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エラー・カタストロフ限界説の誤解

更新:2011.11.11:23:50

はじめに

エラー・カタストロフ(error catastrophe)とは、過剰な突然変異によって生物やウイルスの種・個体内の正常な遺伝情報が失われ、壊滅的になることを言います [1]。マンフレッド・アイゲン(Manfred Eigen)[2, 3] が提唱した造語であり、遺伝的近縁集団(準種quasispecies)の進化を数学的に説明するのに用いられました(Eigen–Schusterの準種モデル [4])(下図)

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日本では児玉龍彦氏(東京大学名誉教授)が、COVID-19流行の波を説明するのにこの理論(エラー・カタストロフ限界説)を持ち出しています [5]国立遺伝学研究所新潟大学の共同研究チームは「SARS-CoV-2nsp14変異がゲノム全体の変異を蓄積させ、ウイルスが自滅して第5波流行減衰に繋がった可能性がある」という報告を行ないました。メディアがこれを取り上げた結果、SNS上で盛んにエラー・カタストロフ限界説と結びつけたウイルスの自滅説が飛び交うようになっています。

私は先にブログ記事で、第5波流行が減衰した原因として、エラー・カタストロフと「ウイルスの自滅」を結びつけて論じるのは間違いであることを指摘しました(→流行減衰の原因ーウイルスが変異し過ぎて自滅?)。ここで再度、この理論の適切な適用の仕方を説明しながら、どこが誤解かを指摘したいと思います。そこには、エラー・カタストロフ理論自体の限界と拡大解釈および「ウイルスの自壊」という考え方の不適切さという二つの問題があります。

1. エラー・カタストロフの概念と現実の変異

エラー・カタストロフ限界理論を適用して、COVID-19流行の減衰を「ウイルスが自滅する」からと考えるのは、結論から言うと、全くの誤解です。ウイルスは自然状態で集団全体では自滅することはありません。言い換えると、ウイルス自体は常にランダム変異を起こしており、その変異が一つでも致死的であれば消失しますが、一方で適応した個体が存在します。

私たちの目の前にいるウイルスは常に適応した変異体であり、自滅したウイルスは目にすることができません。したがって、変異の蓄積も認識することができず、適応した変異が進化と多様化という形で残っているだけです。この変異による系統的多様性の広がりは、宿主の免疫系によるウイルス認識を回避する可能性を高くしていきます。SARS-CoV-2で言えば、宿主間を伝播するタイプとしてはオリジナルの武漢型はもはや存在せず、今は偶然に適応した多様な変異体が蔓延しています。

要するに、突然変異の量ではなく、変異の質がウイルスの運命に関わっており、致死的な変異は直ぐに失われるので、集団内で広がることもありません。集団で自滅することもないのです(これは言葉の問題でもありますが)。機能的に必須なタンパク質において、一個でもアミノ酸の置換が起これば致死的になる場合もあります。

ただし、ウイルスは宿主の中でしか増殖できませんので、ウイルスの変異については自身の複製機構だけでなく宿主との相互作用が大きく影響しており、ウイルスの突然変異が促進されている可能性があります。この場合、宿主側からの攻撃によってウイルスが損害を受ける立場なので、いわゆるウイルスの自壊(自滅)とは異なります。

一方で、エラー・カタストロフでは、このように自然に起こるゲノムの複製のエラーとは関係なしに、ウイルスの準種における突然変異の過剰蓄積を想定し、それが自己同一性のメルトダウンに至るプロセスを考えます。そして、どの程度変異が進めば自己同一性を失ってしまうかのエラー閾値を考え、それを数学モデルで予測しています。ここで、準種とは、近縁のゲノム集合体が、変異、競争、選択などの連続的なプロセスにさらされている状態での遺伝的および表現型の集団構造を指します。

エラー・カタストロフでは、生物やウイルスの集団における突然変異の蓄積量の変化、および集団を維持できなくなる致死的な閾値を想定しますので(質は考慮していない)、現実には自然に起こる生物進化には適用することは難しいです。なぜなら、上述したように、ゲノム(DNAやRNA)の複製に関わる酵素の複製エラーとその取捨選択(自然淘汰)は一定の時間的確率で起こっており、見かけ上、変異の過剰な蓄積は起こらないからです。そして、目に見える時系列での変異は必ずしも致死的になるとは限らないのです(一般的にはこれを進化という)。

