2013 年後半のある時期に、チクングニア熱と呼ばれる蚊媒介性ウイルスが西半球で初めて出現しました。チクングニア、または「チク」と呼ばれるこの動物は、宿主である人間を殺すことはめったにありません。しかし、発熱、発疹、消耗性の関節痛を引き起こす可能性があります。最初にカリブ海に到着してから 2 年間で、チクはアメリカ大陸全体に広まりました。現在、44 の国と地域で 100 万人以上が感染した疑いがあり、半球全体に蚊が媒介する苦しみの大群を生み出しています。
Chik の成功に貢献したのと同じ生物学的特異性が、研究者に Chik と戦う方法を示しています。 Chik は、インフルエンザ、西ナイルウイルス、肝炎、エボラなどと同じように RNA ウイルスです。遺伝情報の 2 つのコピーを含む DNA ウイルスとは異なり、RNA ウイルスは一本鎖です。それらが複製されると、単一のストランドのエラーが引き継がれます。その結果、コピーは雑になり、新しい世代の RNA ウイルスには多くのエラーが発生する傾向があります。わずか数世代で、1 つのウイルスが、密接に関連したウイルスの突然変異体の群れになる可能性があります。
このウイルスの遺伝的寄せ集めは、パリのパスツール研究所のウイルス学者であるマルコ・ヴィニュッツィに、ニワトリのような RNA ウイルスの将来の進化を予測する方法を与えました。 Vignuzzi は、ウイルスの世界一周冒険の初期に発生した chik の単一の突然変異を再現しました。この研究は、ウイルスがどのように短期間でこれほど広く拡散したかを明らかにしました。現在、Vignuzzi は Chik の将来を予測しようとしています。今年の 6 月、ニューオーリンズで開催された米国微生物学会の年次総会で、Vignuzzi は次に発生する可能性が最も高いニワトリの 2 つの変異を紹介しました。
ウイルスは巧妙で複雑な獣です。彼らが何をするかを正確に予測することは誰にもできません。しかし、研究者が私たちの周りで急速に変化するウイルスの世界の一歩先を行くためには、ウイルスの群れを解体する必要があります.
話題のポットラック
ほぼ 40 年間、科学者たちは、RNA ウイルスがなぜこれほど多くの変異を持ちながらも成功を収めているのかを理解するために取り組んできました。
1970 年代後半、マドリッド自治大学のウイルス学者エステバン ドミンゴは、細菌に感染する RNA ウイルスを使用して、複製の緩慢さを測定しようとしていました。彼は、ウイルスがそのゲノムをコピーするたびに、平均して 1 つの突然変異が発生することを発見しました。その結果、1 つのウイルスが、完全ではないがほとんど同一である一連の娘ウイルスを生成します。世代ごとに別の一連のウイルスが生成され、ドミンゴがウイルスの「ミュータント クラウド」と呼んだものにつながります。
ただし、ウイルス クラウドの変異のほとんどは、ウイルスに問題を引き起こします。研究者は、健康なウイルスの単一の変異バージョンは絶滅する運命にある可能性が高いと想定していました.しかしその後 2006 年に、科学者たちは、重要な遺伝子の真ん中に壊滅的なエラーがあったはずの、ミャンマーでデングウイルスが盛んになっているという説明を発表しました.
ウイルスが細胞に感染すると、細胞のゲノムをコピーし始め、その過程で突然変異が起こります。娘ウイルスが遺伝子とタンパク質の細胞質スープに集まると、結果として生じる全体的なウイルスは、多くの場合、これらの変異したコピーのマッシュアップになります。デング熱で起こったように、1つの突然変異が不発タンパク質を作成した場合、ウイルスは、群れの他のウイルスが適切なコピーを持っているため、生き残ることができます.それを持ち寄りと考えてください、とドミンゴは言いました。ホストは人々に多くの種類の料理を持ってくるように頼みます。そうすれば、誰かが遅れて到着したり、パイを燃やしたりしても、1 つの欠品で夕食が台無しになることはありません。
ウイルスの場合、ニワトリやデング熱が人間や蚊に行うように、さまざまな宿主に感染するだけでなく、同じ宿主内のさまざまな組織に感染するさまざまなオプションがあります。 「この突然変異の雲は、ウイルスが新しい組織や新しい宿主を探索することを容易にします」とドミンゴは言いました.
