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出口見えぬ、新型コロナウイルスの大流行はいつ終わる?

新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)のこれまでの経緯について

 

重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)によるコロナウイルス感染症(COVID-19)は、これまでの世界の緊急事態となっている。 今後の研究やワクチン開発のヒントとなることを課題となり、ウイルスの起源からいままでの研究の状況をまとめました。

 

SARS-CoV-2の起源:

伝染病とエピデミオロジーの調査、及びシーケンス分析を通して、中国の科学者はSARS-CoV-2が最初コウモリから起源したと発見した。コウモリと人類の生活環境がかなり離れているので、ウイルスを直接にコウモリから人に伝えるのはそうやすくないようである。そして中間宿主が科学研究界で証明する必要な課題となる。鱗甲目か?蛇か?ネコか?いろいろなど説が出てきました。ネコがウイルスを感染しやすい、ネコの間で新型コロナウイルスを伝播することは実験的に証明されたが、ネコが新型コロナウイルスを直接に人類に感染できるかどうかは、更なる実証が必要である。

 

SARS-CoV-2とは:

SARS-CoV-2はコロナウイルスの一つの分岐であり、4種類の主要タンパク及び幾つかの補助タンパクによって遺伝物質を包んでいる直鎖RNAウイルスからなる。主にSタンパクを通じて宿主細胞受容体と結合してウイルスの侵入を介し、ウイルスの組織と宿主の嗜好性を決定する。人類コロナウイルスは高度なゲノムヌクレオチド置換率と組換能力を持ち、現在発展が一番速いウイルスの一つと見なされているが、人類コロナウイルスは様々な深刻度の異なる呼吸器系疾患と関連している。例えば風邪、肺炎、気管支炎などである。今回の疫病の元凶である新型コロナウイルスを含め、人類呼吸器系の病気をもたらす7種類のコロナウイルスが確認され:hCoV-229E、hCoV-NL63、hCoV-OC43、hCoV-HKU1、MERS-CoV、SARS-CoV、SARS-CoV-2。呼吸器系以外、腸と神経系もこれらのウイルスの影響を受ける。

 

SARS-CoV-2の内部に螺旋対称のニュクレオカプシトがあり、約30 kb程度の一本鎖順方向RNAゲノムを包んでいる。ウイルスのコピー周期に3種類の機能がある:①感染周期の開始RNAとする②コピーと転写のテンプレートとする③この世代のウイルスに包装する基板とする。

 

SARS-CoV-2の付着と侵入:

SARS-CoV-2とSARS-CoV及びhCoV-NL63の主な宿主細胞受容体はいずれもアンギオテンシンインベルターゼACE2であり、細胞環境での低pH値と関連するカテプシンは膜融合に役立ち、ウイルスを細胞に入れる。この前の調査によると:

  • 膜貫通プロテアーゼTMPRSS2はウイルスS1/S2サイトを分解でき、Sタンパクを活性化、非蛋白体ウイルスを細胞に入れて感染させる。
  • ADAM17はACE 2の細胞外の脱落を促進して酵素活性を増強し、ウイルスと細胞質の融合を促進する。
  • IFFTM3は宿主の膜の流動性を調節して、ウイルスの包膜と細胞膜の融合を防止し、ウイルスの侵入を阻止する。
  • LY6Eはグリコシルホスファチジルイノシトール(GPI)がアンカーした細胞表面タンパク質であり、ウイルスの半融合状態を調節することによって、また細胞骨格の再配列を調節することによって、ウイルスの融合を促進し、細胞に侵入する。
  • CD209L(L-SIGN)のポリペプチド領域変体のヘテロ接合発現はウイルスとリガンドの結合能力を変えるかもしれない。炎症因子もSARS-CoV感染で作用を果たし、SARS-CoVの感受性を増加する。

 

これらの宿主受容体分子はウィルスと細胞の間の非常に良いルートであり、ウイルスは様々な有利な方法で宿主に付着して侵入する。

 

SARS-CoV-2の複製:

ウイルスは生命と非生命の境界にある物質であり、その自身に生命の気配がなく、宿主細胞に依存しないと生きることができない。SARS-CoV-2も同様で、宿主細胞のメカニズムを利用して自身の複製と伝播を行う。宿主細胞へ付着と侵入、レプリカーゼ-転写酵素の翻訳、ゲノムコピー、mRNAの転写及び新たなウイルスの組み立てなどの過程を経る。SARS-CoV-2の感染はSタンパクRBDドメインと同族受容体の付着から始まり、SタンパクのS2サブユニットの立体配座が変化し、ウイルスと細胞膜の融合を促進する。ニュクレオカプシトが細胞質に釈放された後、ウィルスのゲノムRNA(gRNA)はリボソームのフレームシフト翻訳を通してポリ蛋白質pp1aとpp1abを作成する。pp1aとpp1abは宿主とウイルスプロテナーゼによって加水分解され、非構造タンパク(NSP)を16個生成し、その後、レプリカーゼ-ポリメラーゼに組み立てる。レプリカーゼとポリメラーゼは新型コロナウイルスの複製に参与し、この過程でゲノムRNAが複製され、亜ゲノムRNAが転写され、翻訳されて構造タンパク質と形成する。ウイルス生成物はゴルジ体で組み立て、滑らかな壁のある小胞の形で脂肪層に芽を出て、開口分泌により排出される。

