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新型コロナウイルスの感染と免疫の仕組みにつき解読

中国湖北省武漢市を中心に2019年12月以降発生している新型コロナウイルスは、中国国民の生活に大きな影響を与えています。では、新型コロナウイルスとはどんなウイルスですか? 最新情報を入手するための情報を下記にご紹介しています。

 

1. コロナウイルスとは?

 

コロナウイルス(no)はNorovirusesに属する最大のウイルス科で、その中にはコロナウイルス科、Arteriviridae、Mesoniviridae、Roniviridaeなどが含まれる。コロナウイルスはさらに4つの属する、すなわちα,β,γ,コロナウイルスに分かれ、α,βコロナウイルスはヒトの気道・腸管10%—30%感染を引き起こす。

 

コロナウイルス属のウイルスはエンベロープ(envelope)に包まれたRNAウイルスが存在する。その直径は約80−120nmで,遺伝物質は全RNAウイルスの中で最大である。ウイルス粒子の表面には3つの糖タンパク質がある、棘突起糖タンパク質(S、SpikeProtein、受容体結合部位、細胞溶解と抗原); 膜糖タンパク質(E、EnvelopeProteinEnvelope Protein、小さい、細胞膜と結合するタンパク質); 膜糖タンパク質(M、MembraneProteinMembrane Protein、栄養を膜輸送体、新型ウイルスの出芽とウイルスエンベロープの形成を集合する)。少数の種類としてヘモグロビン糖タンパク(HEタンパク質,HaemaglutininHemagglutinin−esterase)がある。ウイルスは主にSpikeタンパク(Sタンパク質)と宿主細胞受容体の結合を通じてウイルスの侵入を介し、ウイルスの組織または宿主を決定する。コロナウイルスSタンパクS1サブユニットのN末端ドメイン(S1−NTD)とC末端ドメイン(S1−CTD)はいずれも受容体結合ドメイン(RBD)とすることができる。S1−NTDは糖受容体に,S1−CTDはタンパク質受容体に結合すると考えられています。

 

コロナウイルスの概略図

図1 コロナウイルスの概略図(引自Jibe Cui et al. 2020)

 

コロナウイルスの核酸は非分節一本鎖(+)RNAであり、27−31kdの長さ、RNAウイルス中の最も長いリボ核酸RNA、RNA鎖が5側」にメチル化「防止」があり、3側」にPoly(A)「尾部」構造がある。この構造は,真核生物mRNAと非常に似ている,ゲノムRNA自身を翻訳の役割を果たす重要な構造的基盤のであるため,RNA−DNA−RNAの転写過程は省略されている。コロナウイルスはRNAとRNAの間の組換え率が非常に高く、ウイルスが変異を起こしたのはこのような組換え率が高いわけだ。組換え後,RNA配列が変化し,それによって核酸コードのアミノ酸配列への変化し,タンパク質を構成するアミノ酸が変化によって抗原性も変化する,ワクチンの開発が制限される。

 

2019年12月以降中国湖北省武漢における原因不明の肺炎の発生、専門家は2003年に発生したSARS−CoVウイルス標本のサブセットをシーケンス解析し79.5%の同源性が存在することを発見した。COVID-19は,新型コロナウイルスの基本的な特徴はβコロナウイルス属である。研究者はCOVID-19サンプルに対してRNAシークエンシングを行い、研究により、COVID-19は全ゲノムにおいて、コウモリコロナウイルスRaTG13と非常に高く似ている、全体のゲノム配列の一致率は96.2%であることを発見した。これまで、専門家はウイルスの起源はキクサバットではないかと考えてきたが、最終的なヒトへの感染は、中間宿主の存在とウイルスの変異によるヒト細胞に適応したことによる。

 

2. SARS-CoV, MERS-CoV, COVID-19の特徴と関連性

 

図2異なるコロナウイルスのゲノムとタンパク質 (引用Jie Cui et al. 2019)

 