2005 年、Vignuzzi はカリフォルニア大学サンフランシスコ校のウイルス学者 Raul Andino の研究室の研究者として、別の RNA ウイルスであるポリオを研究していました。ポリオ感染は腸で始まり、脳に移動する傾向があります。 Vignuzzi は、飛躍的にウイルスの多様性が果たす役割を研究したいと考えていました。彼は、通常よりも少ないエラーでゲノムをコピーするポリオウイルスを設計することから始めました。ウイルスは脳に問題なく感染する可能性があります — 直接注射され、そこに到達するために移動する必要がない限り.しかし、多様性の群れがなければ、ウイルスは腸から脳に移動できませんでした.
次に、Vignuzzi と彼の同僚は、化学物質を使用してこのポリオ ウイルスに突然変異を誘発し、突然変異雲のサイズを拡大しました。ポリオは腸から脳に移動し、その後、非常によく感染しました.ウイルスはその仕事をするために大規模な群れを必要としていました.
「突然変異の数を制御し、突然変異の群れが生物学的に関連しているのか、それとも単なる事故なのかを確認できたのはこれが初めてでした」と Vignuzzi 氏は述べています。 「そして、より制限された群れを持っていると、同様に適応できないことがわかりました。」
反対に、変異体が多すぎると、ウイルスの群れにも適していません。 Domingo と Vignuzzi は、人気のある抗ウイルス薬であるリバビリンがウイルスを押し出して、非常に大きく変異に満ちた群れを形成させ、結果として生じるウイルスの持ち寄りが重要な要素を欠いていることを指摘しました。 「ウイルスは群れのサイズを最適化して、新しい条件に適応できる十分な数の変異体を持たなければなりませんが、集団を殺してしまうほど多くのミスを犯さないようにする必要があります」と Vignuzzi 氏は述べています。
ウイルスの亜種はまた、ウイルスを進化させ、新しい種に拡散させます。 2009 年、サンフランシスコ北部のフンボルト郡で灰色のキツネに狂犬病が発生したのは、キツネに感染したスカンク ウイルスが原因であることが突き止められました。この急増がいつ発生したかを調べるために、カリフォルニア州ローレンス リバモア国立研究所のウイルス学者であるモニカ ボルツキは、高度な次世代遺伝子配列決定法を使用して、狂犬病に感染した動物のウイルスの群れを 1995 年までさかのぼって調べました。ディープシーケンシングの研究により、研究者は、突然変異を獲得して最終的に引き継ぐことができるウイルスのマイナーバリアントを検索できます。そして実際、ボルツキは最も初期のサンプルからもアウトブレイク ウイルスの遺伝子の痕跡を発見しました。
PLOS Neglected Tropical Diseasesに掲載された結果 2013年に、個体のまれなウイルス変異体が、ウイルスが種を飛び越えて進化するのに役立つ遺伝的多様性の重要な貯蔵庫を提供することを示しました。また、科学者がウイルスの群れを解体することしかできなかった場合に、将来何が起こるかを予測するのに役立つ最初の手がかりのいくつかも提供しました.
1 つの変異と大きなジャンプ
Borucki のカリフォルニア研究所から半世界離れた場所で、Vignuzzi はチクングニア熱に注意を向けていました。これは、マダガスカルの東海岸沖にあるフランスの島、Reunion で発生し、人口の 3 分の 1 以上が病気になった後、人気と科学的関心を集めていました。チクングニア熱はアフリカの東海岸でよく見られ、ネッタイシマカによって伝染します。 蚊ですが、レユニオンにはそれらの蚊がほとんどいませんでした。代わりに、この島にはアジアのトラ蚊 (Aedes albopictusAedes albopictus) として知られる近縁種が生息していました。 ）。 Chik は通常、アジアのトラ蚊ではあまりうまくいきませんでしたが、Reunion ではウイルスが繁殖しているように見えました。研究者たちは最終的に、ウイルスを覆うタンパク質の 1 つに 1 つの突然変異があったことで、ニワトリがアジアのトラ蚊の細胞のロックを選択し、より簡単に侵入できることに気付きました.
