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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ます。

 

1. コロナウイルスとは?

 

コロナウイルス(CoV)はNidovirales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つの属に分け、すなわちα、β、γとδコロナウイルスである。その中で、αとβコロナウイルスは10%—30%のヒトの気道・腸管感染を引き起こす。

 

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ウイルスである。その直径は約100−160nmであり、遺伝物質は全RNAウイルスの中で最大である。ウイルス粒子の脂肪膜の表面には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、細胞溶解作用と主要な抗原部位); 小包膜糖タンパク質(E、EnvelopeProtein、小さい、細胞膜と結合するタンパク質); 膜糖タンパク質(M、MembraneProtein、栄養物質の膜貫通輸送、新しく生まれたウイルスの出芽とウイルスエンベロープの形成を担当する)。少数の種類としてヘマグルチニン糖タンパク(HEタンパク質、Haemaglutininesterase)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、且つウイルスの組織または宿主の嗜好性を決定する。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る。

 

コロナウイルスの概略図

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

 

コロナウイルスの核酸は非分節一本鎖(+)RNAであり、27−31kbの長さ、RNAウイルスの中で最も長いRNA核酸鎖である。RNA鎖が5側にメチル化「帽子」があり、3側にPoly(A)「尾部」の構造がある。この構造は真核生物mRNAと非常に似ている。ゲノムRNA自身は翻訳の役割を果たす重要な構造的基盤であるため、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高い組換え率のためである。組換え後、RNA配列が変化し、それによって核酸がコードしたアミノ酸配列も変化し、アミノ酸で構成するタンパク質も変化する。そのため、抗原性も変化され、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があり、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と非常に似ていて、全体のゲノム配列の一致率は96.2%である。今まで、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いるが、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って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

 

異なるコロナウイルスのゲノム、遺伝子とタンパク質

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

 

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つのポリ蛋白質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は包膜糖タンパク(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、これらの遺伝子は種特異的であり、ウイルスの複製に不可欠である。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:猫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(SARS-CoV)。菌株SAR02SZ3は流行早期に感染した人から来る。それぞれSARSの流行中期と晩期に感染した人間のSARS-CoV菌株htor02、コウモリSARS関連のコロナウイィルス(SARSr-CoV)菌株、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から来る。

 

重症急性呼吸器症候群コロナウイルス(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と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があり、COVID-19に対して重要な意味を持っている。

 

SARSコロナウイルス(SARS−CoV)は、受容体アンギオテンシンインベルターゼ2(ACE2)を利用して細胞に感染する。主に繊毛気管支上皮細胞やII型肺胞に感染する。SARS−CoVSタンパクはクローバー形の三量体を形成し,3つのS1ヘッドと1つの三量体S2茎がある。RBDは各S1ヘッドの先端に位置する。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)に対する親和力が異なり、感染力も異なる。ある菌株がヒトに感染できるが、ヒトからヒトへ感染しない。ある菌株はヒトの細胞に高い感染力があり、種を跨る感染になる。

 

SARS−CoVとMERS−CoVの受容体認識

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

 

a. SARS−CoVはその受容体結合ドメイン(RBD) (例えば、hTor02菌株の構造が示すように、コア構造(シアン色)と受容体結合モチーフ(RBM;マゼンタ)、ACE2(緑)との組み合わせを含む。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る。

 

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でき、その残基は442、472、487と異なっている。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hTor02RBD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菌株に突然変異した。

 

d. コウモリSARS−CoV株bRsSHC014もヒトとハクビシン細胞に感染できる。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(シアン色のコア構造と赤色のRBM)はヒトジペプチダーゼ4 (DPP4;緑)と結合する。

 

MERS−CoVはジペプチダーゼ4 (DPP4;CD26も呼ばれる)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。その発病機制は下気道に感染し、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のウイルスの複製生産を促進し、炎症を促進するサイトカインの産生を誘導し、Tリンパ細胞にターゲティングしてアポトーシスを招く。今まで、科学者がSARS−CoV、MERS−CoVに対する人体侵襲研究は続いてきたが、現在の2019-nCoVの突然爆発がコロナウイルスに対する研究を加速させた。

 

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、それはSARS−CoVと高い相同性を示し、共通の祖先を持っている。その祖先はコウモリコロナウイルスHKU9−1と類似している。研究によると、COVID−19とSARS−CoVはウイルスSpikeタンパクを通じてヒト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か?

