Dr. Tairaのブログ

生命と環境、微生物、科学と教育、生活科学、時事ネタなどに関する記事紹介

新型コロナウイルスは人為的改変体ではない?

f:id:rplroseus:20200319134047j:plainはじめに

新型感染症COVID-19の世界的流行(パンデミック)はヨーロッパや米国を中心に増大の傾向にあります。日本では現時点において感染者数は著しく増えていない状況にありますが、今日(3月19日)の専門家会議の声明を見れば油断できない状況であることには変わりありません。

COVID-19の病原体である新型コロナウイルスSARS-CoV-2、HCoV-19)の性質については、その感染力の強さなどからスピード感を持って研究されています。日本時間の昨日には、ネイチャー姉妹誌にSARS-CoV-2は遺伝的(人為的)に改変されたウイルスではないとする見解の論文が出版されました [1]。ここでは、この見解に至った背景と論文の内容を中心に紹介したいと思います。

1. 背景

SARS-CoV-2については、まずは、すぐに中国の研究グループによってRNAメタゲノミクスの技法を用いたゲノム解読結果が報告されました [2]。メタゲノミクスというのは、分離された生物細胞やウイルスから抽出した核酸(DNA、RNA)を解析するのではなく、環境中の混ざり物から核酸抽出して解析する方法であり、微生物学やウイルス学の分野では普通の技法です。今回はCOVID-19患者の気管支肺胞洗浄液を対象として解析されました。

その結果、SARS-CoV-2(この時点では2019-nCoVと称している)は29,903塩基のゲノムを有すること、ベータコロナウイルス属のサブグループSarbecovirusに属すること、既知の最類縁種とは約89%の類縁性を示すことがわかりました。そして、この類のコロナウイルスが中国のコウモリを宿主としていることから、SARS-CoV-2についてもコウモリを宿主としてヒトへ感染するようになったと推察されました。

問題はどうやってコウモリからヒトへ伝搬したかの感染ルートの謎です。最初の感染者が武漢の新鮮食品市場で発生したと疑われたことから、発生源として市場の調査が行われました。しかし、これについてはすぐに否定する発表がなされました。コウモリも売買されていないとされました。そして武漢にバイオセーフティーレベルBSL4のウイルス研究所があったことから出てきたのが陰謀論です [3, 4]

いわゆる「新型コロナウイルスは人為的改変ウイルス」とか「生物兵器」であるという類の陰謀論です。3年前にネイチャー誌が中国でのBSL4施設での管理体制に懸念を示していたこと [5] や、新型コロナウイルス(2019-nCoV)とエイズウイルスであるHIV-1との不自然な類似性を指摘する論文が出たこと [6] もこれに拍車をかけました。

メディアも加わったこれらの陰謀論 [7] に関わる論争に中で、ネイチャー誌は今年になって、「実験室」とウイルスを結びつける証拠はないと既報 [5] にあわてて追記しました。また、新型コロナウイルスエイズウイルスの類似性を報告した論文 [6]は、査読を経ていないプレプリント論文です。このような陰謀論に対して、ランセット誌は科学者による連名で全否定する記事を出しました [8]

そして今回は、科学的なデータ(ゲノム情報)に基づく、改変体であるという陰謀論を砕く論文 [1] です。この論文の内容を中心に以下に解説します。

1. コロナウイルスの種類と構造

コロナウイルスが「人為的遺伝子改変ウイルスではない」という今回の見解は、ウイルス表面にあるタンパク質をコードしている遺伝子の解読と、そこから推定されるタンパク質の構造解析に基づいています。そこで、前もってコロナウイルスの種類と表層構造を以下に簡単に説明します。

ウイルスは、DNAまたはRNAカプシドというタンパク質に包まれた正20面体の構造を持つ、超高分子複合体の粒子です(図1c参照)。コロナウイルスやインフルエンザウイルス(いずれもRNAウイルス)などは、さらにカプシドがエンベロープという脂質膜に包まれた構造を有します。エンベロープの表面には、突起状のタンパク質(スパイク)が飛び出していて、宿主細胞に侵入するときに重要な役割を果たします図1b, c

現在知られているコロナウイルスは40種類ですが、このうちヒトに感染するものは7種類です。その中の三つ(SARS-CoV、MERS-CoVSARS-CoV-2)が、重篤感染症を引き起こします(図1a)。

f:id:rplroseus:20200404092312j:plain

図1. ヒトに感染するコロナウイルスの種類(a)、SARS-CoV-2の電子顕微鏡像(b) および表面構造(c)