研究者がケニアの元の系統とレユニオンの系統を比較したところ、レユニオンの系統はアジアのトラ蚊に 40 倍から 100 倍適していることがわかりました。その後の研究により、ニワトリの発生がインド洋沿いの国々に広がるにつれて、同様の突然変異が少なくともあと 3 回発生したことが明らかになりました。
この突然変異は非常に単純で有利だったので、Vignuzzi は実験室で観察しながら、それが再び起こるかどうかを確認することにしました。もしそうなら、研究者がウイルスの群れが適応する様子を観察し、その将来を予測することができるという最初の証拠のいくつかを提供するでしょう.彼は、ケニアで流行している元のチクングニア熱株を取り、それをアジアのトラ蚊のグループに感染させました.
ポリオのように、チクは体内のある場所から別の場所に移動します。蚊の中腸で複製を開始してから、唾液腺に到達し、唾液に移行します。このプロセスには約 1 週間かかります。
このプロセスの 7 日目に、Vignuzzi と彼のポスドクである Kenneth Stapleford は蚊を解剖し、中腸、唾液腺、唾液からウイルスを抽出し、各サンプルで見つかったウイルスの配列を決定しました。中腸では、多くのランダムな突然変異が見つかりましたが、複数の蚊に単一の突然変異は見られませんでした。しかし、唾液は別の話をしました。 4匹の蚊のうち3匹の唾液には、レユニオン変異体が含まれていました。そのうちの 1 つで、Reunion 変異体が全ウイルス集団の 99% を占めていました。
「7日以内に、自然界で発生するのに少なくとも数年かかった流行株の群れの出現を作成することができました」とVignuzziは言いました.
ウイルスはレユニオンで進化を止めませんでした。継続的な発生は、さらに進化する継続的な機会を意味しました。最初の変異が研究室で急速に現れたため、Vignuzzi と Stapleford は、ウイルスのさらなる変化を予測できるかどうか疑問に思い始めました。そこで彼らは実験を繰り返しましたが、今回は蚊にレユニオン株を感染させることから始めました。彼らはウイルスを蚊に10日間浸透させ、新しい突然変異を獲得するための時間を与えます.再び、彼らはさまざまな蚊の組織で見つかったウイルスの配列を決定し、元のレユニオン変異体と同じロックピッキング コート タンパク質に変異がある 2 つの新しい変異体を特定しました。その結果は、昨年、Cell Host and Microbe. . Vignuzzi が 6 月の微生物学会議で発表した進行中の作業には、ニワトリに感染したヒトの代役であるマウスでこれらの変異がどのように選択されたかを追跡することが含まれています。
フィットネスの新しい尺度
群れの概念により、一部の科学者は集団遺伝学の基本的な教義のいくつかを再考することを余儀なくされています。アンディーノ氏によると、通常、ウイルスの適合性は、別のウイルスと比較して、それ自体のコピーをいくつ作成できるかによって測定されます。しかし、それは全体像を捉えていないと彼は言いました。 Andino や Domingo などのウイルス学者は、ウイルスの進化的適合性には、変異する能力を含めるべきだと主張しています。 「感染が適応のプロセスである場合、より適合したウイルスは適応することができます」と Andino 氏は述べています。
さらに、単一のウイルスの適合性を測定することはできません。個々のウイルス変異体は協力して相互作用し、最終産物のタンパク質を容易に交換できるため、選択できる進化の最小単位は群れそのものです。科学者は、ウイルスの変異クラウド全体を考慮することによってのみ、それらがどのように動作し、将来何をする可能性があるかを理解することができます.
「過去のサンプルに含まれるすべてのウイルスを振り返ると、現在のウイルスがどのように変化したかがわかります。これを使用して、新しいホストを予測することもできます」と Borucki 氏は述べています。
Vignuzzi が Chik の次の変異を特定する作業を続けるにつれて、ウイルスの動作に固有の予測不可能性が明らかになりました。チクがアメリカ大陸に到達したとき、誰も驚かなかった。予想外だったのは、到着したウイルス株でした。 「アメリカ大陸に到達したのはレユニオン株になるだろうと誰もが思っていました」と、テキサス大学医学部のウイルス学者であるスコット・ウィーバーは言いました.
代わりに、数十年にわたって低レベルで循環し、独自の突然変異体の群れを生み出していたのは、アジアのヒヨドリの系統でした。レユニオン株は流行し続けていますが、南北アメリカで 100 万人が感染し、さらに数百万人が危険にさらされているため、チクを理解する緊急性はアジア株に移っています。 Vignuzzi と Stapleford は、蚊の群れが容赦ない進化を続ける中、中央アメリカと南アメリカでチクが何をするかを予測するために、新たに蚊の実験を開始しました.