 

20世紀初め、Donoghueが一種の人類ACEと関連したカルボキシペプチダーゼを発見された。それは805のアミノ酸で形成したI型膜結合糖タンパクであり、その活性化部位は374−378位アミノ酸残基にあり、一つのHEXXH亜鉛結合区を形成する。その後、我々がそれをace2と呼び、すなわちアンギオテンシンインベルターゼ2である。それは一種のアンジオテンシンIをアンジオテンシン-1-9)に転化し、またはアンジオテンシンIIをアンジオテンシン-1-7)に転化できるエキソペプチダーゼである。ACE遺伝子発現は全身に広く分布しているが、ACE2は高度な組織特異性があり、主に心臓、腎臓、肺内皮細胞と腎小管上皮細胞に分布する。1種のカルボキシル基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。我々は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発見した。

 

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。我々はこの受容体タンパク質に突破口を見つけて、COVID−19を我々の体の中に存在しても旅客にすることができるか。ウイルス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むことが必要である。

 

3. COVID−19をどのように予防するか

 

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

 

2020年1月25日、中国の広州中医薬大学の吴建国チームは免疫の角度からコロナウイルスの感染と予防情報を提供された。研究者がウイルス識別受容体(PRR)、Toll様受容体(TLR)、RIG-I様受容体(RLR)、NOD-様受容体(NLRs)、C型アグルチニン様受容体(CLR)、インターフェロン及びディフェンシンなどの作用メカニズムを詳しく述べられ、且つ細胞の免疫反応に参加した時の呼応方式を列挙された。著者はコロナウイルスが周期的で予測不可能に出現するため、迅速に伝播して重大な伝染病を誘発し、人類の健康に大きな脅威を起こすと指摘した。近年、ウイルスの固有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、且つ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彼方此方しないかもしれない。

 

ウイルスと宿主の結合に対して、人類は他にどうような探索があるか。ある研究は2019-nCoVタンパク序列をSARS-CoVBatSL-CoV序列と対比することで、S1S2亜基を生成する切断部位がR694/S695に位置すると予測した。次の図のように示す。

 

2019-nCoVCOVID-19 S蛋白タンパク機能ドメイン図

図4 2019-nCoV Sタンパク機能ドメイン図(Shibo Jiang et al. 2020から引用)

 

  • RBD、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N末端ドメイン(NTD)と受容体結合ドメイン(RBD)の2つの機能ドメインを含み、両者はウイルス体が宿主細胞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。ウイルスの遺伝物質は融合穴を介して宿主細胞に入り、細胞内で複製する。SARS-CoV SタンパクHR2構造ドメインのペプチド(SC-1)はウイルスSタンパクのHR1区と相互作用して異質6-HBを形成できる。それによって、HR1HR2構造ドメインの間の相同6-HBがウイルスSタンパクを形成することを抑制して、ウイルスと宿主細胞の融合を阻害する。2019-nCoV S-HR2配列はSARS−CoV配列と高い相同性を示したが、S−HR1領域で少数の非重要アミノ酸変異しかないから、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。研究も中和性単一クローン抗体(mAbs)と保護効果のあるナノ抗体がSタンパクのS1亜基特有の化合物であり、特にRBDであると発見した。そのため、2019-nCoV S-RBDも2019-nCoV中和単一抗体の研究目標とすることができる。

 

次に免疫逃避につき説明する。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、感染の機会を作り出す。宿主免疫反応系はまた延期或いは減弱、また延期後に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逃避が常に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か。ウイルスは危険性識別可能な複製中間体を細胞質に漫遊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、細胞内膜を丹念に修飾してウイルスRNA複製の中央機関を形成する。これも「細胞複製機」RO)と呼ばれる。ウイルスの免疫逃避機制はこのように賢く、機体の免疫システムが我々のために防御できないならば、我々はまたどのような策略でそれに対抗できるか。

 

ウイルスは前述の標的免疫療法、SC−1ペプチド及び以及2019-nCoV S-RBD中和単一抗体に加え、人類はワクチンの開発、新しい抗ウイルス薬のスクリーニングに積極的に取り組み、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、ワクチンの開発にウイルスそのもの、ウイルスの宿主への侵入仕方、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レベルで研究し、正確にウイルス感染を治療することができる。2019-nCoVに対して、ある研究によると、コロナウィルススSpikeタンパクは人間の受容体ACE2と結合した後で肺细胞に侵入して気道を破壊する。遺伝子機能を分析することで、研究者はACE2+II型肺胞細胞が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することを発見された。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等が含まれる。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がCaveolinタンパクを発現することは細胞膜の陥入を助力できる。それによって、細胞表面のウイルスをもっと容易に細胞内に飲み込まれる。既存の薬物に基づき、または新しい薬物を開発して、これらの遺伝子機能を干与すれば、ウイルス感染を遮断できるかもしれない。

 

4. 新型コロナウイルスの爆発が我々に送る啓示

 

微生物と人類の戦争は人類の誕生から始まった。人体免疫システムは進化の過程で次第に改善して、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、人類は生命に対する理解がますます深くなって、我々は各種の変異ウイルスと細菌に対応する能力を持っている。しかし、新しいウイルスの爆発に対して、我々は依然として慎重にならなければならない。管理が人類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る。国家の指示に協力すると同時に、我々2019-nCoVというウイルスへの理解をもっと努力しなければならない。己を知り彼を知らば,百戦危うからず。

 

疫病の流行に対して、筆者は更に重要な心得がある。それは自然と仲良くして、世の安寧を騒がせないなら、自然は必ず我々に一世の美しい景色を贈る

 

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制と免疫機制を検証するのに必要である。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、疫病発生以来、緊急に会社の研究者を招集して、新型コロナウイルスに関連する動物モデルの開発に全力を尽くしています。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ます。団结すれば城のように强固になり、愛があれば必ず勝つ。我々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。

 

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参考文献:

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

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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.

 

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