とげのある準備ができている
それはスパイクから始まります。各SARS-CoV-2ビリオン（ウイルス粒子）の外面には、ヒト細胞との融合の鍵となる24〜40個の無計画に配置されたスパイクタンパク質がちりばめられています2。インフルエンザなどの他の種類のウイルスの場合、外部融合タンパク質は比較的硬いです。しかし、ドイツのフランクフルトにあるマックスプランク生物物理学研究所の生化学者マーティンベックと彼の同僚が2020年8月に発表した研究によると、SARS-CoV-2スパイクは非常に柔軟性があり、3点でヒンジが付いています3。
これにより、スパイクが跳ね回ったり、揺れたり、回転したりできるようになります。これにより、スパイクが細胞表面をスキャンしたり、複数のスパイクが人間の細胞に結合したりしやすくなります。他のコロナウイルスについて同様の実験データはありませんが、スパイクタンパク質配列は高度に進化的に保存されているため、形質が共有されていると仮定するのは公正です、とベックは言います。
SARS-CoV-2ビリオンのクライオ電子線トモグラフィー画像。（スケールバー：30ナノメートル。）クレジット：B.Turoňováetal 。/科学
パンデミックの初期に、研究者らは、SARS-CoV-2スパイクタンパク質のRBDが、ほとんどのヒトの喉および肺細胞の外側を飾るACE2受容体と呼ばれるおなじみのタンパク質に付着することを確認しました。この受容体は、重症急性呼吸器症候群（SARS）を引き起こすウイルスであるSARS-CoVのドッキングポイントでもあります。しかし、SARS-CoVと比較して、SARS-CoV-2はACE2に推定2〜4倍強く結合します4。これは、RBDのいくつかの変化がウイルス結合ホットスポットを安定化させるためです5。
SARS-CoV-2の心配している変異体は、RBDをホストし、ACE2受容体への結合に関与するスパイクタンパク質のS1サブユニットに変異がある傾向があります。（2番目のスパイクサブユニットS2は、宿主細胞の膜とのウイルス融合を促します。）
たとえば、Alphaバリアントには、スパイクタンパク質配列に10個の変更が含まれているため、RBDは「上」の位置に留まる可能性が高くなります6。ノースカロライナ州ダーラムにあるデュークヒューマンワクチン研究所の構造生物学者で、スパイク変異を研究しているプリヤムバダアチャリヤは、次のように述べています。
現在世界中に広がっているデルタ変異体は、ACE2に結合して免疫系を回避するRBDの能力を改善するように見えるRBDの3つを含むS1サブユニットの複数の突然変異をホストします7。
入場制限
ウイルススパイクがACE2に結合すると、宿主細胞の表面にある他のタンパク質がプロセスを開始し、ウイルス膜と細胞膜の融合を引き起こします（「ウイルス侵入を間近で見る」を参照）。
出典：ジャネット・イワサ、大学 ユタ; グラフィック：Nik Spencer / Nature
SARSを引き起こすウイルスであるSARS-CoVは、TMPRSS2（「テンプレス2」と発音）またはカテプシンLの2つの宿主プロテアーゼ酵素のいずれかを使用して侵入します。 —脂質に囲まれた泡—これはカテプシンLに依存しています。しかし、ビリオンがこの経路で細胞に入ると、抗ウイルスタンパク質がそれらをトラップする可能性があります。
SARS-CoV-2は、呼吸器細胞の外側に大量に見られる酵素であるTMPRSS2を効率的に使用するという点でSARS-CoVとは異なります。まず、TMPRSS2はスパイクのS2サブユニット8上の部位を切断します。そのカットは、最も近い膜、つまり宿主細胞の膜に急速に埋もれる一連の疎水性アミノ酸を露出させます。次に、延長されたスパイクはジッパーのようにそれ自体に折り返され、ウイルスと細胞膜を融合させます。
SARS-CoV-2が細胞と融合する方法のアニメーション。クレジット：ユタ大学ジャネット・イワサ