コロナウイルスは直径100−160 nmの包膜球形粒子を形成する。長さ27-32kbの正鎖一本鎖RNA (ssRNA)ゲノムを持つ。ゲノムの5'端の3分の2は1つのタンパクpp1abをコードし、このタンパク質は更に16つの非構造タンパクに切断され、それらはゲノムの転写と複製に参与する。3'末端エンコード構造タンパク、糖タンパク(S)、包膜(E)、膜(M)と核カプシド(N)を含む。構造タンパクをコードする遺伝子のほかに、いくつかの補助遺伝子があり、これらの遺伝子は特異的であり、ウイルスの複製に不可欠ですある。この図は、4種類のコロナウイルス属の典型的な菌株と代表的な菌株を比較したものである。伝染性腹膜炎ウイルス(fipv)、サイコウモリコロナ・ウイルスhku2、重症急性呼吸器症候群コロナ・ウイルス菌株sar02 (Sars—cov)とsz3流行から早期に感染した人は、それぞれ、Sarsの半ばからと人間のSars感染−cov抽出htor02、コウモリsarSARSs関連のコロナ・ウイィルス(Sars—cov)抽出、中東呼吸器症候群コロナ・ウイィルス(mers—cov)、マウス肝炎ウイィルス(mhv)、伝染性気管支炎ウイルス(IBV)と球根コロナウイルスHKU11。

 

重症急性呼吸器症候群(SARS−CoV)、中東呼吸器症候群(MERS−CoV)はかつて大規模な伝染病の発生を引き起こしたコロナウイルスである。SARS−CoV, MERS−CoV, COVID-19は共にコロナウイルスに属する。COVID-19新型のウイルスに対して、我々はすでに関連するウイルスに対する理解と研究策はCOVID-19に対して重要な意味を持っている。

 

SARS(SARS−CoV)は、受容体アンジオテンシン変換酵素2(ACE2)を利用して細胞に感染します。気道上皮細胞やII型肺胞に主に感染することが知られている。SARS−CoVタンパクはクローバー形の3つの量体を形成し,3つのS13つ量体S2を有する。RBDは各S1ヘッダの先端に位置する。RBDはACE2の外側表面に結びつけ、その亜鉛キレート酵素サイトから離れた。研究によると、異なるSARS−CoV菌株はヒトのアンジオテンシン受容体(ACE2)に対する力が異なり、感染力も異なる。少し菌株ヒトに感染である、ヒトからヒトへの感染し、一部の菌株はヒトの細胞が伝わると、高い種の感染になる。

 

SARS−CoVとMERS−CoVの受容体認識

図3 SARS−CoVとMERS−CoVの受容体認識(引自Jie Cui et al 2019)

 

a.SARS−CoVはその受容体結合ドメイン(RBD) (hTor02菌株の構造が示すようにコア構造(シアン)と受容体結合モチーフ(RBM;ACE2(緑)との組み合わせ。ACE2は活性中心を持つペプチダーゼである。

 

b.宿主とウイルス受容体中のいくつかの残基、および二つの安定構造(破線)は二つの結合スポットの連結を形成し、これはSARS流行株hTor02の結合に対して極めて重要でありマウ。

 

c. これに対して,SARS関連コロナウイルス(SARS−CoV)株bWIV1はコウモリから分離したものであり,霊猫やヒト細胞に感染し,その残基は442,472,487と異なっていた。スアニンは、487番目の残基のうちのAに極性側鎖を導入し、353番目の結合を阻害する。ここに示したモデルはhTor02 RBDとヒトACE2の複合構造に基づいており、442、472、487位の残基がhTor02菌株からbWIV1菌株に変異した。

 

d. コウモリSARS−CoV株bRsSHC014もヒトとハクビシン細胞に感染する。487位にアラニンを持ち、残基の短側鎖が353の結合をサポートしない。その中の442、480と487の残基はcOptimize菌株からbWIV1菌株に突然変異した。

 

e.中東呼吸器症候群コロナウイルス(MERS−CoV) RBD(青色のコア構造と赤色のRBM)結合ヒトジペプチダーゼ4 (DPP4;緑)

 

MERS−CoVはジペプチダーゼ4 (DPP4;CD26)を受容体として,未分化の気管支上皮細胞やII型肺細胞に感染する。DPP4タンパクは種間アミノ酸配列の大量転化に作用する。その発病機序は下気道に感染し、そして下気道上皮細胞を高度に感受性化させ、マクロファージと樹状細胞中のウイルスの複製生産を促進し、炎症を促進する細胞因子の産生を誘導し、標的のTリンパ細胞とアポトーシスを招く。これまでSARS−CoV、MERS−CoVに対する科学者の侵襲研究は続いてきたが、今はコロナウイルスに対する科学者の研究が急速に進んでいる。

 

COVID−19の爆発は、偶然である。シークエンシングデータによると,SARS−CoVと高い相同性を示し,共通の祖先を持ち,コウモリコロナウイルスHKU9−1と類似していた。COVID−19とSARS−CoVは,ウイルスSpikeタンパクがヒトACE2受容体タンパクに結合して宿主に作用し,両者の受容体ドメイン(RBD)が高度に同源であることが明らかになった。ここで述べたACE2はどのようなタンパク質であるか?どんな機能を持っているのでしょう?

