動物ウイルスのデータベースは次のパンデミックの予測に役立つか?

2020年2月12日午前7時

ある科学者が、種を超えて感染するコロナウイルスを特定するツールを何年もかけて開発しました。そして今冬、このウイルスが出現し、彼のシステムは試練にさらされることになりました。

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2016 年、マイケルレトコはニューヨーク市からモンタナ州ハミルトンに引っ越しました。ハミルトンはビタールート渓谷の南端、ブロジェットキャニオンとハイウェイ 93 号線の間に位置する人口 4,800 人の町です。

州の黎明期、この暗いロッジポールパインの森から奇妙で致命的な病気が発生し、入植者たちを黒い発疹と猛烈な感染症で襲いました。科学者たちは最終的にそれをロッキー山紅斑熱と名付け、熱病の原因となる細菌（およびそれを媒介するダニ）を研究するために建設した施設をロッキー山研究所と名付けました。1937年、この研究所は国立衛生研究所の一部となり、アメリカが第二次世界大戦に参戦すると、国立ワクチン工場へと発展しました。2008年、NIHはここに、生物学的封じ込め施設の最高レベルであるバイオセーフティレベル4の研究所を初めて開設しました。現在、レトコ氏のような400人以上の科学者が赤い屋根の施設内で働き、人類が知る最も厄介な病原体のいくつかについて研究を行っています。

レトコ氏は、ウイルス学者ヴィンセント・マンスター氏の研究室を訪れ、これらの病原菌の研究に意欲を燃やした。マンスター氏はウイルスの生態学、つまりウイルスがどのように異なる宿主のもとで生息し、時には種間を移動するかを研究している。彼はコンゴ民主共和国、トリニダード・トバゴ、ヨルダンといった地域に研究員を頻繁に派遣し、コウモリやラクダから血液サンプルや糞便スワブを採取させている。そして、チームはそれを研究室の高度封じ込め施設で分析する。コウモリは、特にヒトに感染しやすいウイルスを含む、様々なウイルスと共存する独自の能力を進化させているため、特に興味深い。SARS、MERS、マールブルグウイルス、ニパウイルス、そしておそらくエボラ出血熱も、すべてコウモリから発生したと考えられる。

レトコは、本来はそういうタイプの科学者ではなかった。マンハッタンのセントラルパークから1ブロックほど離れた場所で博士課程を過ごし、HIVが産生するタンパク質を研究し、その分子構造をモデル化して、それがどのように宿主の免疫反応を阻害するのかを解明していた。ウイルスタンパク質の形状や、分子の溝やポケットがどのように細胞へのアクセスを可能にし、攻撃を防御するのかを解明することに長けていた。しかし、この才能をどう活かすべきか、アイデアが浮かんだのは、2017年にミュンスターの研究室を訪れたベルギー人学生と出会った時だった。

このベルギー人学生は博士課程のすべてをウイルス発見プロジェクトに費やし、マンスターのチームがフィールドから持ち帰ったようなコウモリのサンプルの配列を解析した。彼がまとめたゲノムの多くは、ウイルス界で最も豊富なファミリーの一つであるコロナウイルス由来だった。2003年のSARSの発生後、科学者たちは、種間を移動する能力を持つコロナウイルスにもっと注意を払うべきかもしれないと気づいた。この新たな緊急性と、ヒトゲノム計画によって促進された新しい配列解析技術の登場が相まって、ウイルス発見ブームが巻き起こった。その後15年間で、科学者たちは世界中の野生動物の集団で蔓延する膨大な数のコロナウイルスを発見した。

ゲノムの公開リポジトリであるGenBankで「コロナウイルス」を検索すると、35,000以上の配列が見つかります。アルパカコロナウイルス、ハリネズミコロナウイルス、シロイルカコロナウイルス。そしてもちろん、コウモリコロナウイルスも山ほどあります。

しかし、これらのコロナウイルスがどのように行動し、どのように宿主の体内に侵入し、人間に感染する可能性はどれほどあるのかを解明するという、下流の実験研究を行った人はほとんどいません。「膨大なデータがあり、それについて私たちが知っていることの少なさを実感しました」とレトコ氏は言います。

