人間はウイルスを「殺す」ことしかできないのでしょうか?ウイルス学者：「転覆」も可能

ほとんどの人が生物学研究に対して抱く印象は、基本的にSF映画から来ています。科学者が困難に陥ったり、人類が危機に直面したり、ヒーローが地球を救ったりといったものです。 2020年は本当に災難が起こり、新型コロナウイルス感染症のパンデミックが世界を襲いました。ウイルス学者たちは一体何に忙しかったのでしょうか？ウイルス学者は、この流行病と闘うための独自のヒントを持っているのでしょうか?ウイルスは病気を引き起こす可能性がありますが、病気を治すこともできますか?今日の記事では、ウイルスの研究と応用について説明します。

李青超（山東師範大学）著

ウイルスは人間の病気を引き起こす重要なクラスの病原体です。人類がウイルスとは何かを知るずっと前から、彼らはすでにウイルスに対処する方法を見つけていました。中国では明朝の時代に天然痘を予防するために人痘を使い始めました。 1798年、イギリスの医師ジェンナーは天然痘を予防するためのワクチンとして牛痘を使用する方法を発明しました。

1885年、フランスの科学者パスツールが狂犬病ワクチンを発明しました。

1892年に、最初のウイルスが発見されました。それは、細菌よりも小さく、植物を病気にするタバコモザイクウイルスです。

最初の動物ウイルスは 1898 年に発見されました。牛と羊に感染する口蹄疫ウイルスです。

最初のヒトウイルスは 1901 年に蚊媒介性黄熱ウイルスとして発見されました。

1911年に、鶏に腫瘍を引き起こすラウス肉腫ウイルスが発見されました（図1）。

図 1. ウイルス学の発展におけるいくつかの重要な節目 (出典: Wikipedia など)

その後、ウイルスに対する人々の理解はますます深まり、ウイルスの研究はウイルス学という独立した学問分野になりました（図 2）。ほとんどの人が想像するのとは反対に、ウイルス学研究は、基本的な科学的疑問に答え、ウイルス性疾患を予防および治療することに加えて、ウイルスの開発と利用も伴います。これら 3 つの機能は、最も重要なウイルス研究ツールである逆遺伝子オペレーティング システムと切り離すことはできません。このシステムは、ウイルス学者の「毒の秘伝書」とも言える。

図2. ウイルス学研究の主な内容と関連分野（筆者作成）。ウイルスの構造、分類、進化など。ウイルスの複製プロセス。ウイルスと宿主の相互作用およびその病原性および発がん性。ウイルス研究技術（ウイルスの分離や培養など）

ステップ 1: ウイルスの検出 ウイルス学研究の最初のステップは、ウイルスの検出です。

既知のウイルスの検出は、主に医療診断や疫学調査に使用されます。主に使用される検出方法には、症状診断、免疫学的検査、核酸検査、および一部の凝固実験やその他の特異的反応検出が含まれます。

未知のウイルスの場合、分離、培養、同定のプロセスを経て発見され、最終的に電子顕微鏡で直接観察できるようになります。しかし、最終的には、配列解析を通じてウイルスのゲノム配列を入手する必要があります。これは、ウイルスのゲノム配列がウイルスの最も重要な構成要素であるためです。ウイルスのゲノム配列を捕捉することは、ウイルスを見つけることと同じです。

今日の科学技術の急速な発展により、研究者はディープシーケンシング技術を使用することで、多数の新しいウイルスを簡単に発見することができます (図 3)。未知の病原体に感染している疑いのある患者については、適切な場所でサンプルを採取し、核酸を抽出し、ライブラリを構築し、ディープシーケンスを行うことができます。配列決定後、バイオインフォマティクスの手法により病原体の配列が特定され、識別結果が提供されます。

図3. 新しいウイルスを検出するためのディープシーケンス、https://www.mgitech.cn/news/caseinfo/12/

大きなトリックを使う: ウイルスを発見した後、どのように研究を進めればよいのでしょうか?次に、ウイルス学者が使用する最も重要な研究ツールである逆遺伝学オペレーティングシステムを紹介します。

01 遺伝学と逆遺伝学

逆遺伝学を理解するには、まず遺伝学について少し理解する必要があります。生物を観察することで、髪の毛や皮膚、瞳孔の色など、いくつかの構造的、機能的特徴を発見することができます。これらは表現型と呼ばれます。表現型は生物のゲノムによって決定され、個々の生物の遺伝子の組み合わせ全体を総称して遺伝子型と呼びます (図 4)。遺伝子型が表現型を決定し、表現型が遺伝子型を反映します。