 

SARS-CoV-2と先天免疫

細胞が病原体に露出すると、免疫反応防御機制が活性化され、細胞依存性の方式で免疫応答を調整する。先天免疫はウイルスを防ぐ第一の防御線である。宿主とウィルスとも先天性免疫機制を操作でき、防御または逃避の策略形式とする。免疫系はパターン認識受容体(PRR)によって病原体を識別し結合する。PRRは主に三種類に分けられる。

 

1、Toll様受容体(TLR)

TLRの活性化は主に抗原提示細胞で発生する。例えば、樹状細胞(DC)、マクロファージ、単核細胞、B細胞である。ウイルス成分を識別した後、TLRはToll/IL-1受容体(TIR)を含んている信号転送分子を募集し、例えばアダプター分子のミエロイド系分化因子 88(MyD88)とβインタフェロンTIRドメイン接続タンパク(TRIF)を募集し、そしてMyD88とTRIFがMAPKとNF-κB通路を刺激し、IFNと炎症促進因子の発生を増強する。

 

2、レチン酸誘導遺伝子I(RIG-I)受容体(RLR)

RLRは細胞質受容体家族であり、三つのメンバーからなる。一つはRIG-Iで、一つはMDA5(melanoma differentiatioin associated factor 5)で、もう一つはLGP2 (laboratory of genetics and physiology 2)である。RIG-IはウイルスゲノムRNAの5′三リン酸部分と、ウイルスゲノム補完末端の自己アニールによって形成された二重鎖構造を識別する。MDA5は通常もっと長いdsRNAシーケンスを検出する。RIG-1とMDA5とウイルスRNAの結合は立体配座変化をもたらし、CARDドメインを暴き出し、ミトコンドリアと過酸化酵素に位置する抗ウイルス信号転導分子MAVSを募集する。MAVSは転写因子を活性化し、インターフェロンIFNと炎症促進細胞因子の発現を触発する。

 

3、ヌクレオチドオリゴ化受容体(NLR)

NLRはPRRのもう一つの大家族である。LRRベースシーケンスはウイルスPAMPを検出して構造再配列を誘導し、その後、MAPKとNF−κB信号通路を含む多種類の信号経路が活性化される。また、炎症性小体の組立てもNLR家族によって介され、炎症性小体が炎症性に関連するプロテアーゼを活性化させ、IL-1βとIL-18前駆体が活性形式に分裂するように誘導される。コロナウイルスの感染はIFN合成の抑制と関連している。ウイルス調節I型IFN信号の転導能力はウイルス毒力の重要な標識である。研究により、コロナウイルスの構造タンパク、非構造タンパク、補助タンパクは先天免疫反応を変える。

 

SARS-CoV-2の研究現状:

ウイルスの爆発以来、オンラインで百以上の関連研究論文を発表された。ウイルスのエピデミオロジーと伝染性の特徴、ウイルスの起源、ウイルスのゲノム構造、ウイルスの構造と機能解析、ウイルスと宿主受容体の結合、宿主潜在受容体の探究とウイルスの宿主侵入後の免疫反応特徴等を含め、科学者たちはさまざまな角度からSARS-CoV-2を検討している。続いて研究現状について話しましょう。

 

1、SARS-CoV-2は直接に人の脾臓とリンパ節を破壊する

リンパ細胞減少症はSARS-CoV-2患者の共通特徴であるが、このような消耗のメカニズムはまだ不明である。研究により、SARS-CoV-2は直接に継発性リンパ器官を感染して、細胞の死亡を誘発する。免疫組織化学実験により、SARS-CoV-2の潜在受容体ACE2は脾臓とLNのCD169+マクロファージに発現する。免疫蛍光により、SARS-CoV-2感染はリンパ濾胞の消耗、脾臓結節の萎縮、組織細胞の増殖とリンパ細胞の減少を含んで厳重な組織損傷を引き起こすことが証明された。ウイルス感染によるリンパ球のアポトーシスはマクロファージがIL-6(リンパ球の壊死を直接促進する促進因子である)を生成することを触発する。そのため、SARS-CoV-2は組織感染を通じて直接に人の脾臓とリンパを影響すると言える。

