腸管抗原の階層構造がCD4+ T細胞受容体レパートリーを指示する

リウマチおよび免疫学 感染症学 消化器系 生命科学 医学 免疫学
腸管免疫 T細胞受容体 マイクロバイオータ 食事抗原 炎症性腸疾患

一、研究背景

腸管免疫システムは、食物抗原（dietary antigens）、共生細菌抗原（microbiota-derived antigens）、自己抗原（self-antigens）に対する耐性と防御のバランスを維持する必要がある。CD4+ T細胞が腸管免疫で中心的な役割を果たすことは知られているが、異なる抗原源がT細胞受容体（TCR）レパートリーの組成をどのように形成するかは不明であった。従来の見解では、小腸（small intestine, SI）が食物抗原耐性の主要な場であり、結腸（colon）は細菌抗原反応の調節を担うとされてきたが、この「生物地理学的決定論」はゲノムワイドな検証を欠いていた。さらに、食事と腸内細菌叢の複雑な相互作用がT細胞分化（例えば制御性T細胞[Treg]と効果性T細胞[Teff]のバランス）にどのように影響するかは未解明であった。本研究では階層的TCR分類フレームワークを確立し、腸管抗原がTCRレパートリーを調節する階層を初めて体系的に解析するとともに、恒常状態および大腸炎における食事-細菌叢-免疫相互作用ネットワークの動的変化を明らかにした。

二、論文ソース

本研究はJaeu Yi、Jisun Jungらによって共同で行われ、責任著者はChyi-Song Hsieh（ワシントン大学医学部リウマチ学部門）である。韓国浦項科技大学、ミズーリ大学などが共同研究機関として参加した。論文は2025年5月に免疫学のトップジャーナルImmunityに掲載された（DOI: 10.1016/j.immuni.2025.04.011）。

三、研究プロセスと結果

1. 階層的TCR分類フレームワークの構築

実験設計:
- 研究対象: TCRβ鎖を固定したトランスジェニックマウス（TCLIβ TCRβ tg）を使用し、TCR多様性を制限してα鎖の変化を追跡可能にした。
- 階層的条件:
- 無抗原群（AF）: 無菌（GF）マウス＋ペプチド不含アミノ酸飼料（AAD）、自己抗原のみ暴露。
- 食事抗原群（GF）: GFマウス＋通常飼料（NCD）、食事抗原を追加。
- 細菌叢抗原群（SPF）: 特定病原体不在（SPF）マウス＋NCD、複雑な細菌叢抗原を追加。
- 実験方法:
- 小腸と結腸のFoxp3+ TregおよびFoxp3− Teff細胞をフローサイトメトリーで分離し、TCRαシーケンシングを実施。
- 再現性のあるTCR分析（サンプルの30%以上で検出）と全TCR分析（頻度差25倍以上に基づく）の2つの分類戦略を採用。

主要結果:
- 細菌叢がTCRレパートリーを再構築: NMDS解析により、SPFマウスとGFマウスのTCRレパートリー差がGFとAFマウスの差より大きいことが示され（図1B）、細菌叢のTCRへの影響が食事を上回ることが明らかになった。
- 非対称的なT細胞分化: SPFマウスでは、細菌叢依存性TCRは主にTeff細胞に富集し、Treg細胞は自己、食事、細菌叢依存性TCRを全て含んでいた（図1D-E）。

2. 食事抗原の微小免疫学的特徴

発見:
- 結腸に食事反応性T細胞が存在: 食物抗原は小腸でのみ耐性を誘導するとの従来説に対し、一部の食事依存性TCR（例：D1）が結腸で富集することが判明（図3B）。
- 細菌叢が食事抗原提示を調節: SPFマウスでは食事依存性TCRの頻度がGFマウスより全体的に低いが、個別のTCR（例：D1）は細菌叢によって顕著に増強された（図3G-H）。

検証実験:
- in vitroハイブリドーマ実験: D1 TCRはトウモロコシなどの植物成分を認識し、D2 TCRはトウモロコシのみに反応（図3D）。
- in vivo増殖実験: RV（レトロウイルス）導入D1 TCR細胞はNCD給餌マウスで増殖したが、AAD群では反応なし（図3E）。

3. 無抗原食事（AAD）は細菌叢を介してT細胞応答を調節

機序解明:
- AADが細菌叢組成を変化: 16S rRNAシーケンシングで、AAD給餌により結腸内の分節糸状菌（SFB）などが著減（図4J-K）。
- SFB特異的TCRの同定: 相関分析により、Teff TCR M3がSFB存在量と強く相関（図5A）。単菌定着実験でM3/M4 TCRはSFB存在時のみ活性化を確認（図5D-E）。

臨床的意義:
- 大腸炎治療: DSS/抗IL-10R誘導大腸炎モデルでAADへの切り替えが炎症軽減をもたらし、適応免疫依存性であることを確認（図6A）。TCR解析では、大腸炎期間中にTeff細胞で新たに出現したTCRの50%が恒常状態Tregレパートリー由来（例：D1）であり、炎症が耐性バランスを破綻させることを示唆（図6F）。

4. ネットワーク解析が明らかにしたT細胞-細菌叢相互作用

手法の革新:
- Pearson相関係数（r>0.8）に基づきTCR-ASV（アンプリコン配列バリアント）ネットワークを構築（図7A）。
- 主要発見:
- 炎症を駆動する細菌叢: Lachnospiraceae科ASVが体重減少と強く相関し、複数のde novo TCRと連結（図7G）。
- 免疫学的に無声な細菌叢: Akkermansiaceaeなどは大腸炎で増殖するがTCR反応を誘発せず（図7C-D）。

四、研究結論と意義

  1. 科学的意義:
    • 「抗原階層」概念を提唱し、自己・食事・細菌叢抗原のTCRレパートリーへの寄与を定量化。
    • 「小腸特異的食事耐性」仮説を覆し、結腸の食物抗原応答における役割を解明。
  2. 応用価値:
    • 食物アレルギー（例：FPIES）や炎症性腸疾患（IBD）の新規治療標的（例：SFBや食事抗原の標的化）を提供。
    • 成分栄養療法（elemental diet）が抗原曝露低減だけでなく細菌叢調節を介して効果を発揮する機序を解明。

五、研究のハイライト

  • 手法の革新: 独自の階層的TCR分類フレームワークを開発し、マクロ/ミクロ免疫学解析を統合。
  • 革新的発見: 細菌叢が抗原提示を競合することで食事反応性Teff細胞を抑制し、「衛生仮説」の機序的説明を提供。
  • 技術統合: 単細胞RNA-seq（図5H-J）とネットワーク解析（図7）で仮説を多角的に検証。

六、その他情報

  • データ公開: TCRと16Sデータは欧州ヌクレオチドアーカイブ（ENA: PRJEB82363/PRJEB82415）で公開。
  • 限界: 固定TCRβモデルでは多クローン性TCRレパートリーの複雑性を捕捉できず、今後の高精度αβペアシーケンシングによる検証が必要。