Cell誌発表：新型菌由来胆汁酸が糖代謝を制御する新メカニズムを解明

研究の背景と目的

2型糖尿病は、肥満、脂肪肝、心血管疾患などを伴う深刻な健康問題として世界的に増加しています。近年の研究で、腸内細菌叢やそれに関連する代謝産物（特に胆汁酸）が宿主の血糖恒常性に大きな影響を与え、グルコースやエネルギー代謝の重要なシグナル分子として作用することが示されています。ただし、治療中に発生する副作用（特に瘙痒）により、胆汁酸関連薬剤の臨床応用が制限されてきました。

近年発見された新型胆汁酸は、未開拓の貴重な資源として注目されており、従来の胆汁酸の限界を補完する可能性があります。研究によって、腸内細菌が胆汁酸とさまざまなアミノ酸を結合させ、微生物由来アミノ酸結合型胆汁酸（Microbiota-associated bile acids, MABAs）を生成することが明らかになりました。これらの構造的多様性は豊富である一方で、それらが宿主において生理的または病理的な役割を果たすかどうかは、これまで解明されていませんでした。

中国北京大学と山東大学の研究チームは最近、新規MABA（色氨酸抱合胆汁酸Trp-CA）の生理学的・病理学的役割を解明しました。特に、Trp-CAが孤児受容体MRGPREを活性化することで、腸内のGLP-1分泌を促進し、血糖コントロールに貢献するという新たな作用機序が示されました。本研究成果はCell誌に発表され、2型糖尿病の新たな治療戦略として注目を集めています。

研究材料と方法

本研究では、80名の被験者（2型糖尿病患者40名と健常対照者40名）を対象に、非標識代謝組成解析法を用いて新規胆汁酸類（MABAs）を同定しました。研究チームは、高脂肪食による糖尿病マウスモデルを構築し、さらにMrgpre遺伝子欠損マウス（Mrgpre^-/-）および腸特異的異常酸性胆汁酸マウス（Mrgpre^ΔIE）を作製し、MRGPRE受容体の生理的役割を検証しました。

研究チームは、PRESTO-Tangoシステムを用いてTrp-CAが作用するGPCRをスクリーニングし、FLASH-BRET解析と分子動力学シミュレーションにより、Trp-CAとMRGPREとの結合様式を明らかにしました。その後、ルシフェラーゼレポーターアッセイ、cAMP解析、および胆汁酸化合物の組織分布解析を通じて、下流のシグナル伝達経路を解明しました。

技術的アプローチ

糖尿病患者と健常者由来のMABAsを比較解析した結果、Trp-CA に着目することで、高脂肪食誘導耐糖能異常の緩和効果があることが判明
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多角的な解析により、MRGPREが Trp-CA の受容体であることを同定
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体内において Trp-CA がブドウ糖代謝に有益な作用を示すことが明らかに
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詳細な解析により、MRGPRE–Gs–cAMP および MRGPRE–β-arrestin-1–ALDOA
という2つのシグナル伝達経路が Trp-CA の代謝効果に関与していることが確認された
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腸内細菌叢解析により、乳酸菌属BSH+菌株（例：Lactobacillus murinus BSHT）が
Trp-CA の主要産生菌であることが判明

研究結果

Trp-CA は高脂肪食誘導性耐糖能異常を改善

糖尿病患者と健常者由来の糞便サンプルに含まれる MABAs を比較したところ、研究チームは Trp-CA の差異に着目しました。糖尿病患者では Trp-CA のレベルが健常者よりも顕著に低下しており、さらに Trp-CA の濃度は臨床的な血糖指標と負の相関を示していました（空腹時血糖［FBG］および糖化ヘモグロビン［%HbA1c］など）。

次に、研究者らは Trp-CA が糖尿病マウスにおける耐糖能異常を改善できるかどうかを検討しました。高脂肪食を与えたマウスに Trp-CA を経口投与した結果、対照群と比較して体重増加が顕著に抑制され、脂肪量および摂食量の減少も確認されました。同時に、Trp-CA 投与は高脂肪食によって誘導された耐糖能異常を有意に改善し、この改善効果は体重の変化よりも早期に現れたことから、Trp-CA が肥満とは独立したメカニズムで作用している可能性が示唆されました。