当初、人々は遺伝の本質を知らなかったため、最初は表現型に基づいて遺伝の問題を研究しました。メンデルはエンドウ豆を使い、モーガンはショウジョウバエを使って遺伝学を研究した。彼らは、エンドウ豆の赤と白の花やショウジョウバエの赤と白の目の表現型を利用して、遺伝法則を探り、表現型に関連する遺伝子を特定しました。したがって、古典遺伝学は表現型に基づいて遺伝子型を研究し、これは順方向遺伝学です。

図4. 表現型と遺伝子型

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042698901002620

https://www.niaid.nih.gov/diseases-conditions/pidds-genetics-inheritance

順方向遺伝学では、自然突然変異または誘発突然変異誘発によって特定の表現型を持つ変異体を選別し、どの遺伝子がこの表現型を決定するのかを特定して、その遺伝子の機能を研究する必要があります。

逆遺伝学では、科学者は未知の遺伝子を入手し、それを積極的に変異させたり、発現レベル（過剰発現、過少発現、またはノックアウト）を変更したりすることができます。そして、遺伝子の変異や遺伝子発現の変化によってどのような表現型の変化が引き起こされるかを観察し、それを野生型（人為的に変化していない正常な遺伝子型）の表現型と比較して遺伝子の機能を推測します。したがって、逆遺伝学は、遺伝子型を変化させ、表現型の変化の結果を観察することによって遺伝子の機能を研究することです（図5）。

図5. 順遺伝学と逆遺伝学

02 リバースジェネティクスの前提条件は遺伝子工学技術である

この概念に基づけば、逆遺伝学では特定の核酸配列を変更する必要があり、この変更技術は実際には遺伝物質である DNA の構造と機能を理解し、さまざまな遺伝子工学ツール、酵素、または遺伝子工学手法を開発した後にのみ可能になることは容易に理解できます。遺伝子工学は、バイオテクノロジーを利用して生物の遺伝子を直接操作し、細胞の遺伝子構成を変える技術です。したがって、逆遺伝学の考え方は古典遺伝学の考え方よりも後に登場したことになります。

DNA は細胞生物の遺伝物質です。 RNA よりも安定しており、遺伝子工学における酵素ツールのほとんどは DNA に作用します。したがって、遺伝物質の改変は主に DNA に対して行われます。プラスミドはゲノム外の自由 DNA の一種で、独立して複製できるため、私たちは主にプラスミドに対して遺伝物質の改変を行っています (図 6)。これらは比較的簡単に増幅でき、細菌や酵母で行うことができます。 （プラスミドの詳細については、ファン・プ氏の記事「プラスミドとは何か？生物兵器から遺伝子組み換え食品まで、プラスミドは関係している」をご覧ください）

図6. プラスミド

(出典: https://www.genome.gov/genetics-glossary/Plasmid)

03 感染性クローン

ウイルスゲノムは通常小さいため、ウイルスゲノムの二重連結 DNA コピーをプラスミド内に組み立てることができます。ウイルス配列を運ぶこれらのプラスミド DNA、またはプラスミドによって誘導される転写によって生成された RNA を細胞に送達する「トランスフェクション」と呼ばれるプロセスにより、細胞工場にウイルスタンパク質の生成、新しいウイルスゲノムの複製、およびそれらを組み立てて放出し、感染性ウイルス粒子を生成するように指示することができます。

ウイルスのゲノムは DNA または RNA のいずれかです。 DNA ウイルスのゲノムは増幅され、切断され、その後プラスミドに直接連結されます。一方、RNA ウイルスのゲノムは、DNA の合成を導くために逆転写プロセスを必要とし、その後、プラスミドに連結される前に DNA に変換されます。ウイルスゲノム配列を持ち、感染性ウイルス粒子を生成できるこれらのプラスミドは、「感染性クローン」と呼ばれます。構築した感染性クローンを細胞に導入したり、RNAに転写してから細胞に導入したりすることで、新しいウイルスを生成することができます（図7）。

図7. 感染性クローンの構築とウイルスの生産（Wikipediaより引用）

04 逆遺伝子オペレーティングシステム

先ほども述べたように、逆遺伝学研究の考え方は、遺伝子配列を変えて、遺伝子型をもとに表現型を研究し、その後遺伝子の機能を研究するというものです。ウイルスについても同じことが言えます。感染性クローンを作成し、遺伝子操作を行い、改変した感染性クローンを細胞に移植することで、突然変異を起こしたウイルスを作り出すことができます。これらの新しいウイルスを細胞や宿主に感染させ、ウイルスの複製や宿主の症状などの表現型を観察し、ウイルス関連遺伝子の機能を研究します（図8）。私たちはこのシステムをウイルスの逆遺伝子オペレーティングシステムと呼んでいます。