2. エラー・カタストロフ理論の検証と批判

エラー・カタストロフ理論については、さまざまな数値シミュレーションや実験的検証が行なわれてきました。この理論によれば、突然変異を過剰蓄積した消滅寸前のウイルスが存在するはずですが、実験的には明確に証明されていません(後述)。

もしこの理論の適用が可能とすれば、ウイルスの突然変異を促進する外的要因が想定される場合です。たとえば、その要因として変異原や変異誘発の治療薬、あるいは上述した宿主の抗ウイルス活性が考えられます。ただ、変異誘発以外の薬剤によるウイルス消滅と区別できず、エラー・カタストロフ理論の証明にはならないとの批判があります。

エラー・カタストロフ理論(Eigen–Schusterの準種モデル [4, 6])について検証を行なった例の一つとして、やや古い論文ですが、Summers & Litwinの総説 [7] があります。ここでは、提示された具体的な数式モデルは省略しますが、この報告の考察を参照しながら、本理論への批判を考えてみたいと思います。

エラー・カタストロフについて最初に行なわれた数値シミュレーションでは、ゲノムは変異の数に応じてマスター配列と同一のものと異なるものに分類されました [6]。数学的な処理を簡単にするために、マスター配列のフィットネスレベル(優れている)と、他のすべての配列のフィットネスレベル(劣っているが有限である)の2つだけを想定しました。

論文 [7] で強調されていることは、このモデルが、複製時に発生したエラーの結果は、複製率が1回だけ低下するというものとして考えられており、ゲノムがその配列劣化によって適合度ゼロの特性を獲得することは想定されていないということです。必然的な結果として、すべての変異ゲノムが複製可能ということになり、この仮定によって、ランダムな突然変異配列を持つ複製可能なゲノムの集団だけで構成される準種が存在するということになります。

すなわち、突然変異による崩壊の過程で、エラー閾値で野生型ゲノムを消滅させるのは、この複製可能な突然変異体の集団なのです。エラー閾値での絶滅は、野生型ゲノムが突然複製されなくなったために起こるのではなく、変異体ゲノムの複製率が不変であるという前提で、野生型ゲノムの収量がエラー率に応じて連続的に減少していくことで発生することになります。

エラー・カタストロフ理論はいろいろとモデル改良されてはいますが、いずれも「エラーの連続は突然変異体の複製に影響を与えない」という大前提は維持されています。一方、突然変異が変異体の集団に及ぼす悪影響(複製阻害)を考慮すると、Eigen−Schusterの準種のモデルでは、エラー・カタストロフを予測できなくなります。

このように、現実的には確固たる理論的裏付けがないにもかかわらず、エラー・カタストロフ理論は、文献上の2つの一般的な実験的観察からその根拠を主張しています。一つは、変異原の存在下で連続的に培養した後、細胞培養物からウイルスの感染力が失われることであり、もう一つは、ウイルスまたはウイルスRNAが感染できる見かけ上の変異頻度の閾値があることです。

とはいえ、エラー・カタストロフを支持する実験結果は、一般に代替的な説明の提案や検証がなされていないことや、データの精度が不十分であるという欠点があります。たとえば、変異原が複製率に及ぼす影響は、ヌクレオシド鎖複製停止の薬剤などの影響と区別できません。変異原の作用によってウイルス集団が絶滅しても、理論的には感染粒子の生成を阻害するだけで絶滅させることができるので、それだけではエラー・カタストロフの証拠にはなりません。

いくつかのRNAウイルスでは、突然変異の頻度を数倍以上に増やすと、生存率が大きく低下することが指摘されています。この観察結果は、RNAウイルスが実際にエラー・カタストロフの閾値付近で複製を行っていることを示していると解釈されています。しかし、実際は、突然変異率の大幅な増加が検出されることがないことは、致死的な突然変異は消失するということで説明できます。

エラー・カタストロフ理論の予測では、RNAウイルスゲノムによる突然変異の蓄積は無限であるはずです。そして、突然変異の蓄積でメルトダウンを起こすような産物は、ランダムな配列を持つ超変異ゲノムであるはずです。しかし、このようなゲノムを検出することを目的とした実験は失敗に終わっています [8]。現実に見つかるのは、通常の変異速度をもつRNAウイルスであり、超変異ゲノムをもつRNAウイルスが見つかった例はありません。

Summers & Litwin [7] は、エラー・カタストロフを予測する理論モデルは、私たちが知りえる生物学・ウイルス学の世界でのウイルス感染を現実的に表現することはできないと批判しました。そして、それだけでは抗ウイルス療法の新しいパラダイムとはなり得ないとしました。

