糖尿病個別化予防を加速するマイクロバイオーム解析AIの開発

文献情報

• 文献番号: 202103019A
• 報告書区分: 総括
• 研究課題名: 糖尿病個別化予防を加速するマイクロバイオーム解析AIの開発
• 課題番号: 21AC5004
• 研究年度: 令和3(2021)年度
• 研究代表者(所属機関): 国立研究開発法人 医薬基盤・健康・栄養研究所(国立研究開発法人医薬基盤・健康・栄養研究所)

研究分担者(所属機関)

• 國澤　純(医薬基盤・健康・栄養研究所　医薬基盤研究所)
• 水口　賢司(国立研究開発法人　医薬基盤・健康・栄養研究所　医薬基盤研究所　バイオインフォマティクスプロジェクト)
• 竹山　春子(早稲田大学　先進理工学部生命医科学科)
• 小川　順(京都大学　農学研究科)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 行政政策研究分野 政策科学総合研究（臨床研究等ＩＣＴ基盤構築・人工知能実装研究）
• 研究開始年度: 令和3(2021)年度
• 研究終了予定年度: 令和3(2021)年度
• 研究費: 265,000,000円
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究グループでは、腸内細菌叢を中心とするマイクロバイオームに関するデータベース構築を進めている。そこには腸内細菌データだけではなく、GWASなどのゲノム情報や生活習慣、健康診断情報、生理・体力指標、免疫因子や代謝物など豊富なメタデータが登録されている。さらに現在、共同研究として多くのグループに解析プロトコルを提供し、同一プロトコルで収集した様々な疾患患者のデータ統合を進めている。
本研究では、これらの研究基盤を活用し、サンプルの追加と腸内細菌の高機能なメタゲノムデータを加えたデータベースへの格納と拡張、さらにはデータ解析のためのプラットフォーム改変、糖尿病の予防や改善のための有用菌の機能・ゲノム解析、最先端メタボローム解析システムを用いた有用代謝物の同定、メカニズム解明、生産システムの開発などを進め、糖尿病の個別化予防やヘルスケア・機能性食品開発等のためのデータベースならびに人工知能（AI）の機能強化を図る。

研究方法

腸内細菌のゲノム解析は、ビーズ破砕法による便サンプルからのDNA抽出、もしくはSAG-gel法を用いたシングルセルゲノムDNAを取得し、次世代シーケンサーを用いて遺伝子配列を測定し、菌種情報、ショットガンメタゲノム情報、細菌ゲノムの系統情報を取得した。代謝物解析について、血清、糞便、菌の培養上清、菌体を対象に、液体クロマトグラフィーと三連四重極型質量分析計もしくはオービトラップ型質量分析計、ラマン分析計を用いたメタボローム解析を行った。
得られたデータは、食事習慣などのメタデータとともに、PostgresSQLデータベースに格納し、さらに独自に開発した統合解析プラットフォームMANTAについて、ショットガンメタゲノムデータなど新規のデータ型に対応できる機能を拡張した。
　有用代謝物について、生産に関わる酵素の特定を行い、遺伝子工学手法を用いて鍵酵素を発現する形質転換大腸菌を用いた有用代謝物の生産システムや精製手法の構築を行った。
　全ての研究は倫理指針に従って遂行した。

結果と考察

本年度は縦断データや介入試験を含む、約1,800名からサンプルとデータを収集し、腸内細菌のゲノム解析を実施した。これらの情報をメタデータと共にデータベースに格納、一部のデータを公開し（NIBIOHN JMD, https://microbiome.nibiohn.go.jp/）、さらに、インハウスの統合解析プラットフォームであるMANTAの機能を拡張して統合解析基盤を構築した。NIBIOHNマイクロバイオームデータベースや統合解析プラットフォームMANTAなどを活用し、食品メーカーと共同で食の効果を判定する機械学習モデルを構築するなど、本事業の成果の利活用を進めている。
また糖尿病改善候補菌を中心に、シングルセルゲノム解析を行い、全ゲノム情報により有用候補菌Xの多様性を示唆する結果を得た。また、メタボローム解析システムならびにラマン分析システムを用いて、有用候補菌Xの菌体内に特異的もしくは有意に多く蓄積しており、腸内環境の改善に関わると予想される代謝物を新たに同定するなど、抗肥満や抗糖尿病効果を発揮するメカニズムの解明を進めた。
また本プロジェクトにより同定したαKetoAなどの有用代謝物（ポストバイオティクス）について、ヒトへの実用性や妥当性を評価するため、ヒトサンプルを用いたメタボローム解析を行い、糞便中のαKetoAが基質となるαリノール酸の量と相関することを確認した。さらに、有用代謝物質の代替食品の開発など製品化や実用化に向けた検討・取組みを推進している。

