すべての多細胞生物は，共生微生物とともに存在して いる．たとえば，我々ヒトは，2 kgもの微生物と暮ら しているといわれている．そのほとんどが腸内微生物で あるが，その数は，全身を構成する細胞の10倍，遺伝 子の数としてはヒトゲノムの100倍，代謝機能としては 一人分の肝臓に匹敵すると試算されている．そして，
様々な代謝物を産生することで，宿主と共生関係を形成 している．最近では，それだけでなく，宿主の免疫系と 相互作用して形成された腸内細菌叢が､ 宿主の恒常性維 持に重要であることもわかってきている．今回は，ショ ウジョウバエをモデルとした腸管における自然免疫応答 について概説し，加えて最近の話題である腸内細菌と宿 主ショウジョウバエとの相互作用に関する知見を紹介し
たい．
ショウジョウバエ腸管での細菌感染と腸内細菌 表皮や腸管上皮は外界の病原微生物に最もさらされる 部位であり，したがってこれら微生物に対抗するための 免疫システムを備えている．特にハエは腐敗した果物や 腐肉をエサとしているため，大量の微生物を日々摂食し ている．このことからも，ハエ腸管における強力な免疫 機構の存在が想像される．細菌を体液中に注入した際の ショウジョウバエ自然免疫応答の研究と比較して，腸管 感染時の免疫応答についてはまだ報告が少ないものの，
これまでの解析によりショウジョウバエ腸管における防
ショウジョウバエ腸管 での免疫応答と制御
倉石貴透，倉田祥一朗
東北大学大学院薬学研究科
セミナー室
自然免疫の応答と制御
──その共通性と多様性‒8
御反応は次の4段階によって行なわれていると考えられ ている．①囲食膜による物理的防御，②腸管上皮細胞に よる活性酸素種 （Reactive Oxygen Species, ROS） 産 生，③imd （immunodeficiency） 経路を介した抗菌ペプ チド産生，④感染により傷ついた上皮細胞の修復であ る．本稿の前半部でこれら各々のステップについて解説 する．
一方で，ショウジョウバエの腸管にも哺乳類と同様に 腸内細菌叢が存在する．これら腸内細菌がどのようにし て腸管免疫システムによる排除から逃れているのか，ま だ充分な理解は得られていない．本稿の後半部で，imd 経路を負に調節する因子群が非感染時の免疫制御に重要 であることを示唆した最近の研究を紹介する．また，腸 内細菌叢が宿主ショウジョウバエの生理機能に与える影 響およびその分子機構を解析した報告を紹介する．
囲食膜による腸管上皮細胞の物理的保護
多くの昆虫には，腸管の管腔側に囲食膜と呼ばれるキ チンおよび糖タンパク質からなる半透膜が存在する（図 1）．この膜は，食物や細菌および巨大分子を通さないこ とが知られている．そして，膜上に存在する消化酵素に より分解された分解産物のみが囲食膜を透過することか ら，囲食膜は腸管上皮を病原体などから保護する物理的 障壁であると考えられている（1）．実際，大型昆虫を用い て薬剤処理などで囲食膜を破壊した実験に基づき，囲食
膜はウイルス感染から腸管上皮を保護していることが示 唆されている．最近，ショウジョウバエの囲食膜を構成 するタンパク質として dcy （drosocrystallin） が同定さ れ， 変異体を用いた実験により，囲食膜は腸管での 細菌感染に重要な役割をもっていることが初めて遺伝学 的に示された（2）．
dcyはキチン結合ドメインをもつ糖タンパク質で，複 眼と成虫の腸管に多く発現する． 変異体の囲食膜は 厚みが半分程度に減少しており，野生型の囲食膜を透過 しない高分子化合物も透過させることが示された．また
変異体は，ショウジョウバエに自然感染する 属のグラム陰性菌 （3）の経口感染 後，致死性が増悪する．さらに興味深いことに，
を破砕して調製した可溶性画分を摂食させた だけで 変異体成虫は死に至ることが明らかになっ た．可溶性画分を摂食させる実験において，
がもつ毒素の一つであるMonalysin（4）を欠損し た細菌で可溶性抽出液を調製し，これを摂食させた場合 は，殺虫効果が減弱することも明らかとなった．すなわ ち，dcyはMonalysinの毒性からショウジョウバエを守 るために必要であり，囲食膜は細菌毒素から上皮細胞を 保護する働きをもつことが示唆された．
囲食膜には，抗菌活性をもつリゾチームやペプチドグ リカン分解酵素なども存在していると考えられており，
細菌から上皮を守る物理的障壁として働くのみならず，
腸管免疫応答に必要な 場 としての働きももつと想像
図1■ショウジョウバエ成虫の腸管 構造
左の図は，解剖して取り出した状態 のショウジョウバエ腸管の模式図で ある．摂食された食物や細菌は，ま ずcropと呼ばれる袋状の臓器に入 る．そ し てproventriculusを 経 て 中 腸 （midgut） を通り，後腸 （hindgut）