図8. ウイルス研究のための逆遺伝学システム（Wikipediaより引用）

最近発表された新型コロナウイルスの逆遺伝子オペレーティングシステムを例に挙げてみましょう[1]。これは酵母を使用して感染性クローンを取得します。まず、新型コロナウイルスのゲノムRNAを逆転写して増幅し、DNA断片を得るか、ウイルスのDNAバージョンを直接合成し、その後、感染性クローンプラスミドを酵母内で組み換え合成する。プラスミドは抽出された後、転写され、RNAに合成されます。 RNAが細胞に導入されると、新しいコロナウイルスが生成されます（図9）。

図9.コロナウイルス感染クローン[1]

研究、ワクチン、治療のいずれの目的であっても、ウイルスを作るにはプラスミドを改変する必要があります。改変プロセスでは、酵素切断部位、スクリーニングマーカー、必要なプラスミド断片などの遺伝子工学ツールを使用します。同時に、私たちのウイルス配列は天然のウイルスから得られます。感染性クローンを設計・製造する過程では、必然的に既存の理論モデルや設計アイデアを使用することになります。たとえ新しいウイルスを人工的にゼロから合成したとしても、コドンの使用頻度などの面で人工的な痕跡が残ってしまう。そのため、ウイルスが人工的に合成されたものかどうかを識別するのは簡単です。

ウイルス学研究におけるウイルスの逆遺伝子オペレーティングシステムの応用は、ウイルス学および関連する生命科学分野において非常に重要なツールです。ウイルス内のさまざまな遺伝子の機能を研究する基礎研究に使用できるほか、ワクチン開発にも活用できる。ウイルスは、さまざまな遺伝子配列を搭載したベクターとして、他の生命科学研究にも使用できます。さらに、生命科学の発展に伴い、細胞治療、遺伝子治療、癌治療におけるウイルスベクターの利用の見通しはますます明るくなってきています。

01 基礎研究と応用

ウイルス学のアイデアとツールは、基礎生物学研究で広く使用されています。現在、ウイルスベクターは、遺伝子の過剰発現、ノックアウト、ノックダウン、動物モデルの改変など、さまざまな面で広く使用されています。ウイルス学研究における擬似ウイルスの応用を例に挙げます（図 10）。逆遺伝学オペレーティングシステムの基本的な方法を使用して擬似ウイルス粒子を生成すると、擬似ウイルス粒子のエンベロープに研究対象のウイルスのエンベロープタンパク質が含まれ、ウイルス粒子の抗原性、中和、初期感染プロセスをシミュレートできます。しかし、粒子には欠陥のあるウイルスゲノムしか含まれていないか、ゲノムがまったく含まれていないため、疑似ウイルスはウイルス複製サイクルを完了できず、宿主を病気にすることはありません。安全性が向上したため、疑似ウイルス粒子の助けを借りて、比較的バイオセーフティレベルの低い研究室でいくつかの危険なウイルスを研究することができます。

図10. コロナウイルス研究で使用された疑似ウイルス粒子（GenScriptより引用）

02 ワクチンの研究開発と製造

私たち全員がワクチン接種を受けました。 BCG注射によって腕に残る傷跡を触ることができます。ワクチンは、体に獲得免疫防御を刺激することで病気を予防します。ワクチンの成分によって、不活化ワクチン、弱毒生ワクチン、トキソイド、サブユニットワクチン、組み換えタンパク質またはポリペプチドワクチン、ウイルスベクターワクチン、DNAまたはRNAワクチンなどに分類できます。ワクチンは、身体を刺激して効果的な免疫保護を生み出し、病気を引き起こさないという2つの条件を同時に満たす必要があります。ワクチン接種のプロセスは、身体にダメージを与えることなく免疫システムを訓練するという、免疫システムの軍事訓練に似ています。いわゆる免疫とは、実際には、次に病原体に遭遇したときにそれを素早く排除し、人（または動物）が病気になるのを防ぐ身体の能力です。

逆遺伝学システムを使用してワクチンを作成する例を見てみましょう（図11）。インフルエンザは頻繁に変異し、毎年流行するウイルス株が異なる可能性があることはわかっています。 「変装」した後は、免疫システムはそれを認識できなくなります。したがって、その年に流行するウイルス株に基づいて新しいインフルエンザワクチンを製造する必要があります。ここで、逆遺伝学オペレーティングシステムが機能します。① クリニックで蔓延している強力な株を検出し、その抗原コード配列を取得します。 ②次に、遺伝子工学により、抗原部分のコード配列を弱いワクチン株の感染性クローンに組み換えました。 ③次に、これらのプラスミドを細胞に導入すると、強力な株抗原を持ちながらも病原性のない新しい弱いワクチン株が生成され、その年に流行したインフルエンザの予防に使用できます。