 

2、SARS-CoV-2 sarbecev亜属の進化起源は新型肺炎COVID-19の大流行を引き起こした

米国ペンシルベニア州州立大学生物系伝染病動力学センターはCOVID-19の進化問題を研究した:①新ウイルスとSARSの関係、②ウイルスライブラリとしてコウモリの働き、③他の哺乳動物の潜在感染性、④ウイルス出現における組換の役割。著者はsarbecoviruses(SARS-CoV-とSARS-CoV-2ウイルスはこの亜属である)の頻繁な組換を発見したが、SARS-CoV-2家系自体でウイルスの組換え型を検出していない。

 

  • RaTG13はSARS-CoV-2に最も近い不審なコウモリウイルスである。これらのコウモリウイルスの一つの亜系は人類に感染することができる。RaTG13/SARS-CoV-2の2つの家系はマレーシアの穿山甲を感染した。
  • 馬蹄コウモリは高レベルの共同感染があり、この自然ウイルスライブラリに新たな対立遺伝子の組み合わせが生成でき、携帯しているコロナウイルスには多様性がある。
  • SARS-CoV-2は最新の組換形式ではなく、少なくとも現在サンプリングされたコウモリや穿山甲のウイルスと関係ない。
  • sarbecovirusウイルスの非組換領域を識別して、システム発育推定と年度テストを行うことができる。著者は異なる方法でこんな区域を三つ構築した。
  • 研究者は40~70年前のTaTG13とSARS-CoV-2に分岐があると推定している。馬蹄コウモリに多種類の共通ウイルスライブラリが建てた。人畜共通伝染病の中間宿主を排除できないが、人間へのオーバーフロー(Spillovers)という進化が馬蹄コウモリで起きた可能性が高い。

 

研究によると、コウモリには単一の血統が一つ存在し、前に最初のSARS-CoV血統に関するコウモリsarbecovirusesに対して述べたように、その特徴によって、人類細胞を感染できる。この血統がコウモリの中で伝播する時間の長さを評価するために、研究者はSARS-CoV-2とRaTG13の最近の共同祖先tMRCAに進化した時間を推定した。3つの生体情報学方法を用いて組換の影響を除去し、これらの方法を用いて推定された非組換領域を確定し、これらの領域は信頼できるシステム発育再構成と年代測定に用いられる。穿山甲は人類への伝播を促進する中間種かもしれないが、このウイルスはコウモリの進化によって生成したコウモリsarbecovirusと一致して、人と穿山甲の上気道で複製できるという証拠がある。

 

3、SARS-CoV-2のニュクレオカプシトタンパク(nCoVN)は人誘導多能幹細胞(iPSC)の多能性を除去した

nCoVNはiPSCの多能性を破壊し、それを繊維細胞に変える。逆転写PCR(RT-RCR)の結果によると、ACE 2がiPSC、iPSCから生まれた心筋細胞(iPSC CM)と人冠状動脈内皮細胞(HCAEC)で発現する。これらの細胞がSARS-CoV-2の潜在目標であることを示している。また、nCoVNは生殖システムと造血システムを損害する可能性がある。

 

4、SARS-CoV-2受容体識別の構造基礎

最近の研究では、SARS−CoV−2受容体構造領域RBDと結合したhACE2の結晶構造を探索した。SARS-CoV RBDと比較して、SARS-CoV-2 RBDのhACE2における一部の残基変化はRBD/hACE2界面の2つのウイルス結合サイトを安定させている。SARS-CoV-2 RBDのこれらの構造特徴はhACE2との結合親和力を高めた。また、著者はRaTG13(SARS-CoV-2と密接に関係するコウモリのコロナウイルス)もhACE2をその受容体として使用したと指摘した。hACE2はSARS-CoV-2、SARS-CoVとRaTG13の違いを識別し、SARS-CoV-2が動物と人類の間に潜在的に伝播するルートを掲示した。

 

多くの研究はウイルス表面の糖タンパクがコロナウイルスを介して宿主細胞に入れることを示している。最近の研究はSARS-CoV-2受容体識別の構造と生物化学機制を解明した。SARS-CoVピークタンパク質は受容体結合ドメインRBDを一つ含んでいる。RBDは特異的にACE2を識別する。研究者はこの前、異なる宿主からのACE2が異なるウイルス株のSARS-CoV RBDと結合する一連の結晶構造を確定した。SARS-CoV RBDが一つのコアと一つの受容体結合ベースシーケンス(RBM)を含み、RBMがACE2との相互作用を介すると証明された。hACE2の表面はウイルス結合ホットスポットを2つ含んでいて、これはSARS-CoV結合にとって極めて重要である。