結論

本研究において、メタデータの付随した世界最大級のマイクロバイオームデータベースの拡充、精度の高いマイクロバイオームメタゲノム解析による腸内細菌の機能解析と高機能メタボローム解析によるポストバイオティクス分析の実施が進捗した。これにより、糖尿病予防に繋がる実効因子の同定などマイクロバイオームとの関連が分子レベルで明らかになり、機能性食品開発等の産業利用のための学術基盤が確立されてきた。さらに、本研究プラットフォームは、糖尿病だけではなく、他の健康状態も対象にした研究基盤へと拡張しつつあり、すでに企業を含む多くの機関との共同研究の開始・推進につながっている。本成果を糖尿病の個別化予防システム開発へ発展させることで、民間の機能性食品・ヘルスケア関連産業の開発・投資につながる研究基盤として進展が期待できると考える。

公開日・更新日

• 公開日: 2022-09-07
• 更新日: -

行政効果報告

• 文献番号: 202103019C

成果

• 専門的・学術的観点からの成果: ヒトから得られたデータ解析と動物モデルを組み合わせた検討から、糖尿病の改善や予防効果が期待出来る有用菌や代謝物が同定され、そのメカニズム解明を進めている。また有用菌や代謝物の詳細な解析から、有用菌の多様性や代謝物の産生経路を明らかにし、様々な専門的観点からの新たな学術的知見が得られている。
• 臨床的観点からの成果: 糖尿病の改善や予防が期待出来る有用菌や代謝物の同定、さらにはヒトビッグデータ解析から、有用菌や代謝物と関連のある食生活や生活習慣などの情報など、糖尿病予備群の改善につながる知見が得られつつある。
• ガイドライン等の開発: 今回得られた知見は今後のポストバイオティクスやマイクロバイオームを標的としたヘルスケアに関するガイドライン作成などにおいて、有用な情報になると予想される。特に、腸内環境に基づく健康指導や個別化/層別化栄養指導システムなど、今後の健康づくりに関わる新しい知見となると期待される。
• その他行政的観点からの成果: 今回得られた知見は、腸内環境に基づく健康指導や個別化/層別化栄養指導システムなど、今後の健康づくりに関わる新しい知見として、健康、医療、福祉などの分野に貢献することが期待される。
• その他のインパクト: 本事業では糖尿病に主眼をおいて研究を進めているが、本システムは他の疾患にも応用可能であることから、今後の健康科学研究の中核システム一つとして、健康長寿社会の実現に貢献することが期待される。

発表件数

• 原著論文（和文）: 0件
• 原著論文（英文等）: 21件
• その他論文(和文): 12件
• その他論文(英文等): 0件
• 学会発表(国内学会): 51件
• 学会発表(国際学会等): 5件
• その他成果(特許の出願): 3件
• その他成果(特許の取得): 0件
• その他成果(施策への反映): 0件
• その他成果(普及・啓発活動): 0件