次に、ウイルスはそのゲノムを直接細胞に放出します。このスプリング式的に侵入することによって、SARS-CoVの-2に感染速くSARS-CoVのよりとインペリアル・カレッジ・ロンドンでバークレーと彼女の同僚4月に発表された作品によると、エンドソームに閉じ込められ回避9。TMPRSS2を使用したウイルスの迅速な侵入は、ラボでの初期の有望な研究にもかかわらず、マラリア薬クロロキンがCOVID-19治療として臨床試験で機能しなかった理由を説明しています10。それらは、エンドソームへの侵入をカテプシンのみに依存する細胞を使用したことが判明した。「ウイルスが人間の気道で伝染して複製するとき、それはエンドソームを使用しないので、エンドソーム破壊薬であるクロロキンは実生活では効果的ではありません」とバークレイは言います。
この発見はまた、ウイルスがTMPRSS2、カテプシンLまたは他のプロテアーゼを使用して宿主細胞に侵入するのを防ぐための有望な治療選択肢としてプロテアーゼ阻害剤を指摘している。膵炎の治療に日本で承認されているTMPRSS2阻害剤の1つであるメシル酸カモスタットは、肺細胞へのウイルスの侵入を阻止しました8が、この薬は最初の臨床試験で患者の転帰を改善しませんでした11。
「私の見解では、新しい病気の発生と戦い、将来のパンデミックを最初から防ぐために、幅広い抗ウイルス薬などのプロテアーゼ阻害剤を利用できるようにする必要があります」と、ゲッティンゲンのドイツ霊長類センターの感染生物学ユニットのディレクターであるステファン・ペールマンは述べています。 ACE2結合とTMPRSS2経路に関する研究を主導しました。
致命的な競争
感染の次のステップはより暗いです。 「セル内に入ると、さらに多くのブラックボックスがあります」と、ウイルスのライフサイクルの注釈付きアニメーションを開発しているユタ大学ソルトレイクシティの化学者ジャネットイワサは言います。 「より多くの不確実性と競合する仮説があります。」
ウイルスがRNAゲノムを細胞に放出した後、細胞質内のリボソームはウイルスRNAの2つのセクションをアミノ酸の長いストリングに変換し、RNA合成に関与する多くのタンパク質を含む16のタンパク質に切り取られます。その後、スパイクなどの新しいウイルス粒子を作成するために使用される構造タンパク質やその他のアクセサリータンパク質を含む、合計26の既知のウイルスタンパク質をコードするRNAがさらに生成されます。このようにして、ウイルスは自身のメッセンジャーRNAのコピーを大量生産し始めます。しかし、それらのmRNAをタンパク質に翻訳するには細胞の機構が必要です。
コロナウイルスは多くの方法でその機械を引き継ぎます。イスラエルのレホヴォトにあるワイツマン科学研究所のウイルス学者NoamStern-Ginossarと彼女のチームは、SARS-CoV-2が宿主mRNAの翻訳を抑制して自身を支持する3つのメカニズムにズームインしました。このウイルスに限ったことはありませんが、効果の組み合わせ、速度、大きさは独特のようです、とStern-Ginossarは言います。
まず、ウイルスは競合を排除します。ウイルスが到着したときに最初に翻訳されるタンパク質の1つであるウイルスタンパク質Nsp1は、宿主タンパク質を動員して、ウイルスタグを持たないすべての細胞mRNAを体系的に切り刻みます。Stern-GinossarのチームがホストmRNAの最後に同じタグを付けたとき、mRNAは切り刻まれませんでした12。
第二に、感染は細胞内の全体的なタンパク質翻訳を70％減少させます。 mRNAは中に入ることができないので、NSP1は再び主原因は、この時間は、物理的に2つの研究チームの作業に応じて、リボソームの入口チャネルをブロックしている13、14。残っているわずかな翻訳能力はウイルスRNAに捧げられている、とStern-Ginossarは言います。
最後に、ウイルスはセルの警報システムをシャットダウンします。これはさまざまな方法で発生しますが、Stern-Ginossarのチームは、SARS-CoV-2の明確なメカニズムの1つを特定しました。ウイルスは、免疫系に感染を警告することを目的としたタンパク質の指示など、細胞のmRNAが核から出るのを防ぎます。 2番目のチームはこの発見を確認し、再びNsp1を指摘しました。タンパク質は核内の出口チャネルを詰まらせているようで、何も逃げることができません15。