彼は特にHKU4-CoVと呼ばれるコロナウイルスに悩まされていた。そのスパイクタンパク質の配列は、2007年2月に中国の研究者チームによって発表された。彼らは広東省の奥深くの洞窟で採取したコウモリの血液でそれを発見したのである。それは、シーケンシングブームの間に何の注目も受けずに発表された何百もの配列のうちの1つだった。そして5年後、サウジアラビアでMERSが流行した。科学者たちがこの新しいMERSウイルスの配列を解析したとき、人間の細胞を攻撃するために使われるタンパク質がHKU4-CoVが使うものとほぼ同じであることに気づいた。MERSウイルスの類縁体を研究していた他の研究者たちがコウモリウイルスを調べたところ、同じ受容体を介して人間の細胞に侵入できることがわかった。しかし当時、HKU4-CoVのタンパク質配列と人間への感染能力を結び付けた人は誰もいなかった。「MERSの発生時にそのデータが得られていれば、科学者たちはMERSの感染経路や有効な薬剤を解明するのに有利なスタートを切ることができただろう」とレトコ氏は言う。

レトコ氏はそうしたデータを公開したいと考え、世界中のコロナウイルスゲノムを実験的に検査し、どのゲノムがヒト細胞に感染する可能性が最も高いかを調べることができるプラットフォームを構築することを決意した。

動物は常時、数万種類のコロナウイルスを保有している。しかし、ヒトに感染したコロナウイルスはほんの一握りだ。レトコ氏は、これらのウイルスの特徴を理解できれば、ヒト集団に出現する可能性のあるウイルスを予測するエンジンを開発できると仮説を立てた。「次のパンデミックがどこから来るのかを知りたいなら、コロナウイルスは良い出発点です。なぜなら、コロナウイルスは種の壁を越え、ヒトに感染し、どこにでも存在するからです」と彼は言う。

では、なぜこれまで誰もこれを試みなかったのでしょうか？まず、野外サンプルからウイルスを分離するのは困難です。培養された細胞は野生動物の細胞とはあまり似ていません。自然界で採取されたウイルスは、培養された細胞から成長に必要な栄養素を得られないことが多く、科学者は実験に必要な期間、ウイルスを生育させることができません。また、ウイルスの配列からウイルス全体をリバースエンジニアリングするには多額の費用がかかります。コロナウイルスはRNAウイルスの中で最も大きなゲノムを持っています。1つ作製するだけで約1万5000ドルの費用がかかります。

コロナウイルスは、表面にスパイクタンパク質が配列していることからその名が付けられました。拡大すると王冠のように見えます。これらのスパイクタンパク質は、ウイルスが宿主細胞に侵入し、そこで複製と拡散を行うために利用されます。ほとんどのコロナウイルスは、「受容体結合ドメイン」（RBD）と呼ばれる部分の先端を除いて、ほぼ同じスパイクタンパク質を持っています。スパイクのこの部分の形状の微妙な違いが、ウイルスが感染できる細胞の種類を決定します。レトコ氏が拡大したのは、まさにこの部分です。

2018年を通して、レトコ氏は、コロナウイルスのスパイクタンパク質の汎用版を発現するように設計された合成ウイルス粒子のシステムの構築に取り組んだ。このシステムでは、RBDをレゴのように入れ替えることができた。これらの合成粒子はウイルスに似ており、ウイルスのように細胞に入り込むことができた。しかし、複製に必要な主要部分が欠けていた。その代わり、細胞内に入ると化学反応を引き起こし、黄緑色の蛍光を発する。レトコ氏が、異なるヒト受容体を発現するように作製したハムスター細胞にこれらの合成ウイルス粒子を放出すると、どのRBD配列が各受容体にアクセスできるのかを簡単にテストできた。光るので、それがわかったのだ。彼がこのコンセプトを開発し、それが機能することを証明するのに、丸1年を要した。