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

• 原著論文1: Maruyama S., Matsuoka T., Hosomi K., et al; Classification of the occurrence of dyslipidemia based on gut bacteria related to barley intake.; Front Nutrition , 9 (-) , 812469-812469 (2022); 10.3389/fnut.2022.812469
• 原著論文2: Matsuoka T., Hosomi K., Park J.,et al; Relationships between barley consumption and gut microbiome characteristics in a healthy Japanese population: a cross-sectional study.; BMC Nutrition , 8 (1) , 23-23 (2022); 10.1186/s40795-022-00500-3
• 原著論文3: Otoshi T., Nagano T., Park J.,et al; The Gut Microbiome as a Biomarker of Cancer Progression Among Female Never-smokers With Lung Adenocarcinoma.; Anticancer Res , 42 (3) , 1589-1598 (2022); 10.21873/anticanres.15633 Abstract
• 原著論文4: Nagatake T., Kishino S., Urano E.et al; Intestinal microbe-dependent ω3 lipid metabolite αKetoA prevents inflammatory diseases in mice and cynomolgus macaques.; Mucosal Immunol , 15 (2) , 289-300 (2022); 10.1038/s41385-021-00477-5
• 原著論文5: Tomizawa R., Park J., Hosomi K.,at al; Relationship between human gut microbiota and nutrition Intake in hypertensive discordant monozygotic twins.; J Hypertens (Los Angel) , 13 (12) , 4466-4466 (2021)
• 原著論文6: Kageyama S., Inoue R., Hosomi K.,et al; Effects of malted rice amazake on constipation symptoms and gut microbiota in children and adults with severe motor and intellectual disabilities: A pilot study. ; Nutrients , 13 (12) , 4466-4466 (2021); 10.3390/nu13124466
• 原著論文7: Ueta M., Hosomi K., Park J.,et al; Categorization of the ocular microbiome in Japanese Stevens-Johnson syndrome patients with severe ocular complications. ; Front Cell Infect Microbiol , 11 , 741654-741654 (2021); 10.3389/fcimb.2021.741654
• 原著論文8: Tsunematsu Y., Hosomi K., Kunisawa J.,et al; Mother-to-infant transmission of the carcinogenic colibactin-producing bacteria. ; BMC Microbiol , 24 (1) , 235-235 (2021); 10.1186/s12866-021-02292-1
• 原著論文9: Watanabe D., Murakami M., Ohno H., et al; Stool pattern is associated with not only the prevalence of tumorigenic bacteria isolated from fecal matter but also plasma and fecal fatty acids in healthy Japanese adults.; BMC Microbiol , 21 (1) , 196-196 (2021); 10.1186/s12866-021-02255-6
• 原著論文10: Park J., Kato K., Murakami H.,et al; Comprehensive analysis of gut microbiota of a healthy population and covariates affecting microbial variation in two large Japanese cohorts.; BMC Microbiol , 21 (1) , 151-151 (2021); 10.1186/s12866-021-02215-0
• 原著論文11: Nagatake T., Shibata Y., Morimoto S.,et al; 12-hydroxyeicosapentaenoic acid inhibits foam cell formation and ameliorates high-fat diet-induced pathology of atherosclerosis in mice.; Sci Rep , 11 (1) , 10426-10426 (2021); 10.1038/s41598-021-89707-1
• 原著論文12: Matsumoto N., Park J., Tomizawa R.,et al; Relationship between nutrient intake and human gut microbiota in monozygotic twins.; Medicina (Kaunas) , 57 (3) , 275-275 (2021); 10.3390/medicina57030275
• 原著論文13: Saika A., Nagatake T., Hirata S.et al; ω3 fatty acid metabolite, 12-hydroxyeicosapentaenoic acid, alleviates contact hypersensitivity by downregulation of CXCL1 and CXCL2 gene expression in keratinocytes via retinoid X receptor α. ; FASEB J , 35 (4) , e21354-e21354 (2021); 10.1096/fj.202001687R
• 原著論文14: Watanabe D, Murakami H, Gando Y,et al ; Association Between Temporal Changes in Diet Quality and Concurrent Changes in Dietary Intake, Body Mass Index, and Physical Activity Among Japanese Adults: A Longitudinal Study.; Front Nutr. , 9 , 753127-753127 (2022); 10.3389/fnut.2022.753127
• 原著論文15: Kawakami R, Miyachi M, Tanisawa K,et al; Development and validation of a simple anthropometric equation to predict appendicular skeletal muscle mass.; Clin Nutr. , 40 (11) , 5523-5530 (2021); 10.1016/j.clnu.2021.09.032
• 原著論文16: Tripette J, Gando Y, Murakami H,et al ; Effect of a 1-year intervention comprising brief counselling sessions and low-dose physical activity recommendations in Japanese adults, and retention of the effect at 2 years: a randomized trial.; BMC Sports Sci Med Rehabil , 13 (1) , 133-133 (2021); 10.1186/s13102-021-00360-7
• 原著論文17: Zhang Y., Mikkel N., Breum D.et al; Semi-rational engineering of a promiscuous fatty acid hydratase for alteration of regioselectivity; Chembiochem , 23 (4) , 20210006-2021006 (2022); 10.1002/cbic.202100606
• 原著論文18: Fujita Y., Kano K., Kishino S.,et al; Dietary cis-9,trans-11-conjugated linoleic acid reduces amylo β-protein accumulation and upregulates anti-inflammatory cytokines in an Alzheimer’s disease mouse model.; Sci Rep , 11 , 9749-9749 (2021); 10.1038/s41598-021-88870-9
• 原著論文19: Murata Y., Harada N., Kishino S.,et al; Medium-chain triglycerides inhibit long-chain triglyceride-induced GIP secretionthrough GPR120-dependent inhibition of CCK.; iScience , 24 (9) , 102963-102963 (2021); 10.1016/j.isci.2021.102963
• 原著論文20: Watanabe H., Usami R., Kishino S.,et al; Enzyme systems involved in glucosinolate metabolism in Companilactobacillus farciminis KB1089; Sci Rep , 11 , 23715-23715 (2021); 10.1038/s41598-021-03064-7

公開日・更新日

• 公開日: 2022-09-07
• 更新日: 2023-06-09

収支報告書

• 文献番号: 202103019Z
• 報告年月日: 2022年06月15日

収入

• (1)補助金交付額: 34,450,000円
• (2)補助金確定額: 34,450,000円
• 差引額 [(1)-(2)]: 0円

支出

研究費 (内訳)	直接研究費	物品費	143,397,723円
		人件費・謝金	36,891,239円
		旅費	327,700円
		その他	84,385,225円
	間接経費		79,500,000円
	合計		344,501,887円

備考

備考

支出の合計に自己資金1,887円を含むため。

公開日・更新日

• 公開日: 2022-09-07
• 更新日: -