コロナウイルスの特徴は、このスパイクが“王冠(コロナ)状の形をしていることであり、コロナウイルスと言われる所以です。王冠様スパイクの基部は棒状になっており、この部位がエンベロープに埋め込まれ ています。スパイクの一つ一つは 3 分子のSタンパクから構成されており、このS分子の中程にある解裂部位が宿主細胞のプロテアーゼ(タンパク分解酵素)により切断され,S1とS2 の二量体になります。

すなわち、要約すれば、ウイルス表面のスパイクと宿主細胞の表面にある受容体の結合に伴うスパイクの解裂によってウイルスが侵入し、細胞内にそのゲノムが放出されていくということです。SARS-CoVSARS-CoV-2の受容体は、angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2 )と呼ばれています。

もう少し詳しく言うと、コロナウイルスのスパイクがACE2 に結合すると、エンドソームといわれる小胞に取り込まれます。そして、その中でプロテアーゼの作用により、スパイクのSタンパクが解裂されるとともに膜融合能が活性化されます。その結果、エンベロープとエンドソームの膜融合が起き、ウイルスのゲノム(RNA)が細胞内に侵入します [9]

ウイルスは外界では単なる粒子ですが、細胞内にそのゲノムが放出されると、その設計図を基に部品が組み立てられ、再構成されます。そして、組み立てられたウイルスは細胞外へ飛び出します。これがウイルスの増殖です。ウイルスの増殖は、宿主の合成機能とエネルギーに依存することや、一旦ウイルスが消失(分解)する暗黒期があることで、微生物の二分裂の増殖とはまったく異なります。

2. スパイクとヒトACE2の親和性

今回の論文 [1] が指摘する重要なポイントは、SARS-CoV-2のスパイクとヒトACE2の親和性です。スパイクのACE2結合領域(受容体結合ドメインRDB)の構造研究と生化学実験の結果からみると、ACE2には高い親和性を有すると考えられます(図2a)。ただコンピュータ解析によれば、二者間結合における相互作用は必ずしも理想的とは言えないようです。

SARS-CoV-2のSタンパクの解裂部位の推定アミノ酸配列は、結合が最適化されているほかのSARS-CoVのそれとは異なっていました。すなわち、5残基長い塩基性アミノ酸解裂部位polybasic cleavage site)が挿入されていたのです(図2b)。

ここから推察されることは、SARS-CoV-2のスパイクとヒトACEとの間にみられる高い親和性は、別に存在すると考えられる最適化されたスパイクと受容体の結合の起源から自然選択で進化したものだということです。そしてこれは、SARS-CoV-2が意図的に改変されたウイルスではない強い証拠になると論文は述べています。

ただし、私は、塩基性アミノ酸解裂部位が挿入されていることが、自然選択でそうなったという根拠は論文を読んでいても分かりませんでした。むしろ、この挿入は不自然さを感じます。

SARS-CoV-2のスパイクタンパク質は、その構造が理想的ではないとは言え、ACE2へ高い親和性を示し、その結合力はSARS-CoVのそれよりも10–20倍高いとされています [10]

f:id:rplroseus:20200320163205j:plain


図2. SARS-CoV-2(赤枠)と類縁コロナウイルスのエンベローブスパイク(Sタンパク)の受容体結合領域とプロテアーゼ解裂部位の一次構造(文献[1]の図に加筆)

3. スパイク構造の特徴

ウイルスの宿主に対する感染力は、エンベロープ表面のスパイクの宿主受容体への結合力とその後の侵入(膜融合)力に関係します。たとえば鳥インフルエンザウイルスの場合、スパイクであるヘマグルチニンに塩基性アミノ酸解裂部位が挿入されると、感染力の強い高病原性になることが報告されています [11]

上述したように、SARS-CoV-2のスパイクはS1とS2の二量体になっていること、これらの間にプロリン残基を含む塩基性アミノ酸解裂部位をもつこと、そして、これらにまたがる三つのO結合型糖鎖(O-linked glycan)接触部位をもつことで特徴付けられます。

この構造は、宿主のプロテアーゼであるフーリン(furin)による分断を効果的にし、ウイルスの感染力と宿主の範囲を決定づける要因となっていると考えられると論文は強調しています。フーリンは宿主細胞にあまねく存在し、塩基性アミノ酸解裂部位の後ろを切断することが知られています。

予測されるO-結合型糖鎖の機能は不明ですが、スパイクタンパク質のエピトープや重要な残基を遮蔽する「ムチン様ドメイン」を形成している可能性があります。いくつかのウイルスでは、ムチン様ドメインを糖鎖のシールドとして利用し、免疫逃避に関与していることが知られています。とはいえ、予測されるO結合型糖鎖部位がSARS-CoV-2で使用されているかどうかについては、実験的が検証が必要です。