を抜けて排泄される．マルピーギ管
（malpighian tubles） は，哺乳類の腎 臓に相当する組織で，浸透圧の調節 に関与している．右の図は中腸の断 面を示している．一層の腸管上皮細 胞 （epithelia） と少数の腸管幹細胞
（intestinal stem cells） や腸管内分泌 細胞が管腔を形成し，その外側を筋 肉が覆っている．管腔側には，キチ ンや糖タンパク質からなる囲食膜
（peritrophic matrix） が存在する．
される．囲食膜の経口感染時の機能については，今後の さらなる詳細な解析が待たれる．
Duoxによる活性酸素種 （ROS） 産生
NADPHオキシダーゼファミリーの分子によって産生 されるROSは，好中球やマクロファージ内でのバクテ リアの殺菌に重要な役割を果たしていることは広く知ら れている．ショウジョウバエのDuox （Dual oxidase） は NADPHオキシダーゼファミリーに属する酵素であり，
腸管感染時の生体防御に必要な分子として同定され た（5）．実際，RNAiを用いてDuoxの発現を全身で低下 させたハエでは，酵母の経口感染において致死となる成 虫が観察される．
ショウジョウバエ飼育用のエサには通常酵母が加えら れており，常に微弱な経口感染の状態にあるといえる．
酵母を摂食した際，腸管上皮細胞と酵母との相互作用に より上皮細胞中のホスホリパーゼC（PLC） がGタンパ ク質のG
α
qによって活性化され，イノシトール三リン 酸 （IP3） を介して細胞内カルシウムイオン濃度の上昇を 導く．このカルシウムイオン濃度上昇がDuoxの酵素活 性を調節し，ROS産生を促すことが示されている（6）． しかし，酵母のどのような成分がGα
qを活性化するか など，未解決な点も残っている．酵母より毒性の強い 属のグラム陰性菌 の経口感染時には，G
α
qを介したDuoxの酵素活性調節 によるROS産生だけでは殺菌に不十分である．そのた めショウジョウバエ成虫は，Duoxの発現量を上昇させ ることで病原性細菌の排除に対応する．グラム陰性菌の ペプチドグリカンおよび非ペプチドグリカン性の未知分 子により，MAPキナーゼ経路の一つであるMEKK1→ MEK3→p38経路の活性化が誘導され，転写因子ATF2 の活性化によりDuox発現の増加を促す（7）．この経路の 活性化がDuoxによる の排除に重要である．ROS の産生は病原性細菌の排除に重要である一方，後述する ように，自分自身の上皮細胞を強く傷害してしまうこと も明らかになってきている．上皮細胞による抗菌ペプチド産生
抗菌ペプチドは，無脊椎動物から哺乳類にまで進化的 に保存された抗菌活性をもつペプチドの総称である．
ショウジョウバエの体液中に細菌を注入した際，脂肪体 から分泌される抗菌ペプチドが細菌の排除に重要であ る（8）．抗菌ペプチド産生を導くシグナル伝達経路として
Toll経路，imd経路の2つが知られており，両経路につ いて詳細な解析がなされている． や
属のグラム陰性菌 の経口感染におい て，imd経路による抗菌ペプチド産生に必要な転写因子 Relishを欠損したショウジョウバエ成虫の生存率が低下 することから，腸管感染時にはimd経路によって産生さ れる抗菌ペプチドが感染抵抗性に必要であると考えられ ている（9, 10） （図2）．さらに最近， に経口感染した 腸管のマイクロアレイ解析により，抗菌ペプチドを含む ショウジョウバエ自然免疫に関与する分子群の発現が imd経路を介して上昇することが示されていることから も（11），imd経路の経口感染における重要性がうかがわ れる．一方，病原性細菌は抗菌ペプチドの作用に抵抗し ようとする． の変異体解析により，
遺伝子が の病原性発現に重要であるこ とがわかった．その後の解析により， 遺伝子はメ タロプロテアーゼをコードし，AprAタンパク質は抗菌 ペプチドの作用を直接阻害するように働くことが示され た（9）．これは，病原性細菌が宿主の腸管免疫応答から逃 れる戦略の一つを示す例であるといえる．
腸管幹細胞の分裂・増殖による傷ついた腸管の修復 ショウジョウバエ成虫の腸管は，哺乳類と同様に細胞 のターンオーバーが速く，通常1週間くらいで新たな細 胞に入れ替わる．ショウジョウバエ成虫の中腸には幹細 胞が存在し，Delta-Notchシグナルカスケードやwing- less経路といった哺乳類と類似した分子機構でその分 化・分裂が制御されている（12, 13）．この腸管幹細胞によ り，腸管上皮細胞と腸管内分泌細胞などが生み出され る．これらの細胞群は筋肉により取り囲まれており，腸 管管腔を形成している．