遺伝子転写物は核から出られないため、感染した細胞は多くのインターフェロンを放出しません。これらは、免疫系にウイルスの存在を警告するシグナル伝達タンパク質です。 SARS-Cov-2は、この警報システムをシャットダウンするのに特に効率的です。SARS-CoVや呼吸器合胞体ウイルスを含む他の呼吸器ウイルスと比較して、SARS-CoV-2感染は著しく低いレベルのインターフェロンを誘発します16。そして今年の6月、研究者らは、インターフェロン産生をさらに効率的に抑制することができると思われるAlpha変異体の変異を報告しました17。
「SARS-CoV-2が非常に高速なウイルスであり、免疫系が最初の段階で感染を認識して戦うのを防ぐ独自の能力を持っていることは明らかです」とStern-Ginossarは言います。免疫系がウイルスの存在を認識するまでに、ウイルスが非常に多く存在するため、免疫応答タンパク質が通常よりも速い速度で血流に溢れ、損傷を引き起こす可能性があります。医師は、パンデミックの初期に、非常に病気になったCOVID-19の一部の人々が、ウイルス自体だけでなく、SARS-CoV-2に対する過剰な免疫応答によって害を受けていることを知りました。いくつかの実証済みの治療法は、この免疫応答を弱めることによって機能します。
リノベーションステーション
ウイルスが宿主の翻訳を引き継ぐと、それは家の変身を開始し、細胞の内部と外部をその必要に応じて大幅に改造します。
まず、新しく作られたウイルススパイクタンパク質のいくつかは細胞の表面に移動し、宿主細胞膜から突き出ます。そこで、それらは宿主のカルシウムイオンチャネルを活性化し、細胞の外側に脂肪コーティングを放出します。これは、筋細胞など、自然に融合する細胞に見られるのと同じコーティングです。この時点で、感染した細胞はACE2を発現している隣接する細胞と融合し、最大20個の核で満たされた巨大な個々の呼吸細胞に発達します。
SARS-CoV-2スパイクタンパク質（緑色）を発現している細胞に見られる融合細胞構造（シンシチウム）。核は青で、細胞骨格は赤で示されています。クレジット：Mauro Giacca
合胞体と呼ばれるこれらの融合した構造は、このようなHIVおよび単純ヘルペスウイルスなどのウイルス感染によってではなく、SARSウイルスによって誘導される4月に認定を公表することをチームを率いキングス・カレッジ・ロンドンでの分子生物学者マウロGiacca、言う18は。彼は、シンシチウムを形成することにより、感染した細胞が長期間繁殖し、ますます多くのビリオンを放出することを可能にするという仮説を立てています。 「これはひき逃げウイルスではありません」と彼は言います。 「それは持続します。」北京の中国医科学アカデミーの研究者QiangSunが率いる2番目のチームは、COVID-19に感染した細胞の中には、体自身の免疫細胞の1つであるリンパ球とシンシチウムを形成するものさえあることを発見しました19。。これは腫瘍細胞による免疫回避の既知のメカニズムですが、ウイルスによるものではありません。これは、感染した細胞が近くの免疫スカウトをつかんで融合するだけで免疫検出を回避することを示唆しています。
セルの内側では、さらに多くの変化が起こっています。他のコロナウイルスと同様に、SARS-CoV-2は、タンパク質の合成と輸送に関与する平らな膜のネットワークである長くて薄い小胞体（ER）を、ERが泡を吹いているかのように二重膜球に変換します。これらの二重膜小胞（DMV）は、ウイルスRNAを複製および翻訳するための安全な場所を提供し、細胞内の自然免疫センサーからウイルスRNAを保護する可能性がありますが、その仮説はまだ調査中です。