より最近の、宿主のAPOBECファミリータンパクによるレトロウイルスやRNAウイルスのゲノム編集に関する知見は、過剰変異が致死的効果をもたらすという意味ではエラー・カタストロフを再現しているように見えます。また、変異原によるウイルスRNAの過剰変異も然りです。しかし、過剰変異が起こす複製阻害を一様にエラー・カタストロフと呼んでいて、オリジナルのEigen–Schusterの数学的準種モデルの範疇を超えているように思います。

3. 宿主の抗ウイルス活性-APOBEC

APOBECファミリーのシチジンデアミナーゼは、哺乳類細胞において、小型DNAウイルス、ヘルペスウイルス、レトロウイルス、さらにはコロナウイルスなどのRNAウイルスのゲノムを致死的に編集することで、抗ウイルス活性を示します。ヒトでは、22番染色体上にC→U RNA編集シチジンデアミナーゼAPOBEC1(apolipoprotein B mRNA editing enzyme catalytic subunit 1)と構造的および機能的に関連するタンパク質をコードする7つの遺伝子から成るクラスターが存在します。

このうちの一つであるAPOBEC3G(A3G)は、RNAと一本鎖DNA中のシトシン(dC)からウラシル(dU)への部位特異的な脱アミノ化を触媒します。これらの酵素は、HIV-1を含む様々なレトロウイルスやレトロトランスポゾンの複製を強力に阻害することがわかっています。A3Gが誘発するHIV-1の過剰変異のメカニズムについては、Okada &Iwataniの総説論文 [9] で解説されています。

A3G抗ウイルス活性の一つの可能性は、A3G依存性の脱アミノ化が、細胞内のウラシルDNAグリコシラーゼ(UDGs)によるdU含有逆転写産物の分解を誘発することです。一方で、ウイルスに取り込まれたA3GがウイルスのDNAゲノムに致死レベルのG→A過剰変異を発生させ、子孫ウイルスの産生とその後のウイルス伝播を終了させる致死的な結果をもたらすことが示されています。すなわち、ウイルスを「エラー・カタストロフ」モードに追い込む可能性があるということです。

しかし、Okada & Iwatani の総説では、変異原によってもたらされる大量の突然変異は、「エラー・カタストロフと呼ばれるウイルスの複製失敗」につながると述べられており、段階的に複製率と収率が低下していくというオリジナルの概念では必ずしも捉えられていません。

APOBECファミリータンパクによるSARS-CoV-2のRNA編集については、Ratcliff & Simmonds [10] によってレビューされています。この総説ではエラー・カタストロフについては直接触れられていませんが、SARS-CoV-2に頻繁に見られるAPOBEC様のC→U変異が進行すると、これまでにヒト季節性コロナウイルスのゲノムで報告されているような世界的なC塩基の枯渇とU塩基の過剰の原因になるかもしれないと予測されています。

APOBECは、宿主とレトロウイルス宿主とRNAウイルスの相互作用に重要な役割を果たしていることは間違いありませんが、このプロセスを機能的に研究することの難しさが指摘されています。なぜなら、ヒトには異なるAPOBECが多数存在し、ウイルス、RNA、DNAの標的や生物学的活性が異なると考えられるからです。たとえば、宿主全体の防御におけるAPOBECの機能の生体内モデルとして適していると思われるマウスは、A3遺伝子を1つしか持っていませんが、霊長類やコウモリでは7つ以上持っています。

さらに、Ratcliff & Simmonds [10] の指摘で興味深いことは、APOBECによるウイルスゲノムのホモプラティックな変化(垂直進化上ではなく異なる系統で獲得される同形質)は、分子疫学調査に用いられる系統樹の構築を困難にし、無関係な系統間の誤った関連付けを引き起こす可能性があるとしていることです。これらの変異が、RNA依存性RNAポリメラーゼ(RdRp)による複製時の取り込みエラーではなく、宿主の要素によって引き起こされたとすると、ウイルスの進化モデルの概念的基盤の多くを支える中立進化の仮定を覆すことにもなると述べています。

さらにAPOBECの役割について、潜在的な突然変異がウイルスの体力に長期的にどのような影響を与えるかは不明であるけれども、全体的な集団の多様性に貢献するだろうと述べています。

二つの総説 [9, 10] を対比させて読むと、APOBECによるゲノム編集が宿主レベルが起こる場合にエラー・カタストロフに至る可能性があるということと、その変異が集団レベルに広がって進化的な多様性に繋がるというは別であるということがわかります。つまり、エラー・カタストロフが起こるとしても、それはあくまでも一つの宿主内での話であって、集団的な感染流行の波には当てはめられないということです。