細菌排除のために産生されたROSは，自分自身の腸 管上皮細胞も同時に傷害してしまう（14）．実際，
の経口感染後，腸管上皮細胞はROSによるダメージの ため半分近くまで失われることがわかっている（15）．こ の損傷を修復するため，ショウジョウバエ腸管の幹細胞 は急速に分裂・増殖を開始する．腸管幹細胞増殖に必要 なシグナル伝達経路として JAK-STAT （Janus kinase- signal transducer and activators of transcription） 経路 とEGFR （epidermal growth factor receptor） 経路が最 近同定された（14〜18） （図3）．ダメージを受けた腸管上皮 細胞は，JAK-STAT経路の受容体であるDomelessのリ ガンドUpd3を分泌する．これが腸管幹細胞のJAK- STAT経路を活性化し，幹細胞を分裂・増殖へと導く．
また，Upd3は腸管を取り囲む筋肉にも作用し，EGFR 経路のリガンドであるVeinの産生を誘導する．Veinは 腸管幹細胞のEGFR経路を活性化し，JAK-STAT経路 と同様に腸管幹細胞の分裂・増殖に必要であることが明 らかになった．JAK-STAT経路とEGFR経路の両経路
を介した感染後の腸管上皮の修復はショウジョウバエ成 虫の生存に必須であり，これら経路の欠損体は経口感染 後の生存率が大幅に低下する．
図2■ショウジョウバエ腸管の免疫 応答シグナル伝達ネットワーク
（A） 非感染時の腸管上皮細胞．腸内 細菌や酵母由来の非ペプチドグリカ ン 性 の 分 子 がGαq→PLC→IP3→ Duoxの経路を活性化しROSの産生 が誘導される．並行して，ペプチド グリカン （PGN） がPGRP-LC→imd
→Relishの経路を活性化して抗菌ペ プチド （AMP） の産生を促す．この と き，PGRP-LB, PGRP-SCは ペ プ チ ドグリカンを非活性化型に分解し，
Pirk/Rudra/PIMSはPGRP-LCとimd の活性を抑制し，Caudalは抗菌ペプ チド遺伝子の転写を抑制することに より，imd経路の過剰な活性化を防 いでいる．（B） 感染時の腸管上皮細 胞．病原性細菌由来の大量のペプチ ドグリカンにより，imd経路が強く 活性化されて抗菌ペプチド産生が誘 導 さ れ る．同 時 に，MEKK1→
MEK3→p38→ATF2経 路 が 活 性 化 されてDuoxの発現量が上昇し，ROS が産生されて殺菌に働く．
ショウジョウバエの腸内細菌
ショウジョウバエの腸管では，哺乳類のそれと同様 に，さまざまな細菌が腸内フローラを形成している．特 に多く見られるのは 属および
属の細菌である（19）．これらの細菌はショウジョウバエ の生理機能を維持する上で重要な働きをもっていること が最近明らかにされた．
Leulierら は，腸 内 細 菌 を 除 去 し た（germ-freeの ） ショウジョウバエ幼虫を栄養不足の下で飼育すると，成 長速度が著しく低下することを見いだした（20）．さらに，
germ-freeの幼虫に 属の のみ を再び腸内細菌として定着させることで，観察された成 長速度の低下が回復することを明らかにした．そしてこ の 成 長 促 進 効 果 は，宿 主 の TOR （Target of Rapa- mycin） 経路によっていることが遺伝学的に示された．
同様にして，Leeらはgerm-freeのショウジョウバエを 酵母なしのエサで飼育すると，幼虫の発生速度が遅延し 体のサイズが小さくなることを見いだした（21）．この効
果は， 属の を再導入すること
で回復することを示した．さらに，これは
が産生する酢酸が宿主のインスリンシグナル経路を調節 することに起因していることを，ショウジョウバエと細 菌の遺伝学を駆使することによって突き止めた．今後，
腸内細菌叢がショウジョウバエのその他の生理機能をど のように調節しているかについて，さらなる知見が得ら れることが期待される．
腸内細菌がショウジョウバエ腸管の免疫系によって排 除されずに保たれている仕組みについてはまだよくわ かっていないものの，imd経路を介した免疫応答につい ては，経路の活性化を負に調節する制御因子，いわゆる
ネガティブレギュレーターが重要な役割を果たしている と考えられている．ペプチドグリカン認識タンパク質