図1. Trp-CAは高脂肪食誘導性耐糖能異常を改善した

Trp-CAは孤児GPCR受容体MRGPREのリガンドである

Trp-CAの作用部位および急性血糖調節機能を明らかにするため、研究者らは十二指腸と結腸にTrp-CAを注入し、静脈注射で高ブドウ糖負荷試験（OGTT）を行いました。その結果、Trp-CAが腸管からインスリン分泌を促進し、グルコース輸送速度（GIR）を増加させることが確認され、Trp-CAの血糖調節効果は主に腸管で発揮されていることが示唆されました。

Gタンパク質共役受容体（GPCR）は多様な生理活性分子の受容体であり、研究者らはTrp-CAがGPCR経路を介して糖代謝を制御している可能性を検討しました。系統的に腸管組織で高発現しているGPCRをスクリーニングした結果、Trp-CAが活性化する唯一の受容体がMRGPREであることを突き止めました。MRGPREは掻痒受容体ファミリーに属していますが、これまでのところ、掻痒を誘発することを示す報告はありません。現在に至るまで、その生理的機能は明確にされていません。

次に、研究チームは標的型遺伝子編集技術を用いてMRGPRE欠損マウス（Mrgrepre^−/−）を作製し、経口Trp-CA投与による効果を検証しました。その結果、Trp-CAは高脂肪食を与えられたMrgpre^+/+マウスにおいて耐糖能を有意に改善しましたが、Mrgpre^-/-マウスでは同様の効果は認められませんでした。また、腸組織特異的にMrgpreをノックアウトしたマウスモデルにおいても、Trp-CAによる耐糖能改善効果は消失しました。これらの結果から、MRGPREがTrp-CAの受容体として機能し、体内におけるTrp-CAの耐糖能改善作用を媒介していることが示唆されました。

Trp-CAはMRGPREを活性化し、GLP-1分泌を促進する

Trp-CAを処理したマウスの腸管組織に対してトランスクリプトーム解析を行った結果、研究者らはGcg遺伝子の発現が対照群と比較して著しく増加していることを発見しました。Gcg遺伝子はグルカゴン前駆体をコードしており、これは腸内で切断されてGLP-1やGLP-2などのグルカゴン様ペプチドに変換されます。Trp-CAを投与されたマウスでは、経口グルコース投与後の血清インスリンおよびGLP-1濃度がコントロール群に比べて有意に上昇しました。GLP-1受容体を阻害した状態でも、Trp-CAは依然としてGLP-1の分泌を促進しましたが、インスリン分泌およびそれに伴う血糖降下作用は消失しました。

腸管におけるGLP-1の分泌細胞は主に腸管上皮のL細胞です。研究チームは、Mrgpreが腸管のGcg+細胞において、痒み受容体ファミリーの他の受容体に比べて顕著に高発現していることを発見しました。さらに、in vitroおよびin vivoの実験により、MrgpreがL細胞内に発現していることを確認しました。

これまでの研究では、多くのGタンパク質共役型受容体（GPCR）がリガンド結合後に細胞内へ内在化されることが報告されています。本研究でも、L細胞をTrp-CAで処理したところ、MRGPREが早期エンドソームマーカーEEA1と共局在する内在化を示しました。これらの結果は、Trp-CAがMRGPREのリガンドであり、MRGPREが腸管上皮のL細胞に発現していることを示しています。

では、MRGPREはどのようなメカニズムでGLP-1の分泌を促進するのでしょうか？

研究チームはさらに解析を進めた結果、Trp-CAがMRGPRE–Gsシグナル経路を活性化し、用量依存的にcAMP（cyclic adenosine monophosphate）のレベルを上昇させることを明らかにしました。Gs–cAMPシグナル伝達は、L細胞におけるGLP-1分泌の古典的経路であるため、これは予想された結果と一致します。