APOBECがウイルス抑制に働いていること、それが人種間で差異があるかもしれないことは想定できますが、それがエラー・カタストロフとして集団内で同調的に広がるメカニズムは、現時点においては全く想定できません。

4. 治療薬によるエラー・カタストロフ

致死的変異を誘発するヌクレオシド薬剤の使用は、多くのRNAウイルスが持つ高い変異率と低い変異耐性を利用した、広範囲な抗ウイルス戦略であり、エラー・カタストロフ理論の実践の場となっています [11]

たとえば、リバビリン(ribavirin)はG→A、C→Uへの変異頻度を増加させるのに対し、ファビピラビルはA→G、U→Cへの移行を促進します [12]。後者は、日本ではインフルエンザの治療薬(商品名:アビガン)として承認されており、中国とロシアではCOVID-19の治療薬として認可されています。

最近COVID-19治療薬として登場してきたのがモルヌピラビルです。これは、元々インフルエンザ治療のために開発された経口抗ウイルス薬で、合成ヌクレオシド誘導体N4-ヒドロキシシチジン(EIDD-1931)の前駆体ドラッグ(NHC)です。

Gordonら [13] は、NHCがウイルスのRNAに取り込まれ、RdRpの鋳型として用いられることを明らかにし、ウイルス学的な証拠と一致する変異誘発モデルを提案しています。つまり、モルヌピラビルがSARS-CoV-2をエラー・カタストロフに導く分子メカニズムが提示されているわけです。

モルヌピラビルは、ウイルスのRNA複製プロセスにおいて、そのRdRpの複製エラーを促進します。この薬剤は体内に入ると、シチジンに類似したリボヌクレオシドアナログ(NHC-TP)に代謝・変換され、RdRpによるRNA複製時には、本物のシチジンの代わりに取り込まれます。 

NHC-TPはシチジン(C)や脱アミノ化されたウリジン(U)を模倣することで、元のRNAとは異なる配列を与えることになりますが、これはエラー校正エキソヌクレアーゼであるnsp14によってエラーとして認識されません。すなわち、RdRpがRNAを複製しようとすると、NHC-TP挿入部位でランダムにCあるいはUとして解釈することになり、その度に多くの突然変異が発生します。その変異が蓄積される結果、ウイルスに致死的に働くとされています。

NHCはリバビリンやファビピラビルに比べて100倍以上の活性を示し、その活性はウイルスRNAの変異頻度の増加と相関していることが示されています [13]。モルヌピラビルがエラー・カタストロフ理論に沿って働いていると言うなら、実際に治療薬を与えられた患者あるいは感染細胞から変異頻度が異なるさまざまなウイルスが分離され、かつ変異の蓄積度に応じて、複製は起こっているけれども、ウイルスの収量に差があることが証明される必要があるでしょう。

ところで、モルヌピラビルには固有のリスクがあります。NHCは、宿主細胞でリボヌクレオチド還元酵素により2′-デオキシリボヌクレオシド型に代謝され、宿主細胞のDNAに取り込まれます。NHCの変異原性は動物細胞培養で示されており、モルヌピラビルによる腫瘍形成の潜在的リスクや、精子前駆細胞の生成および胚の発生における有害な変異の出現が懸念されています [14]

おわりに

生物やウイルスは自ら過剰変異を起こすことはありません。また、変異は中立的に常に起こっており、その変異が機能的に重要なタンパク質に阻害的に働けば、その個体は消滅して行きます。つまり、変異量に関わらず、1個のアミノ酸の変化でも、必須タンパク質の構造や機能に有害であれば致死的に働きます。そのような有害な変異を起こした個体は駆逐されるだけで集団内に広がることはなく、適応したものだけが残存していきます。

エラー・カタストロフ理論は、複製機能が不変という前提で突然変異の過剰蓄積によるメルトダウンを想定しているため、点変異による致死的結果を説明できませんし、阻害剤によるウイルスの複製停止で起きる消滅と区別して解釈することも不可能です。この理論が成り立つとしたら、宿主の効ウイルス活性や変異原が作用して過剰変異が起こる場合ですが(例:APOBECやモルヌピラビル)、現象を解釈できる実験的検証と理論的裏付けがなお必要でしょう。