（PGRP, peptidoglycan recognition protein） ファミリー は，細菌の細胞壁成分であるペプチドグリカンの認識と 分解に関わることが知られている（22）．ショウジョウバ エでは，そのゲノム中に13遺伝子が存在している．抗 菌ペプチドの産生を導くToll経路，imd経路ともに，ペ プチドグリカンを認識するPGRP-SA, -SD（Toll経路），- LC, -LE（imd経路）がセンサーとして機能する．ペプ チドグリカン分解酵素活性をもつアミダーゼ型PGRPで あるPGRP-LBおよびPGRP-SCは，ペプチドグリカンを センサー型PGRPが認識できない非活性化型にまで分解 することでimd経路を負に制御する（23）．また，細胞質 タンパク質のPirk/Rudra/PIMSはセンサー型PGRPで あるPGRP-LCの活性を直接抑制する働きをもつ（24〜26）． さらに，ホメオボックスタンパク質の一つであるCau- dalは，抗菌ペプチド遺伝子の転写を負に制御すること で，過剰な抗菌ペプチド産生をおさえている（27） （図2）． これらネガティブレギュレーターを欠損したショウジョ ウバエ成虫の腸管では，非感染時にも抗菌ペプチドの強 い誘導が見られる．さらに，ネガティブレギュレーター の欠損体成虫は，致死性のない軽度の経口感染時にも，
異常に高水準な抗菌ペプチド産生が持続し，おそらくそ れが原因で死に至ることが報告されている（22）．
おわりに
これまで，ショウジョウバエにおける腸管での免疫応 答と腸内細菌叢の維持，そして，それによる生体の恒常 性の維持について紹介してきた．哺乳動物にもPGRP ファミリーは4種類存在している．このPGRPファミ リーが，ショウジョウバエと同様に，マウスの腸内細菌 叢と恒常性の維持に重要な役割を果たしていることが，
最近明らかとなった（28）．PGRPファミリーの4種類すべ ての欠損変異体マウスで，デキストラン硫酸ナトリウム による組織障害で，潰瘍性大腸炎が誘発される．その 際，組織障害の場でNK細胞によりインターフェロン
γ
が放出されて，炎症が悪化する．PGRPファミリーの変 異体では，腸内細菌叢が変化しており，さらにそれらの 変異体の糞便により，腸内細菌を除去した野生型のマウ スに潰瘍性大腸炎が誘発されることから，PGRPファミ リーによって，潰瘍性大腸炎に抵抗性をもつような腸内 細菌叢が維持されていると考えられる．このように，哺 乳動物においても，腸管免疫系による腸内細菌叢の維持 は，生体の恒常性維持や炎症と密接に関係しており，図3■損傷した腸管上皮の修復に必要なシグナル伝達経路
ショウジョウバエをモデルとした研究が，これらの問題 に手がかりを与えることを期待している．
（おわり）
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川 崎 寿（Hisashi Kawasaki） ＜略 歴＞1987年東京大学農学部農芸化学科卒 業／ 1989年同大学大学院農学研究科農芸 化学専攻修士課程修了／同年味の素株式会 社入社／ 2000年同社主任研究員／ 2002年 東京電機大学助教授／ 2006年同教授，現 在にいたる．2001年農博＜研究テーマと 抱負＞微生物機能を活用したものづくりと そのための基盤研究
北 山 隆（Takashi Kitayama） ＜略 歴＞1990年京都大学大学院理学研究科化 学専攻修士課程修了／同年花王株式会社
（生物科学研究所）／ 1995年近畿大学農学
部 助 手 ／ 2000年 同 講 師 ／ 2004年 同 助 教 授／ 2007年同准教授，現在にいたる．こ の間， 2002 〜2003年米国 The Scripps Re- search Institute （K. Barry Sharpless Lab.） 客員研究員＜研究テーマと抱負＞天 然物骨格のもつ多様な反応性に注目した新 しい反応および物質を開発し，新しいコン セプトを示したい＜趣味＞テニス，囲碁，
最近は空手
熊谷 祐也（Yuya Kumagai） ＜略歴＞
2005年北海道大学水産学部生物機能化学 科卒業／ 2007年同大学大学院水産科学院 博士前期課程修了／ 2010年同博士後期課
程修了／ 2010 〜 2012年岡山県農林水産総 合センター生物科学研究所流動研究員＜研 究テーマと抱負＞糖質分解酵素による機能 性物質の創出＜趣味＞読書と温泉 倉 石 貴 透（Takayuki Kuraishi） ＜略 歴＞2009年金沢大学大学院医学系研究科 博士課程修了後，ローザンヌ連邦工科大学 Bruno Lemaitre博士のもとで2年間ポス ドクを経て，現在，東北大学大学院薬学研 究科生命機能解析学分野助教＜研究テーマ と抱負＞ショウジョウバエ自然免疫系の解 析，特に腸管免疫機構の解明＜趣味＞食・
旅