図1bに見られるように、塩基性アミノ酸解裂部位は従来のベータコロナウイルス属ウイルスには存在しません。ただし、別系統のコロナウイルスであるHKU1には同様な解裂部位があるようです。これらの変異レベルを考慮すると、塩基性アミノ酸解裂部位をもつSARS-CoV-2様ウイルスはほかにも見つかるかもしれません

すでに、HIVやインフルエンザウイルスなどにおいて知られているように、エンベロープのスパイクが十分機能するためには、フーリンあるいはフーリン様プロテアーゼによる効率的切断が必要です。2006年の論文では、SARS-CoVのスパイクに塩基性アミノ酸(フーリン)解裂部位を導入すると、細胞融合活性が上がることが示されています [12]。MERSウイルスにおいては、スパイクが効率良く解裂できるようになると、コウモリへの感染から人への感染を可能にします [13]

エンベロープのスパイク(Sタンパク)に塩基性アミノ酸解裂部位が入ることで感染力が上がることは十分に考えられるわけですがSARS-CoV-2でなぜそうなったかは現時点では不明であるとしています。

4. 新型コロナウイルスの起源

以上のように、SARS-CoV-2が、近縁のSARS-CoVコロナウイルスを実験室で操作して出現したとは考えにくいと論文では言っています。もしこれが遺伝子操作で生まれたのであれば、従来のコロナウイルスで使われているreverse-genetic systems(リバースジェネティクス系)の一つが用いられているはずです。しかし、SARS-CoV-2の構造にはそのようなウイルス由来と思われるバックボーンがみられず、反論の余地がないと論文は結論づけています

ちなみに、ウイルス学におけるリバースジェネティクス系とは、ウイルス由来のクローン化cDNAや合成核酸を使って、感染性ウイルスを人工的に作製する技術を指します。

そして著者らは、SARS-CoV-2の出現について二つのシナリオを提唱しています [1]。一つは、宿主動物間の感染を経る際に(人獣共通感染症になる前に)変異の自然選択が起こったということ、もう一つはヒトに移った後に変異が起こったということです。

最初のシナリオですが、感染源として可能性のある宿主動物を考えてみましょう。当初から言われているように、武漢の市場や周辺地域に関係するとすればそこに感染元の宿主動物がいた可能性はあります。

すでに知られているコウモリのコロナウイルスSARS-CoV-2の類似性を考えれば、コウモリがその宿主としての候補の一つです。コウモリ Rhinolophus affinis から分離されたRaTG13ウイルスはSARS-CoV-2と96%の相同性がありますが、図2bに示すようにスパイクに塩基性アミノ酸解裂部位がなく、ヒトACE2には効率的に結合できない可能性があります。

広東省に密輸入されたマレーセンザンコウからは、SARS-CoV-2に似たコロナウイルスが分離されています。このウイルスではACE2結合部位にSARS-CoV-2と同じ6個のアミノ酸残基が保存されています(図2a)。この類似性を示すデータは、SARS-CoV-2が自然選択によって最適なACE結合能を獲得した可能性を示唆していると論文は述べています。

しかしながら、コウモリのコロナウイルスセンザンコウコロナウイルスにも塩基性アミノ酸解裂部位はみられません。もっとも、このような従来のコロナウイルスの多様性の低さはサンプル数の少なさに起因するとも考えられます。S1-S2結合近辺における挿入や欠失などの変異は十分に起こり得ることであり、塩基性アミノ酸解裂部位も自然選択の進化で獲得できる可能性があると論文は述べています。

第2番目のシナリオは、ヒトからヒトへの伝播の間に最適化されたウイルスが生まれたという可能性です。一旦最適化されたゲノム構造を獲得すれば、パンデミックに繋がる感染力を身につけることになるでしょう。センザンコウコロナウイルスにおける結合部位の類似性は、こうした変異がヒトからヒトへの伝播の過程で起こった可能性を示唆します。

現在のSARS-CoV-2のゲノム情報は、2019年11月から12月初旬にかけてこのウイルスが出現したことを物語っています。ということは、以前の私たちが知らないどこかの期間に、塩基性アミノ酸解列部位の獲得が起こったことが推察されます。人畜共通感染ウイルスの動物間の感染・伝搬の機会が頻繁にあり、その間に、短いヒトからヒトへの伝播があったとすれば、そうした変異の機会は十分にあったでしょう。

こうしたケースは、MERS-CoVで考えることができます。すなわち、宿主のラクダとの接触を頻繁に繰り返す間にヒトへ伝播し、MERSという病気を起こした例です。

SARS-CoV様のコロナウイルスは世界中において、バイオセーフティーレベルBSL2で研究されています。その結果、管理体制が甘くて研究室内外で漏出する可能性もあります。事実、研究室内での感染例も報告されています [14]。上述したように、ネイチャー誌上で、中国でのBSL4施設での管理体制に懸念が示されたこともあります [5]

