を追跡し、共有されている種のうち、同一株が占める割合を計算しました。
予想通り、母子間のウイルス株の共有は生後1年目に最も多く見られ、乳児の腸内で発見された共有株の約50%は母親から伝播した株であった。母親の影響は時間とともに減少し、3歳時の27%から30歳時には14%にまで減少したが、完全に消失したわけではなかった。中国では、一部の高齢者が、100歳を超えて生き延びている母親と依然としてウイルス株を共有していることが示された。
イタリアのトレント大学の研究者、ミレイア・ヴァレス・コロマー氏とニコラ・セガータ氏は最近、世界中のヒト微生物叢の伝播に関する大規模な分析を完了した。これは、これまでに実施された中で最も包括的な研究である。
トレント大学提供メイヨー・クリニックの免疫学者、ヴィーナ・タネジャ氏（この研究には関与していない）にとって、今回の研究結果の中で最も意外だったのは、経膣分娩で生まれた乳児は帝王切開で生まれた乳児よりも母親と多くのウイルス株を共有していたにもかかわらず、この差は3歳までに消失したということだ。「帝王切開で生まれた乳児は特定の病気のリスクが高いかもしれないと、人々は大騒ぎする」とタネジャ氏は述べた。しかし、今回の研究結果は、もしかしたら「それほど大きな問題ではない」ことを示唆している。
（この見解は、今月Cell Host & Microbe 誌に掲載された新しい研究によって裏付けられました。帝王切開で生まれた赤ちゃんは、経膣分娩で生まれた赤ちゃんよりも母親の微生物叢を受け継ぐ量が少ないものの、母乳からより多くの微生物を受け継いでいるため、恩恵を受けられないわけではないことがわかりました。）
年齢を重ねるにつれて、私たちのマイクロバイオームのかなりの部分は、一緒に暮らしている人々や身近な人々から受け継がれていきます。予想通り、セガタ氏らの研究では、配偶者やその他の身体的に親密なパートナーは多くの微生物を共有していることがわかりました。腸内細菌種の13%が同じ菌株であり、口腔内細菌種の38%も同じ菌株でした。
しかし、プラトニックな関係で一緒に暮らしていた人々も、腸内細菌叢の共有割合が12%、口腔細菌叢の共有割合が32%と、それほど差はなかった。これは、セガータ氏、バレス＝コロマー氏、そして彼らのチームが発見したように、伝染の最も重要な決定要因は共に過ごした時間だったからだ。同じ屋根の下で暮らす人々は最も多くの菌株を共有していたが、同じ村に住む人々でさえ、遠く離れた人々よりも多くの菌株を共有する傾向があった。菌株の共有頻度は異なる社会間で一貫していたが、研究チームは、非西洋化国の人々はより多様なマイクロバイオームを持つ傾向があるという以前の研究結果を裏付けた。
研究者たちはまた、共通の遺伝子系統が時間の経過とともに失われる可能性があることも発見した。一緒に育った双子の遺伝子系統共有率は約30%であったが、30年間別々に暮らした後では約10%に低下した。
セガータ氏は、共通する菌株の大半も、おそらく他の人々から来ていると考えている。主に友人や同僚といった身近な人からだが、もしかしたらもっと短時間で気軽に会う人からも来ているかもしれない。（ただし、ペットは大きな要因ではないだろう。セガータ氏によると、動物は主に、人間の体内に定着したり持続したりしない微生物種を宿しているという。）
この発見は、私たちが最も多くの時間を共に過ごす人々とマイクロバイオームの一部を共有していることを示す、これまでで最も強力な証拠です。著者らが、単一の集団だけでなく、世界中でこの伝播パターンを観察できたという事実は「衝撃的」だと、コーネル大学生物医学工学准教授のイラナ・ブリト氏は述べています。「これらのデータセットは非常にノイズが多く、様々な生物間で多くの変異が起こっている」とブリト氏は付け加えました。しかし、研究チームは「ノイズの向こうにあるシグナル」を発見することに成功しました。
マイクロバイオームの微生物がどのように人から人へと広がるのかは明らかではありません。キスや性行為が一部説明できるものの、咳やくしゃみで飛び散る飛沫を介して感染したり、汚染された表面から付着したりすることも考えられます。また、どの微生物が他の微生物よりも拡散しやすいのかについても、まだ解明されていない点が多くあります。この疑問に答えることは、マイクロバイオームの微生物が拡散するという考えの意味を理解する上で非常に重要です。
健康や病気の蔓延
共有の範囲によって、固有の微生物の分布パターンが明らかになったので、疾患において何が起こるのかを調査することができます。「その意味で、この研究は本当に基礎的なものだと思います」とクレメンテ氏は述べました。