2019年1月、彼はその計画を実行に移し始めた。コロナウイルス系統樹のサブブランチであるベータコロナウイルスから公開されているすべての配列をまず調べ、それらのRBD領域を特定し、サブグループに分類し始めた。これらのウイルスは遺伝的にそれぞれ異なるものの、多くのウイルスは同じRBD領域を共有している。（ベータコロナウイルスの既知の200種すべてにおいて、変異体はわずか30種程度しか存在しない。）そして、これらの配列をコピー＆ペーストして合成ウイルス粒子に貼り付け、ヒト受容体発現細胞株に曝露させ、感染力の順位付けを開始した。

SARSなどの既知のベータコロナウイルスに加えて、彼は主に中国キクガシラコウモリから採取された、特性が未解明の株も調査した。結果の検証と検証には時間を要したが、数ヶ月が経つにつれ、レトコはシステムを改良することができた。2019年末までに、彼はGenbankから配列を取得し、1週間後にはウイルスがヒト細胞に感染するかどうか、そしてどの細胞に感染し、どの程度侵入できるかに関する実験データを作成することができた。

12月、彼は過去2年間の研究成果をまとめ始めた。査読のために学術誌に投稿する準備をしていた矢先、中国・武漢から謎の肺炎の報告が少しずつ流れ始めた。1月初旬、中国の保健当局は、この謎のアウトブレイクの原因となる病原体を分離したと発表した。それは、ヒトにおいてこれまで確認されたことのない、新型コロナウイルスだった。

「あれが全てを変えた」とレトコ氏は言う。世界中の研究者たちがデータに飛びつき、ウイルスの起源を解明し、ヒト細胞を攻撃する仕組みの手がかりを得ようとした。「突然、このアウトブレイクが発生し、このアプローチの威力を示す絶好の機会が訪れた。私たちは全てを中断し、受容体を特定しようとした」と彼は言う。

1月10日、中国の科学者たちはウイルスのゲノムを公表した。金曜日の深夜のことだった。レトコ氏はゲノムをダウンロードし、RBD配列、すなわち重要な受容体結合チップへの指示を運ぶコード領域を特定した。彼はそれをExcelのスプレッドシートに入力すると、他の文字列が自動的に追加され、自身のシステムで動作するようになった。30分後、彼は検証可能な配列を手に入れた。

そして、最も困難な段階、つまり「待つ」ことがやってきた。DNA合成会社は週末は注文を受け付けないため、彼は月曜日の朝まで配列を提出できなかった。しかし木曜日までに、DNA断片はハミルトンにあるマンスターの研究所に郵送され、レトコはコードをウイルス粒子にクローニングし始めた。間もなく、ウイルス粒子は、先端に新型コロナウイルスの断片を少量付加したスパイクタンパク質を発現した。レトコは、これらのウイルス類似体が、SARSと同じ受容体ACE2を利用してヒト細胞に感染できることを発見した。この受容体は肺細胞に多く存在し、新型コロナウイルスは軽症では咳を、重症では重度の呼吸困難を引き起こすため、注目に値する。

シーケンスの公開からレトコが攻撃場所を特定するまでの経過時間: 7 日。

「信じられないほど速く、想像を絶するほど速い」と、スクリプス研究所の感染症遺伝学者、クリスチャン・G・アンダーセン氏は語る。アンダーセン氏は今回の研究には関わっていない。彼の研究室では、DNAデータを用いて、エボラ出血熱、ジカ熱、そして今回正式にSARS-CoV-2と命名された新型コロナウイルスなど、アウトブレイクの進化を追跡している。

アンダーセン氏は、このスピードこそが今回のアウトブレイクにおいて極めて重要になる可能性があると述べている。ワクチンや新たな治療薬がヒトでの試験に使えるようになるまではまだ数ヶ月かかるため、ウイルスを単に封じ込めるだけでなく、撃退する唯一の希望は、既存の薬を再利用することだ。そして、適切な薬を選ぶ鍵は、どの薬がウイルスの侵入経路を遮断できるかを知ることだ。「それは、ウイルスがヒト細胞にどのように結合するかに大きく左右されます」とアンダーセン氏は言う。「結合を実験的に示す今回のような研究は非常に重要です。」