 

20世紀初めDonoghueを発見した一種の人間のエースと関連した炭酸ペプチド酵素は、それは、805のアミノ酸の膜i型結合糖タンパクを構成し、その部位の活性化に374−378位アミノ酸残基で、形成一hexxh亜鉛結合区、後でace2と呼び、すなわち血管を緊張させる酵素2、それは一種の緊張触媒血管緊張素i血管に転換できる素-(1 ~ 9)や血管緊張素iiを体得し、血管が緊張する素—(1)—7)の外のペプチド酵素、エース遺伝子を広く分布従前の表现一方、ACE2は高度な組織特異性を有し、主に心臓、腎臓、肺内皮細胞と腎小管上皮細胞に分布し、1種のモノカルボキシペプチダーゼとして、ACE2はエチレンジアミン四酢酸(EDTA)によって抑制される。われわれはACE2が心脳血管疾患,腎臓疾患において広く研究されており,SARS−CoVやCoV−NL63コロナウイルスの受容体としても研究されていることを見出した。

 

そこで,COVID−19とSARS−CoVの関連性が明らかになると,ACE2タンパクの探索が急速に進んだ。私たちはこの受容体タンパク質に突破口を見つけることができますか? COVID−19は私たちの体の中に存在してもウイルスのSpike変異との競争を先取りできるかどうか?これらは更なる研究を進みことが必要です。

 

3. COVID−19をどのように予防策とはするか

 

敵を知り己を知れば百戦危うからず。COVID−19を予防策するためには,その感染と免疫機構について深く理解する必要がある。

 

2020年1月25日、中国の広州医学薬大学吴建国教授は免疫の角度からCOVID−19感染と予防策を詳しく情報を提供した識別受容体(prr)、toll様レセプター(tlr)、rig - i様受容体(rlr)、nod様受容体(nlrs)、c型沸腾状态様受容体(clr)やインターフェロン防衛素などの作用メカニズム、細胞参加免疫反応した対応方式だ。著者は、コロナウイルスが周期的に、予測不可能に出現するため、迅速に感染し、深刻な伝染病を誘発し、人類の健康に大きな脅威になると指摘する。近年,ウイルスの免疫反応について深く理解されてきた。このタイプの免疫反応はウイルスの複製を抑制し、ウイルスの除去を促進し、組織の修復を誘導し、ウイルスに対する長期的な自己適応免疫反応を誘発する。多くの場合、CoVに関連する肺と全身の炎症反応は先天的免疫系がウイルスを識別する時に触発する。

 

本文では標的免疫療法についても言及し、これは新しい注目点になである。遺伝子標的免疫療法は遺伝子工学を利用し、マルチターゲットデトックス技術を利用してウイルスを迅速に識別し、ウイルスDNAコアを強力に抑制して破壊し、ウイルスを破壊すると同時に遺伝子免疫薬物を採用し、宿主細胞抗原がウイルスの免疫寛容を破り、ウイルスの再侵入を不可能にすることが知られている。現在のがんには免疫療法の応用が多いが,このようなアプローチを突破点とすることで,現在のCOVID−19ウイルスに対応でき,新たに発生するウイルスには対応できなくなるかもしれない。

 

ウイルスと宿主の結合に対する人間の探索は?研究を通じcovid−19タンパク序列とsars covとbatsl - cov序列対比、予測生成エスワンとs2亜基の切断部位にr694/s695。次の図に示す。

 

2019-nCoVCOVID-19 S蛋白タンパク機能ドメイン図

図4 2019-nCoVCOVID-19 S蛋白タンパク機能ドメイン図(引自Shibo Jiang et al. 2020)

 

2019-RBDRBD、受容体結合ドメイン;FP、融合ペプチド;HR1、7ペプチド反復1;HR2, 7ペプチド反復2;TM、膜貫通ドメイン;CP,細胞質ドメイン。