図 11. インフルエンザワクチンを製造するための逆遺伝学システム (出典: Wikipedia、著者による改変)

ウイルス性疾患を予防する最も効果的な方法はワクチンを開発することです。新型コロナウイルスの流行を予防・抑制するため、世界中の研究者が新型コロナウイルスのワクチン開発に尽力している。中国の陳偉院士チームが開発した組み換え新型コロナウイルスワクチン（アデノウイルスベクター）（「Ad5-nCoV」）が第2相臨床試験に入った。名前が示すように、このワクチンで使用されるウイルスベクターは、エンベロープを持たない DNA ウイルスであるアデノウイルスです。アデノウイルスの病原遺伝子と一部の無関係な遺伝子を削除し、新型コロナウイルスの抗原タンパク質発現遺伝子を組み換え導入して、アデノウイルスベクターに基づくコロナウイルスワクチンを製造します。アデノウイルスベクターは、高効率、高力価（力価はウイルスの濃度を指します）、低病原性、および宿主細胞の染色体に組み込まれないことが特徴です。これらは一般的に使用されるウイルスベクターです。現在、国内外の研究者らは、不活化ワクチン、サブユニットワクチン、擬似ウイルス粒子、ポックスウイルスベクターワクチン、ナノ粒子ワクチンなどの戦略を用いてワクチンを開発している（図12）。このうち、ナノ粒子ワクチンは、ウイルス抗原と自己組織化タンパク質成分から構成されるナノ粒子です。

図12. COVID-19ワクチン開発戦略

（出典：https://research.sinica.edu.tw/covid-19-vaccine-academia-sinica/）

03 ウイルスは病気を治すこともできる

ウイルスまたはウイルスベクターは、ファージ療法、細胞療法、遺伝子療法、癌の治療および予防にも使用できます。

さまざまな抗生物質の発見と応用により、細菌が人体の健康に及ぼす害は大幅に減少しました。しかし、抗生物質の乱用は細菌耐性の問題を引き起こしました。一部の細菌は複数の抗生物質耐性を持っており、これをスーパー細菌と呼びます。スーパー細菌感染症は非常に危険であり、医学上非常に難しい問題です。バクテリオファージは細菌に感染するウイルスです。そのため、薬剤耐性細菌感染症の治療にバクテリオファージを使用することが、細菌感染症の治療アイデアの 1 つとなっています。 2015年、カリフォルニア大学の科学者夫婦がエジプトを旅行中、夫のトム・パターソンがスーパーバグに感染し、危篤状態に陥った。その後、彼はファージ療法によって回復しました（図13）。

図13. スーパーバグ感染に対するファージ療法

https://www.bbc.com/zhongwen/simp/world-50336647

がんは人間の健康に深刻な脅威をもたらす病気の一種であり、腫瘍溶解性ウイルスと呼ばれる特定のウイルスは腫瘍の溶解を引き起こす可能性があります。腫瘍溶解性ウイルスには、アデノウイルス、ポックスウイルス、アルファウイルス、ニューカッスル病ウイルス、単純ヘルペスウイルス1型、麻疹ウイルスなどが含まれます（図14）。これらのウイルスは癌治療に使用できるように改変することができます。一方では病気を引き起こさず、他方では腫瘍細胞を殺すことができます。腫瘍溶解性ウイルスが腫瘍を治療するメカニズムは、腫瘍の血管を破壊する、腫瘍の栄養源を遮断する、腫瘍細胞を直接殺す、腫瘍に対する細胞性免疫反応を誘導するなど、数多くあります。

図14.腫瘍溶解性ウイルスとその作用機序[2]

人間の免疫システムは、外来病原体の侵入に抵抗すると同時に、異常な「反逆」細胞を特定して排除できる軍隊のようなものです。しかし、一部の細胞はこの監視を逃れ、免疫システムによって認識および排除されずに、無謀に増殖します。これらは癌細胞です。細胞療法では、レンチウイルスベクターを使用して、免疫システムの兵士である T 細胞上に癌細胞を認識できる受容体 CAR をインストールし、免疫システムが腫瘍を認識して排除できるようにします (図 15)。レンチウイルスベクターは改変された HIV ウイルスです。感染効率が高く、外来遺伝子を細胞ゲノムに安定的に挿入することができます。細胞治療に広く使用されています。