 

5、SARS-CoV-2ウイルス疾患における動物モデルの応用

コロナウイルス自身及び宿主受容体の基礎研究に対して、我々がすでに多くの進展を遂げたが、ワクチンの開発と抗ウイルス薬物の開発は依然として理想な状態に達していない。科学技術の発展と伴って、ワクチン開発の方式は多様化になり、迅速に有効なワクチンを得るために時間を取得する。同時に抗ウイルス薬物の真っ新な開発と古い薬の再使用は動物レベルまで検証しなければならない。

 

種の間の差異のため、現在SARS-CoV-2の宿主受容体タンパクACE2は各種の間で違っている。ウイルスと結合するベースシーケンスも完全に一致していない。研究によると、ACE2はネコと人類の間で違いがあり、マウスと人間の間で同じに差異がある。事実はヒト化ACE2のhotspot 31とhotspot 353アミノ酸はリジンであるが、マウスのACE2はグルタミン酸を一つ多くなる。グルタミン酸の存在はウイルスとACE2の結合を阻害する。つまり、この違いはウイルスの侵入に不利である。同様に、MEAR-CoV受容体標的DPP4の2つの関鍵アミノ酸A288とT330は人類とマウスの間では異なるので、マウスモデルを使用する際に、現在の遺伝子編集技術を利用して受容体遺伝子をヒト化し、最大限的にコロナウイルスが人類を感染することを模擬する動物モデルを考慮しなければならない。しかし、感受性の高い動物モデルは短期間ですぐに実現できることではなく、且つ主な受容体もウイルス作用の単一方式ではなく、各種の酵素分子や免疫調節分子に制約される。潜在的にSARS-CoV-2の人類感染に影響する色んな要因はまだ知らない。各調査の結果によると、コロナウイルスの研究に対して、潜在標的遺伝子TMPRSS2、ADAM17、CD209L、CD147、AGO4などの機能は無視できない。これらの分子はウイルス自体が機体に侵入するのを助けるか、それともウイルスとACE2の結合に参与するかに関わらず、ウイルスの人類への感染と人類発症の生物学過程に影響する。APN、DPP4はコロナウイルスの人類受容体として、同じに重要な研究意義がある。そのため、ヒト化マウスモデルはコロナウイルスの研究における不可欠な重要なツールである。

 

プロフェッショナルで責任感のあるモデル動物サプライアーとして、サイヤジェン株式会社は疫病発生以来、緊急に会社の研究開発者を招集して、新型コロナウイルス研究に関連する動物モデルの開発に全力を尽くしています。現在、新型コロナ肺炎研究、ワクチン研究開発或いは新薬選別に用いる動物モデルの研究開発を加速しており、同時にACE2、DPP4とAPNなどの多種類のコロナウイルスの関鍵受容体のC57とBALB/c背景品系のヒト化モデル、遺伝子ノックアウトモデルとROSA26遺伝子ノックインマウスモデルを展開しております。科学研究所、生物医薬企業に新型コロナ肺炎の予防に必要な精密な「遺伝子マウス」を提供できます。

 

まとめ

新型コロナウイルスの研究に対して、私達はまだ長い道のりがある。どうやって進路を探すか。ただ最も適切なワクチンを見つけて、萌芽状態のウイルスを消滅するか、若しくは適切な抗ウイルス薬を準備して、ウイルスを繁殖過程で扼殺するにすぎない。ウイルスを理解してこそ、打ち勝てる。コロナウイルスの最終目的は人間を消滅することではなく、人間と仲良くすることだと思うが、その危害は如何か?我々人類はそれに対する制御能力は如何か?ウイルスを我々の技術範囲に把握できる程度はどれぐらいか?これらは解決しなければならない問題である。最終的にどのような形で存在するか、科学者によることである。

 

参考文献:

1.Yvonne Xinyi Lim,Yan Lig,James P.Tam and Ding Xiang Liu.Human Coronaviruses:A Review of Virus–Host Interactions.Discease.2016.

2.Zeqing Feng,Bo Diao,Rongshual Wang et al.SARS-CoV-2 infects hman splees and lymph nodes.medRxiv preprint.2020.

3.Maciej F Boni、Philippe Lemey、Xiaowei Jiang et al.Evoutionary origins of the SARS-CoV-2 sarbecovirus line reponsible for the COVID-19 pandemic.BioRxiv preprint.2020.

4.Lin Zebin,Gao Qiang,Fang Qian et al.The nucleocappsid protein of SARS-CoV-2 abolished pluripotency in huoman induced pluripotent stem.BioRxiv preprint.2020.

5.Jian Shang、Gang Ye、Ke Shi et al.Structural basis of receptor recognition by SARS-CoV-2.Nature.2020.

 

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