 

S1サブユニットは2つの機能ドメイン、N末端ドメイン(NTD)と受容体結合ドメイン(RBD)を含み、両者はウイルス体が宿主細胞上の受容体と結合する役割を担っている。S2サブユニットは3つの機能ドメインを含み、ペプチド(FP)とペプチドリピート配列(HR1とHR2)を融合し、S1中のRBDが受容体と結合した後、S2サブユニットはFPを宿主細胞膜に挿入することによって構造を変化させ、HR1とHR2は6ヘリックスバンドル(6HB)を形成し、ウイルス膜と細胞膜の融合を引き起こす。ウイルス遺伝物質は融合孔を介して宿主細胞に入り,細胞内で複製される。sars−cov sタンパク,構造域のペプチドウイルス(sc)−1)できるとsタンパクのhr1区成す異源が6−hb、hr1,構造域と同源を抑制した6−hbの形成ウイルスsタンパク、ウイルスを遮断した宿主と細胞の融合。COVID−19 S−HR2配列はSARS−CoV配列と高い相同性を示したが,S−HR1領域では少数の非重要アミノ酸変異しかなかったことから,SC−1ペプチドもCOVID−19感染に有効であると期待されている。研究も発見され、中和性抗体医薬(mabs)とを保護する効果のナノ抗体がsタンパクのエスワン亜基特有の化合物は、特に、rbdため、covid−19、s−rbdでもcovid−19中和単として抗の研究の目標だ。

 

次に免疫が逃げるにつき説明します。ウイルスが宿主に侵入するのは、宿主の先天的な免疫とウイルス固有の免疫の対抗である。ウイルスは先天的な免疫反応を抑制し、自身の効果的な複製を獲得し、感染の危機を作り出す。宿主免疫反応系はまた遅れ延或いは減弱、また遅延後強すぎる誘導作用を示し、組織損傷を招く。影響を受ける先天性免疫はその後の適応性に影響を及ぼすため、ウイルスの先天性免疫が逃げて宿主の保護性免疫を破壊し、感染と発病の過程を構成する。

 

ウイルスはどのような戦略を駆使しているのでしょうか?ウイルスは、危険性識別可能な複製中間体を、細胞質にローミングしている先天的な免疫センサから隔離する。実際、+ RNAゲノムを持つウイルスは細胞質ゾル中でしか複製できない。例えば、肺に侵入したコロナウイルスや鼻ウイルスは、通常、細胞内膜を修飾してウイルスRNA複製の本社を形成する。ウイルスの免疫システムはこのように賢く、機体の免疫システムがすべて私達の防御を助けることができないならば、私達はまだいくつかの策略はそれに対抗することができないとのことだ。

 

ウイルスは前述の標的免疫療法,SC−1ペプチド,およびCOVID−19 S−RBD中のモノクロナル化に加え,ヒトはワクチンの開発に積極的に取り組み,新しい抗ウイルス薬のスクリーニングや遺伝子工学的標的免疫を利用してウイルスに対抗している。これは試合であり戦争でもある。

 

まず,ワクチンの開発には,ウイルスそのもの,ウイルスの宿主への侵入の仕方,宿主の免疫反応について十分な理解が必要である。次に、薬物のスクリーニング、共同使用は機体に及ぼす副作用、即ち後遺症を最大限に減少することを考慮しなければならない。さらに、ウイルスを遺伝子の機能机能レベルで研究し、正確に感染を治療することができます。covid−19に対する、ある研究によると、コロナ・ウィルススパイクタンパクと人間の受容体ace2結合に侵入肺の细胞が呼吸器を破壊します。遺伝子機能を分析した結果、ACE2+II型肺胞細胞はウイルスの組み立て複製に関連する多数の機能遺伝子を発現し、具体的には,SLC1A5, CXADR, CAV2, NUP98, CTBP2, GSN, HSPA1B, STOM, RAB1B, HACD3, ITGB6, IST1, NUCKS1, TRIM27, APOE, SMARCB1, UBP1,CHMP1A, NUP160, HSPA8, DAG1, STAU1, ICAM1, CHMP5, DEK, VPS37B, EGFR, CCNK,PPIA, IFITM3, PPIB, TMPRSS2, UBC, LAMP1, CHMP3など。研究者は、これらの遺伝子がウイルスに「乗っ取られた」後、様々なパターンでウイルスが人体に感染するのを助けていると考えている。例えばcav2表caveolinタンパクが、异なる细胞膜を助けるにより细胞の表面のウイルス細胞内にのまれやすい。既存の薬物に基づき,新しい薬物を開発してこれらの遺伝子に関与する機能を工夫すれば,ウイルス感染を遮断する働きがあるかもしれない。