図15. CAR-T細胞療法

遺伝子編集技術の急速な発展により、遺伝子治療の見通しはますます有望になってきています。遺伝子治療とは、遺伝子を改変することによって病気を治療または予防することです。使用される主な方法は、変異した遺伝子を置き換えること、有害な遺伝子を排除すること、または新しい遺伝子を導入することです。遺伝子治療は特に遺伝性疾患の治療に適していますが、ウイルス性疾患や癌の治療にも使用できます。

「バタフライボーイ」の回復は遺伝子治療の典型的な例です。 2017年、接合部型表皮水疱症を患う少年ハッサン君は、全身の重度の皮膚損傷のため入院した。彼の皮膚は非常に弱く、少し触れただけでも破れてしまい、命が危険にさらされていました。この重篤な遺伝病は、皮膚のラミニン遺伝子の異常によって引き起こされます。人々は比喩的に病気の子供を「蝶の少年」と呼びます。科学者らは、通常の接着タンパク質遺伝子をレトロウイルスベクターに組み込み、そのウイルスを使って体外で培養された皮膚細胞に感染させた。正常な遺伝子がウイルスベクターによってこれらの皮膚細胞に導入され、正常なタンパク質を発現できるようになりました。遺伝子組み換え皮膚は体外で培養された後、子どもの体に移植され、徐々に元の皮膚と置き換わって治療の目的を達成します（図16）。

図16. ウイルスベクターを使用して作製された、接合部表皮水疱症の治療のための遺伝子組み換え皮膚[3]

脊髄性筋萎縮症は致命的な遺伝性疾患です。罹患した子供の脳幹と脊髄の運動ニューロンは徐々に破壊され、話す能力や歩く能力が徐々に失われていきます。最終的には呼吸や嚥下もできなくなり、最終的には命を奪われてしまいます。研究により、この病気は SMN1 遺伝子の異常によって引き起こされることが判明しました。米国のノバルティスが開発したアデノウイルス関連ウイルスベクターは、正常なSMN1遺伝子を患者のゲノムに導入することで、病気を治療することができる。このウイルスベクター薬は1回の注射のみで済みますが、1回の注射にかかる費用は200万米ドルにもなります（図17）。ここで使用される AAV ウイルスは、複製にアデノウイルスに依存する欠陥のあるウイルスです。ウイルス自体は病気を引き起こすことはなく、分裂細胞と非分裂細胞（神経細胞は通常分裂しない）に感染し、ヒトの19番染色体に部位特異的に組み込まれる。一般的に使用されるウイルスベクターである。

図17. 史上最も高価な薬剤、脊髄性筋萎縮症の治療に使用されるAAVウイルス

結論 ウイルスは人間の病気を引き起こす重要な病原体です。古代から現代に至るまで、さまざまなウイルスが人類の悪夢となってきました。現代社会においても、新型コロナウイルス感染症のパンデミックに直面し、人々の健康、経済、社会は依然として大きな影響を受けています。人間と自然の境界がますます曖昧になり、気候や環境が劇的に変化し、人や動物の国際的な交流や輸送が頻繁になるにつれて、新興ウイルス性疾患は常に、そしてますます、発生する可能性が極めて高い、すでに発生している、または発生しつつある、人類社会に対する重大な脅威となります。

ウイルス学研究により、新興ウイルス性疾患の早期警告、対処、予防において大きな進歩を遂げることができました。私たちはますます速いペースで新しいウイルスを発見し、効果的な予防策や決定をより迅速に行い、薬やワクチンの開発をより迅速に進めています。歴史上の過去の疫病と比べると、人類社会の感染症への対処能力はもはや以前ほどではありません。同時に、ウイルス学研究は生命科学や医学研究の基礎研究にも多くの注目すべき成果をもたらしました。 21 世紀は生命科学の世紀であるとよく言われます。多くの専門家は、遺伝子編集に代表される生命科学技術を第四次産業革命の主要な構成要素とみなしており、これらすべてはウイルス学的ツールと切り離せないものである。したがって、ウイルス学研究は、生命科学の発展と人類の健康の両方の観点から非常に重要です。

参考文献

[1] https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.21.959817v1.full.pdf

[2] Ungerechts, G., Bossow, S., Leuchs, B., Holm, PS, Rommelaere, J., Coffey, M., Coffin, R., Bell, J., and Nettelbeck, DM (2016).腫瘍溶解性ウイルスを臨床へ移行: 多様な腫瘍溶解性ウイルスの臨床グレードの製造、精製、および特性評価。分子治療 - 方法と​​臨床開発3、16018-13。

[3] https://www.nature.com/articles/nature24753

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