他の研究グループは、ゲノム公開後の最初の1週間、配列データのみを用いてコンピューターモデリングを行い、スパイクタンパク質の外観と、それが利用する可能性のある受容体を推測しました。彼らもACE2を利用すると仮定しました。しかし、彼らのシミュレーションでは、ウイルスはSARSほど強力にその部位に付着できないように見えました。1月21日にオンラインに投稿されたプレプリント論文の中で、香港城市大学と香港理工大学の研究グループは、「この新しいウイルスの感染性と病原性は、ヒトSARSウイルスよりもはるかに低いはずだ」と記しました。数日後、中国における新規感染者数がSARSの流行時を上回る爆発的な増加を見せると、こうした計算手法の限界が明らかになりました。

今回のアウトブレイクにおいて科学研究が猛スピードで進められていることを示すように、レトコ氏とミュンスター氏は翌日、プレプリント（その後、掲載が承認された）を公開した。検証に長い時間はかからなかった。翌1月23日、武漢ウイルス研究所の研究グループは、ACE2タンパク質を発現するヒト細胞株とACE2を発現しないヒト細胞株に対して、この新型ウイルスの生検体を試験したと報告した。ACE2受容体を持つ細胞株にのみ感染することが判明した。

現在、FDAに承認されているACE阻害薬は、ACE2ではなく別の受容体を阻害する作用を持つもののみです。新型コロナウイルスがACE2に侵入するのを防ぐ可能性のある化学物質のスクリーニングはすでに開始されています。しかし、アンダーセン氏は、ACE2を標的とした新薬は、現在のアウトブレイクの鎮圧に間に合うように開発されない可能性が高いと述べています。

一方、中国の臨床医たちは、レムデシビルと呼ばれる実験的な抗ウイルス薬の試験を行っています。この薬は、2018年にコンゴ民主共和国で発生したエボラ出血熱の流行を抑えるために使用されたものです。レムデシビルは、ウイルスが自己複製に用いる酵素を阻害することで作用します。ゲノム解析の結果、コロナウイルスもこの酵素に十分類似していることが示唆されており、今回の流行にもレムデシビルが効果を発揮する可能性があります。先週、中国の科学者たちは、レムデシビルが実際にウイルスを阻害する可能性があることを示す報告書を発表しました。また、木曜日にはニューヨーク・タイムズ紙が、中国の保健当局がレムデシビルの2つの臨床試験への患者登録を開始し、早ければ4月にも終了する予定だと報じました。

レトコ氏は、自身の貢献が製薬会社や公衆衛生当局に今回のアウトブレイク封じ込めに必要な手がかりを与えることを期待する一方で、既に次のアウトブレイクについて考えている。ベータコロナウイルスの調査で、現在コウモリに生息しているものの、ヒトに感染する能力を持つ株が複数見つかった。彼は、次に新たな疾患が突然出現した際にデータを利用できるよう、それらについてさらに詳しく知りたいと考えている。「究極の目標は、スピルオーバー（流出）事象を予測することです。そして、そのためには、現在動物の間で蔓延しているウイルスのうち、ヒトに感染する能力を持つウイルスを把握している必要があります」とレトコ氏は言う。「こうしたツールがあれば、迫り来る脅威をはるかに早く察知できるでしょう。」

ジョンズ・ホプキンス大学の研究者らが管理するリアルタイムの感染拡大ダッシュボードによると、昨年12月以降、SARS-CoV-2は世界中で約4万5000人に感染し、1114人の命を奪った。

レトコ氏は数ヶ月以内にハミルトンを離れ、ワシントン州立大学に自身の研究室を設立する予定です。そこで彼はプロジェクトを拡大し、コロナウイルスの他のファミリー、そしてそれらが細胞への侵入だけでなく免疫システムの回避や人から人への感染にも利用するタンパク質を研究する予定です。最終的には、自身の研究室が、コロナウイルスの特性評価のために構築したシステムを利用する世界中の多くの研究室の一つとなり、タンパク質相互作用に関する情報のデータベースを構築することで、科学者がパンデミックの可能性のある新しいウイルスを迅速に特定できるようにしたいと考えています。

「これらの配列を収集・生成するすべての人々に加え、それらを特性評価する人々も同数必要です」とレトコ氏は言う。「本当に大変な努力が必要ですが、その価値は十分にあると思います。」

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