日本における第5波流行がエラー・カタストロフによって減衰したとするなら、突然変異度が異なる閾値に至るさまざまなウイルスが分離されるはずです。実際にはそのような過剰変異ウイルスが検出されたという報告はありません。したがって、流行減衰を現段階でエラー・カタストロフ理論で説明するのは無理がありますし、ましてやウイルスの自壊とか自滅とかいう言い方は不適切です。

第5波流行は、デルタ株の国内変異で生じた亜系統ウイルスAY.29変異体(一部AY29.1)が原因であったことがわかっています [15, 16]。エラー・カタストロフに繋がるような超変異体はおそらく分離されていませんし、この流行の減衰をウイルス自壊説で説明するのは無理です。

ブログ更新:2021.11.11

このブログ記事を書いた後に、インペリアル・カレッジ・ロンドンの免疫学者小野昌弘医師の「デルタの「死滅・自壊」が第5波収束の原因ではないといえる理由」という記事が配信されました。この記事を引用しておきます [17]

引用文献・記事

[1] Science Direct: Error catastrophe. https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/error-catastrophe

[2] Eigen, M: Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules. Naturwissenschaften 58, 465-523 (1971). https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00623322

[3] Eigen, M.: Error catastrophe and antiviral strategy. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99, 13374-13376 (2002). https://doi.org/10.1073/pnas.212514799

[4] Eigen, M., & Schuster, P.: A principle of natural self-organization. Part A: Emergence of the hypercycle. Naturwissenschaften 64, 541-565 (1977). https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00450633

[5] 石田雅彦: 新型コロナの「急速な収束」はなぜ起きたのか:児玉龍彦氏に聞く「エラー・カタストロフの限界」との関係は. Yahooニュース Japan. 2021.10.05. https://news.yahoo.co.jp/byline/ishidamasahiko/20211005-00261667

[6] Swetin, J., & Schuster, P.: Self replication with errors, a model for polynucleotide replication. Biophys. Chem. 16, 329-345 (1982). https://doi.org/10.1016/0301-4622(82)87037-3

[7] Summers, J. & Litwin, S.: Examining the theory of error catastrophe. J. Virol. 80, 20–26 (2006). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1317512/

[8] Grande-Pérez, A. et al.: Molecular indetermination in the transition to error catastrophe: Systematic elimination of lymphocytic choriomeningitis virus through mutagenesis does not correlate linearly with large increases in mutant spectrum complexity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99, 12938–12943 (2002).

[9] Okada, A. & Iwatani, Y.: APOBEC3G-mediated G-to-A hypermutation of the HIV-1 genome: The missing link in antiviral molecular mechanisms. Front. Microbiol. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.02027

[10] Ratcliff, J. & Simmonds, P.: Potential APOBEC-mediated RNA editing of the genomes of SARS-CoV-2 and other coronaviruses and its impact on their longer term evolution. Virology 556, 62–72 (2021). https://doi.org/10.1016/j.virol.2020.12.018

[11] Perales, C. et al. The increasing impact of lethal mutagenesis of viruses. Future Med. Chem. 11, 1645–1657 (2019). https://doi.org/10.4155/fmc-2018-0457

[12] Menéndez-Arias, L.: Decoding molnupiravir-induced mutagenesis in SARS-CoV-2. J. Biol. Chem. 297, 100667 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.100867 

[13] Gordon, C. J. et al.: Molnupiravir promotes SARS-CoV-2 mutagenesis via the RNA template.  J. Biol. Chem. 297, 100770 (2021) https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.100770

[14] Zhou, S. et al.: β-D-N4-hydroxycytidine (NHC) inhibits SARS-CoV-2 through lethal mutagenesis but is also mutagenic to mammalian cells. J. Infect. Dis. 224, 415–419 (2021). https://doi.org/10.1093/infdis/jiab247

[15] Abe, T. & Arita, M.: Genomic surveillance in Japan of AY.29—A new sub-lineage of SARS-CoV-2 Delta Variant with C5239T and T5514C Mutations. medRxiv Posted Oct. 08, 2021. https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.09.20.21263869v3

[16] 東京都健康安全センター: 東京都で検出された新型コロナウイルス の全ゲノム解析結果(AY型対応). http://www.tokyo-eiken.go.jp/lb_virus/sars2ngstree/

[17] 小野昌弘: デルタの「死滅・自壊」が第5波収束の原因ではないといえる理由. Yahooニュース Japan. 2021.11.11. https://news.yahoo.co.jp/byline/onomasahiro/20211111-00267460

引用したブログ記事

2021年10月31日 流行減衰の原因ーウイルスが変異し過ぎて自滅?

                

カテゴリー:感染症とCOVID-19