さらに、Gsの阻害またはノックダウン（なお、Gnas^iKOマウスの構築に使用されたGnas^fl/flマウスはCyagen Biosciencesより提供）により、Trp-CAによるGLP-1分泌誘導が部分的に抑制されることも確認されました。これらの知見は、Trp-CAがMRGPRE–Gs–cAMP経路を介してGLP-1分泌を誘導することを示すとともに、他のシグナル経路の関与も示唆しています。

最後に、研究者らはクライオ電子顕微鏡（cryo-EM）を用いてMRGPREとTrp-CAの相互作用を検証し、MRGPREの重要なアミノ酸残基の変異がTrp-CAによるGLP-1分泌誘導に影響を与えることを明らかにしました。

その後の解析において、研究チームはTrp-CA刺激後にMRGPREが用量依存的にβ-arrestin-1およびβ-arrestin-2をリクルートすることを明らかにしました。β-arrestin-1をコードするArrb1遺伝子のノックダウンは、Trp-CAによるGLP-1分泌誘導を部分的に抑制しましたが、Arrb2遺伝子（β-arrestin-2）のノックダウンでは同様の効果は見られませんでした。

これらの結果は、Trp-CAによるGLP-1およびインスリン分泌の促進において、Gs–cAMP経路とβ-arrestin-1シグナル伝達がともに関与していることを示唆しています。

シグナル伝達のハブとして知られるβ-arrestinは、下流タンパク質のリン酸化を促進する役割を担います。本研究では、リン酸化プロテオームの定量解析により、Trp-CA処理が解糖系に関与するタンパク質ALDOAのリン酸化を顕著に促進することが明らかとなりました。解糖系の活性化は細胞内ATP濃度の上昇を引き起こし、それに伴いGLP-1の分泌が誘導されます。

その後の研究により、Trp-CAがMRGPRE受容体を介して細胞の解糖代謝とATPレベルを上昇させることが確認されました。さらに、ALDOAのS39部位のリン酸化がGLUTag細胞内におけるアルドラーゼ活性を制御することが示され、Aldoaのノックダウンにより解糖活性およびGLP-1レベルが低下しました。加えて、このアルドラーゼ活性の上昇はβ-arrestin-1のリクルートに依存していることも判明しました。

これらの結果は、Trp-CAがMRGPRE–β-arrestin-1–ALDOAシグナル経路を介してGLP-1分泌を誘導することを明確に示しています。

図2．Trp-CAはALDOAのリン酸化を誘導し、細胞内の解糖系を促進する

動物由来ビフィズス菌亜種がTrp-CAの産生を担うことを特定

研究者らは、どの腸内細菌がTrp-CAを産生できるかを検証しました。主要な腸内細菌をスクリーニングした結果、4種類のビフィズス菌がTrp-CAを強く産生する能力を示しました。その中でも、動物由来ビフィズス菌亜種（Bifidobacterium animalis subsp. lactis）が最も高い産生量を示しました。この菌株に由来するBSH/T酵素（BAL BSH/T）はTrp-CAの産生を促進することが確認されました。また、BAL BSH/Tを発現する大腸菌および動物由来ビフィズス菌亜種をマウスに植え付けることで、高脂肪食誘導性の耐糖能異常を改善できることも実証されました。

研究結論

図3 研究の示意図

総括すると、本研究では Trp-CA の特異的な受容体およびその下流シグナル経路を同定しました。さらに、MRGPRE は2型糖尿病におけるグルコース代謝異常の新たな治療標的となる可能性が示されました。本研究の成果は、他の新規腸内菌由来胆汁酸（MABAs）の生理的機能やそれらが作用する受容体の解明、さらには臨床的有用性の評価に向けた今後の研究に重要な示唆を与えるものです。

論文情報

Lin et al., A microbial amino-acid-conjugated bile acid, tryptophan-cholic acid, improves glucose homeostasis via the orphan receptor MRGPRE, Cell (2025)

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.010