通常は伝染性がないと考えられている病気の中にも、見落とされがちな伝染性の側面がある場合があります。フィンレイ氏によると、人から人へ感染しない病気にかかっている人の多くは、マイクロバイオームが「めちゃくちゃ」になっているように見えることが研究で明らかになっています。
例えば、一部の大腸菌株は、がんリスクを高める可能性のある毒素を放出する可能性があります。腸内細菌叢にフソバクテリウム属細菌が多く含まれる特定の大腸がん患者は、予後が悪く、治療成績も悪くなる傾向があります。体内の血糖値とインスリン値に影響を与える腸内細菌叢は、肥満やメタボリックシンドローム、さらには2型糖尿病などの疾患と関連があるとされています。腸内細菌叢の不均衡は神経変性と関連付けられており、アルツハイマー病などの脳疾患にも影響を及ぼす可能性があると考えられています。
「これらの病気が少なくとも部分的にマイクロバイオームに依存しており、マイクロバイオームが少なくとも部分的に伝染性である場合、これらの病気は少なくとも部分的に伝染性になります」とセガタ氏は述べた。
しかし、「特定のマイクロバイオームが（病気の）リスクにどの程度寄与しているかを理解することは難しい問題です」とクレメンテ氏は述べた。そのような関連性を見出した研究のほとんどでさえ、その微生物が病気を引き起こすのか、それとも単に病気のリスクが高い人に定着しやすいだけなのかを解明できていない。
非感染性の健康問題のリスクを高める「悪玉」微生物が人から人へと伝染するのであれば、理論上は、それらのリスクを低下させる「善玉」微生物も伝染する可能性があります。いくつかの研究では、微生物が特に幼少期において、喘息やアレルギーなどの疾患から保護する可能性があることが示唆されています。糞便移植などを通じて健康なマイクロバイオームの一部を意図的に共有することは、クロストリジウム・ディフィシル菌などの特定の疾患や感染症の治療において驚くべき効果があることが証明されています。
私たちは微生物群から大きな恩恵を受けているため、微生物群を維持するように進化してきたと、ユニバーシティ・カレッジ・コークおよびAPCマイクロバイオーム・アイルランドの生態学、食品、マイクロバイオームの教授であるイェンス・ウォルター氏は述べている。ウォルター氏が、私たちが共有する微生物が病気を引き起こしているという仮説に納得せず、むしろ「旧友」仮説または衛生仮説と呼ばれる逆の考え方に傾倒しているのはそのためだ。この仮説は、進化の過程において、マイクロバイオームが免疫系の反応を訓練するのに役立ってきた可能性があると提唱している。したがって、抗生物質や消毒剤の使用が増え、私たちがより清潔に過ごすようになった現代では、マイクロバイオームの構成が変化し、健康上の脆弱性が高まっている可能性がある。
1世紀前と比べて、「今日の世界では、微生物の拡散がより容易になっていることは間違いありません」とウォルター氏は述べた。炎症性腸疾患、多発性硬化症、関節リウマチ、1型糖尿病（いずれも感染症ではなく免疫疾患とみなされている）は、抗生物質や消毒剤を多用する傾向がある西洋社会でより蔓延している。
共有による有益な影響、あるいは有害な影響は、共有される種や菌株によって異なる可能性があり、これは依然としてブラックボックスと言えるでしょう。ブリト氏はまた、私たちの健康に影響を与えるのはマイクロバイオーム内の個々の微生物ではなく、それらの集団が一緒に伝播していく可能性も考慮すべきだと述べています。特定の微生物は、あるコミュニティの状況では他のコミュニティよりも大きな影響を与える可能性があります。
セガータ、バレス・コロマー、および彼らのチームは、研究では健康な個人のみを分析しましたが、進行中の研究では、メタゲノムツールを病気を持つ人々のデータセットに適用し、その結果が健康とマイクロバイオームの関係を明らかにするかどうかを確認しています。
研究チームは現在、3つの保育園から乳幼児とその両親、兄弟姉妹、ペット、そして保育士のデータを採取している。研究者たちは、微生物がどのように伝染するのか、そして特定の腸内細菌や口腔内細菌が人から人へと感染するのにどれくらいの時間がかかるのかを解明したいと考えている。
マイクロバイオームの微生物の拡散を追跡することは、長い間無視されてきました。「それが私たちの健康にこれほど大きな影響を与えるとは考えられていなかったからです」とヴァレス＝コロマー氏は言います。今ではマイクロバイオームを調べる技術があり、「事実上あらゆる疾患とマイクロバイオームの関連性が明らかになっています」。
編集者注：セガタ氏と彼のグループによる研究は、 シモンズ財団から資金提供を受けています。同財団は、編集上独立した雑誌「クォンタ」にも資金を提供しています。シモンズ財団の資金提供決定は、同雑誌の報道内容に一切影響を与えません。
オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。