したがって、SARS-CoV-2がこのような研究室からの不注意な漏出によって生まれた可能性も、検証しなければなりません。BSL2の施設はBSL3以上のそれと比べれば格段に多いわけですから。

理論的には、細胞培養の繰り返しでSARS-CoV-2がACE2結合領域の変異を獲得したと考えることもできます。このような変異は、低病原性のインフルエンザにおいて、長期間の培養の繰り返しで起こることが知られています。しかし、少なくともO-liked glycan接触位置における変異は、生体の免疫機構との相互作用が必要なので、培養の繰り返しでは起こりにくいと述べられています。

おわりに

今回のSARS-CoV-2の場合において、どのようにして宿主動物からバリアーを越えてヒトへの感染が起こったかを明らかにすることは、将来同様のパターンで起こるかもしれない感染症の拡大を防ぐためにも、きわめて重要です。当該ウイルスが中間介在動物の中で変異すると考えると、将来のパンデミックに繋がる感染症リスクが高まります。

SARS-CoV-2は、実験室内で意図的に改変されたウイルスではないと論文は結論づけていますが、その起源についてそのほかのシナリオを考え、確定することは現時点では不可能です。もし中間介在動物において、塩基性アミノ酸開裂部位を含むコロナウイルスが見つかれば、ウイルスの起源の考察において重要な情報となるでしょう。

最後に、SARS-CoV-2の出現には中間宿主動物の可能性も考えられるわけであり、中国ではそのような追跡調査が行われているはずです。しかし、不思議なことに依然として正式な感染源と感染ルートの報告は出されていないようです。やはり、実験動物への感染も含めて実験室内で変異を繰り返してきたのでしょうか? あるいは、論文の結論とは違って、やはり人為的改変ウイルスなのでしょうか。

引用文献・記事

[1] Andersen, K. G. et al.: The proximal origin of SARS-CoV-2. Nat. Med. 17 March 2020. https://www.nature.com/articles/s41591-020-0820-9

[2] Wu, F. et al: A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature 579, 265–269 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2008-3

[3] 平和博: 新型コロナウイルス:「生物兵器」の陰謀論、政治家やメディアが振りまく. Yahoo JAPAN ニュース, 2020.02.25. https://news.yahoo.co.jp/byline/kazuhirotaira/20200225-00164456/.

[4] 岩井聡史: 新型コロナウイルスは中国の生物兵器から流出?! 米国ガン研究所の専門家が陰謀論を全否定. FINDERS, 2020.02.28. https://finders.me/articles.php?id=1708

[5] Cyranoski, D.: Inside the Chinese lab poised to study world's most dangerous pathogens. Nature 542, 399–400 (2017).  https://doi:10.1038/nature.2017.21487

[6] Pradhan, P.: Uncanny similarity of unique inserts in the 2019-nCoV spike protein to HIV-1 gp120 and Gag. bioRxiv 31 January 2020. https://doi.org/10.1101/2020.01.30.927871

[7] 産経デジタル iZa: 新型コロナの正体、やはり“人工的”ウイルスか 中国当局「荒唐無稽で無知だ」と否定も…米専門家激白「分子にある4つの違いは自然に起きるものではない」2020.03.11. http://www.iza.ne.jp/kiji/life/news/200311/lif20031120000021-n4.html

[8] Calisher, C. et al.: Statement in support of the scientists, public health professionals, and medical professionals of China combatting COVID-19. LANCET 395, PE42-E43 (2020). https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30418-9

[9] 田口文広, 松山州徳: コロナウイルスの細胞侵入機構. ウイルス 59, 215-222 (2009).

[10] Wrapp, D. et al.: Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science 367, 1260-1263 (2020). https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1260.long

[11] Alexander, D. J. & Brown, I. H.: History of highly pathogenic avian influenza. Rev. Sci. Tech. Off. Int. Epiz. 28, 19-38 (2009). http://dx.doi.org/10.20506/rst.28.1.1856

[12] Menachery, V. D. et al.: Trypsin treatment unlocks barrier for zoonotic bat coronavirus infection. J. Virol. 94, e01774-19 (2020). https://jvi.asm.org/content/94/5/e01774-19

[13] Follis, K.E. et al.: Furin cleavage of the SARS coronavirus spike glycoprotein enhances cell–cell fusion but does not affect virion entry. Virology 350, 358-369 (2006). https://doi.org/10.1016/j.virol.2006.02.003.

[14] Lim, P. L. et al.: Laboratory-acquired severe acute respiratory syndrome
New Eng. J. Med. 350, 1740-1745 (2004). https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa032565.

                 

カテゴリー:感染症とCOVID-19

カテゴリー:社会・時事問題

カテゴリー:ウイルスの話