DMVの作成に関与するタンパク質は、ウイルス複製に必要であると思われるため、優れた創薬ターゲットになる可能性があります。たとえば、コレステロールやその他の脂質を動員して小胞体膜を拡張し、すべてのウイルス部分が20の内部に収まるようにするには、宿主タンパク質であるTMEM41Bが必要です。 「TMEM41Bを取り出すと、感染に大きな影響を及ぼします」と、この研究に携わったテキサス大学ガルベストン医科大学のコロナウイルス研究者であるVineetMenacheryは述べています。コロナウイルス膜貫通タンパク質Nsp3も標的となる可能性があります。DMVの壁に冠状の孔を作り、新しく作られたウイルスRNAを送り出します21。
エンベロープと呼ばれる外側を包むほとんどのウイルスは、細胞の端で直接組み立てることによってこの特徴を形成し、細胞自身の原形質膜の一部をその途中で採用します。しかし、新しく作られたコロナウイルスタンパク質は別の道をたどります。
何年もの間、コロナウイルスは、郵便局のように機能する細胞小器官であるゴルジ複合体を介して細胞外に輸送され、分子を膜にパッケージして細胞の他の部分に送り出すことが証拠によって示唆されてきました。そこで、ウイルスはゴルジ複合体の膜から脂質エンベロープを形成します。新しく形成されたビリオンは、ゴルジ小胞内で細胞表面に運ばれ、そこで細胞から吐き出されます、とメリーランド州ボルチモアのジョンズホプキンス大学のウイルス学者で細胞生物学者のキャロリンマチャマーは言います。
しかし12月、メリーランド州ベセスダにある米国国立心肺血液研究所の細胞生物学者Nihal Altan-Bonnetと彼女の同僚は、分解する酵素でいっぱいの細胞ゴミ箱であるリソソームを介して細胞から出るコロナウイルスを検出したと報告しました。セルパーツ22。ゴルジベースの分泌経路を遮断しても、放出される感染性ウイルスの量に影響を与えるようには見えなかった、とAltan-Bonnetは述べています。彼女のチームの証拠22は、ウイルスタンパク質が小胞体に出芽することによってエンベロープを形成し、次にリソソームを乗っ取って細胞から出ることを示唆しています。研究者たちは現在、潜在的な抗ウイルス候補としてリソソーム出口プロセスをブロックする阻害剤をテストしています。
ゴルジ体またはリソソームのいずれかを介して細胞を離れるのは、原形質膜から出芽するのに比べて遅く非効率的であるため、科学者はSARS-CoV-2がなぜそれを行うのかわかりません。Machamerは、ゴルジ体またはリソソーム由来のエンベロープの脂質組成が、原形質膜からのものよりもウイルスにとって何らかの形で有益であると考えています。「この部分をもう少しよく理解すれば、新しい抗ウイルス治療薬の大きなチャンスがあるでしょう」と彼女は言います。
最後のスライス
細胞から出る途中で、もう1つのイベントにより、このウイルスは感染性のジャガーノートになります。5つのアミノ酸の部位をすばやく切り取ると、ウイルスが次の標的を攻撃する準備が整います。
他のコロナウイルスがスパイクのS1サブユニットとS2サブユニットの接合部に単一のアルギニンアミノ酸を持っているのに対し、SARS-CoV-2は5つのアミノ酸のラインを持っています：プロリン、アルギニン、アルギニン、アラニン、アルギニン。 「その部位は珍しいので、私たちはそれに焦点を合わせました、そして、はい、その部位は肺細胞の侵入に不可欠であることがわかりました」とPöhlmannは言います。 2020年5月、彼と彼の同僚は、フューリンと呼ばれる宿主細胞タンパク質がその一連のアミノ酸を認識してクリップし、ウイルスがヒトの肺細胞に効率的に侵入するためにカットが「不可欠」であると報告しました23。
研究者がウイルスのフューリン切断部位を特定したのはこれが初めてではありません。非常に病原性の高い鳥インフルエンザウイルスにもそれがあります、とバークレイは言います。同僚が、フリン切断部位を自然に失った培養中のSARS-CoV-2株をバークレイに送ったとき、彼女のチームは、この株に感染したフェレットがパンデミック株に感染したフェレットよりも少ない量でウイルス粒子を放出することを発見しました。感染を近くの動物に感染させない9。 Barclayのチームが2020年9月のプレプリントで結果を報告したのと同時に、オランダでの研究では、無傷のフューリン切断部位を持つコロナウイルスが、それがない場合よりも速くヒト気道細胞に侵入することがわかりました24。