 

4. 新型ウイルスは我々に啓示を受けること

 

微生物と人類の戦争は人類の誕生から始まりだ。人体免疫システムは進化の過程で次第に改善され,微生物が宿主を探し利用する能力も強くなってきた。科学技術の発展に従って、人類の生命に対する理解はますます深くなって、私達は各種の変異ウイィルスと細菌に対応する能力を持って、しかし新しいウイルスの爆発に対して、私達は依然として慎重にならなければならない。人類管理が行うことのできる重要な面であり、科学技術、特に現在の遺伝子研究の成果の応用も非常に重要な面であり、国家の指示に協力すると同時に、われわれはもっと努力してCOVID−19というウイルスを知り、敵を知り、百戦不殆に勝つことができる。

 

疫病の流行に対して、筆者は更に重要な心得があって、それは、人と自然が調和して、私達は人の世の安寧を驚かせなくて、自然は必ず私達の世の美しい景色を贈ります。

 

あとがき:

 

ウイルス研究は困難な探索過程である。ワクチンの開発、新薬のスクリーニング、遺伝子治療に関わらず、正確な動物モデルは疾病の発病機序と免疫機序を検証する必要がある。業界の生物サイヤジェン株式会社は成熟した動物モデルサービス業者として、ウイルスの流行が発生してから、緊急に会社の研究者がを募集して新型コロナウイルスに対する研究所の動物モデルの開発に全力を尽くした。業界の生物サイヤジェン株式会社は科学研究者の研究をサポートするために、正確な動物モデルを開発することを約束した。衆は志を固めて、愛は必勝して、私達はきっとこの硝煙のない戦争に勝つことができると信じます。

 

参考文献:

1. Xintian Xu et al. Evolution of novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission. Science china life sciences.2020.

2. Catharine I. Paules,MD et al. Coronavirus infections-more than just the common cold. JAMA. 2020.

3. Jasper Fuk-Woo Chan,MD et al. A familial cluster of pneumonia associated with the 2019 novel coronavirus indicating person-to person transmission: a study of a family cluster. THE LANCET. 2020.

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5. Qian Guo et al. Host and infectivity prediction of Wuhan 2019 novel coronavirus using deep learning algorithm. The NEW ENGLAND JOURNAL of MEDCINE. 2020.

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7. Jie Cui et al. Origin and evolution of pathogenic coronaviiruses. Nature reviews. 2020.

8. Shan-Lu Liu et al. Emerging viiruses without borders: The Wuhan coronavirus. Viruses. 2020.

9. Yu Zhao et ao. Single-cell RNA expression profiling of ACE2, the putative receptor of Wuhan 2019-nCoVCOVID-19. BioRxiv. 2020.

10. Marjolein Kikkert. Innate immune evasion by Human respiratory RNA viruses. Journal of innate immunity. 2020.

11. Shibo Jiang et at. An emerging coronavirus causing pneumonia outbreak in Wuhan, China: calling for developing therapeutic and prophylactic strategies. Emerging microbes&infections. 2020.

 

サイヤジェン株式会社

 

サイヤジェン株式会社について

サイヤジェン株式会社は14年間の発展を経て、すでに全世界の数万人の科学研究者にサービスを提供しており、製品と技術はすでに直接にCNS (Cell、Nature、Science)の定期刊を含む3,400余りの学術論文に応用されている。遺伝子ノックアウトイン、遺伝子ノックアウト、コンディショナーノックアウトモデルのカスタマイズサービスを提供する以外、サイヤジェン株式会社は専門的な手術疾患モデルチームがあり、多種の複雑な小動物手術疾患モデルを提供できる。国際レベルで無菌マウス技術プラットフォームは無菌マウス、無菌動物カスタマイズサービス、便微生物移植サービスなど無菌動物モデルに基づいた各種製品とサービスを提供でき、サイヤジェン株式会社は成熟安定性に基づいた遺伝子改変マウスと結合し、遺伝子と菌群の相互作用機序を研究することもできます。

 

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