フリンは、ビリオンの組み立て中のある時点で、または解放の直前にその部位を切断した疑いがあります。イリノイ州のロヨラ大学シカゴのウイルス学者であるトム・ギャラガーは、タイミングがウイルスがゴルジまたはリソソームを通って出る理由を説明するかもしれないと言います。「ウイルスは、組み立てられると、細胞小器官に移動し、そこでフューリンプロテアーゼの存在下で浸すことができます。」
S1サブユニットとS2サブユニットの間の結合を切り取ると、フューリンカットはビリオンスパイクタンパク質を緩め、細胞侵入時にTMPRSS2による2番目のカットに応答します。これにより、疎水性領域が露出し、宿主細胞膜に急速に埋もれます。ギャラガー。スパイクがフューリンによって事前にクリップされていない場合（そして常にそうであるとは限らない場合）、スパイクはTMPRSS2をバイパスし、仮にあったとしても、より遅いエンドソーム経路を通って入ります。
2つのコロナウイルス変異体、アルファとデルタは、フューリン切断部位を変更しました。アルファバリアントでは、最初のプロリンアミノ酸がヒスチジン（P681H）に変更されます。デルタバリアントでは、アルギニン（P681R）に変更されています。どちらの変更も配列の酸性度を下げ、アミノ酸のストリングが塩基性であるほど、フューリンはそれをより効果的に認識して切断します、とバークレイは言います。 「これは、ウイルスの伝染がさらに良くなっているという仮説を立てます。」
より多くのフューリンカットは、ヒト細胞に入るために準備されたより多くのスパイクタンパク質を意味します。SARS-CoVでは、スパイクタンパク質の10％未満がプライミングされている、とMenacheryは言います。彼のラボグループは、プライミングされたスパイクタンパク質を定量化していますが、この研究はまだ公開されていません。SARS-CoV-2では、その割合は50％に上昇します。アルファ版では、50％以上です。伝染性の高いデルタ変異体では、グループは、スパイクの75％以上がヒト細胞に感染するように準備されていることを発見しました。
既知の未知数
科学界はまだSARS-CoV-2の理解の表面を引っ掻いています。重要な未知数には、各スパイクタンパク質に結合するために必要なACE2受容体の数が含まれます。正確にS2サイトがTMPRSS2によって切断されたとき。マクレラン氏によると、ウイルスと細胞膜の融合に必要なスパイクの数は、エントリーのためだけのものです。 2020年4月、カリフォルニア大学サンフランシスコ校のチームは、SARS-CoV-2とヒトタンパク質の間の少なくとも332の相互作用を特定しました25。
急速に変化するウイルスに追いつくのは簡単ではありません。これまでのほとんどの突然変異は、ウイルスが宿主にどれほどのダメージを与えるかではなく、ウイルスがどれだけ効果的に広がるかに関連していると専門家は同意している。今月、ある研究では、デルタ変異体は、以前のバージョンのウイルスよりも急速に、人々の肺と喉の内部でより高いレベルで増殖したことが報告されました26。
しかし、デルタの突然変異がこのように変異体をどのように過給したかはまだ定かではない、とスターン・ジノサーは言います。「これは多くのラボが理解しようとしていることです。」
ネイチャー 595、640--644（2021）
こうしてみると、結構、我が母校ユタ大学が頑張っていますナア。いや〜、大いに結構。ユタ州には、あの戦争中の日本人の強制収容所がソルトレークにあった。その名残で、資産を奪われたから、カリフォルニアに戻らず、ユタにとどまった日系人が非常に多い。私が留学中の１９８０年代には、数千人の日系米人がいた。ひょっとしたら、上のイワサさんもその一人なのかもしれない。ユタ大学は化学や生物が結構強いと言われていた。
いずれにせよ、まだ大事な部分はほとんどわかっていないというのが現状のようだ。
解明はできるのだろうか？
まあ、学者が解明するのを待つ間に感染死する場合もあるから、我々としては自己防衛に走るほかはない。
そのためには、経験則や生物学の常識的な考え方が大事だろう。
弥栄！
