コンパクトなゲノムがタンパク質のコートにきちんとパッケージ化されたウイルスにとって、生存とは細胞に侵入し、タンパク質を作る機構を乗っ取って自身を複製し、その後他の細胞に拡散することです。これを成功させるには、ウイルスの小さなゲノム全体が感染した細胞内にある必要があることは自明のように思えるかもしれません. eLife で最近発表された新しい研究 、しかし、その仮定を覆します。
一部のウイルスは宿主細胞に別々に感染する複数のセグメントに分割されるだけでなく、フランスの研究者が現在発見したように、これらの断片化されたウイルスは、多数の宿主細胞にパズルのピースのように散在するゲノムで繁栄する可能性があります.おそらく、感染した細胞間での分子の拡散により、完全なウイルス粒子が複製、自己集合し、新たに感染することが可能になります。
イリノイ大学アーバナ シャンペーン校のウイルス学者であるクリストファー ブルックは、「必要な遺伝子産物をすべて集めて、実際にはすべての遺伝子セグメントを持たない細胞で新しいウイルスを生成することができます」と説明しました。
「ウイルス学の古典的な見方は、ウイルスの複製サイクルが個々の細胞内で起こると仮定しています」と、新しい研究の筆頭著者であり、フランス国立農業研究所 (Institut National de la Recherche Agronomique、または Institut National de la Recherche Agronomique、またはINRA) モンペリエ。しかし、彼女と彼女の同僚が調査したこの「複数の部分からなる」ウイルスの場合、「これは真実ではないようです。セグメントは独立して細胞に感染し、植物宿主細胞に独立して蓄積します。」 「これは、ウイルスが単一細胞レベルではなく、多細胞レベルで機能することを示しています。」
マルチパート ウイルスは半世紀以上前から知られていましたが、研究者は、ウイルスが 2 つ以上の独立した断片で構成されている可能性があり、そのすべてが感染に不可欠であることに気付きました。たとえば、1 つは必須のウイルス酵素を作るために必要な場合があり、もう 1 つはウイルス粒子（またはビリオン）がパッケージ化されて他の細胞に輸送されるカプセルを作るために必要になる場合があります。
しかし、マルチパーティであることは、かなりのリスクを伴います。ゲノムの一部は簡単に失われたり取り残されたりする可能性があり、感染のサイクルを断ち切ることによって残りの部分を運命づけます。セグメントはさまざまな比率で頻繁に発見されるため (一部は一般的であり、他はまれである可能性があります)、まれなものは特に簡単に失われる可能性があります。
そのため、科学者たちは、マルチパート ウイルスを発見して以来、疑問に思ってきました。 「いったいなぜ、ウイルスはこんなことをするのでしょうか?なぜ自分のゲノムを分離するのですか?これらのセグメントを個別にパッケージ化する利点は何ですか?」オランダ生態学研究所の進化ウイルス学者である Mark P. Zwart は尋ねました。
これらの問題を調査するために、理論家は、このマルチパート ライフスタイルがより典型的なウイルスの祖先から進化する状況を予測するモデルを開発しました。これらはすべて、ウイルス セグメントの完全なセットが 1 つの細胞に同時感染する必要があるという仮定に基づいて構築されました。しかし、結果は困惑したものでした。 2012 年の調査では、マルチパーティションの利点が何であれ、欠点が非常に大きいため、4 つを超えるセグメントを持つウイルスは不可能であると結論付けられました。しかし、ソラマメネクローティックスタントウイルス (FBNSV) のような複数の部分からなるウイルスの中には、それぞれが異なる粒子で運ばれる最大 8 つのセグメントを持つことが知られていました。理論的には、進化することはできませんでした。その存在を説明できるものは何ですか?
「これらのウイルスを概念化する方法は間違っているに違いないと考えました」と、INRA の植物ウイルス学者であり、新しい研究の上級著者である Stéphane Blanc は述べています。彼らは、感染が機能するためには、すべてのセグメントが細胞内で一緒になっている必要があるという重要な仮定を検証することにしました. 「彼らが一緒にいなければならないことが非常に明白だったので、誰も実際にテストしなかったため、以前は行われませんでした」と彼は言いました.
彼らがFBNSV感染を精査したときに発見したことは、彼らを驚かせました.異なる色の蛍光プローブで一度に 2 つのウイルス セグメントにタグを付けることで、研究チームは、調べた個々の宿主植物細胞の大部分にウイルス セグメントの完全な補体が存在しないことを確認できました。さらに研究者らは、ウイルス複製に必要なタンパク質が、それをコードするゲノムセグメントを持たない細胞に存在することを示しました.
このことから、彼らは、ウイルス粒子が細胞間で遺伝子産物 (メッセンジャー RNA 分子またはタンパク質) を共有しているにちがいないと推測した。これらの必要な成分が植物細胞間でどのように共有されているかは完全には理解されていませんが、Blanc と彼のチームはそれを調査しています。その答えは原形質連絡、つまり植物の細胞壁を貫通して伸び、隣接する細胞が他のタンパク質を共有できるようにする微細な運河のネットワークに関係している可能性があります.
この新しい理解は、マルチパート ウイルスが植物内でどのように感染を維持できるかを説明していますが、ウイルスがどのように広がるかについては新たな謎を解き明かしています。たとえば、FBNSV は、ソラマメの植物を食べるアブラムシに依存して伝染します。しかし、感染をうまく伝えるには、小さな昆虫が FBNSV の 8 つのセグメントすべてをまとめて捕獲し、それらを同じ植物に導入する必要があります。おそらく、アブラムシは 8 つの粒子のサブセットのみを拾うため、感染イベントの大部分は成功しません。
この発見により、「粒子がすべての細胞に一緒に到達する必要がないため、宿主内レベルの問題は軽減されますが、宿主間の感染にはまだ問題があります」と Blanc 氏は述べています。
なぜウイルスがマルチパーティのライフスタイルから恩恵を受けるのかについても議論の余地があります. Blanc 氏によると、1 つのアイデアは、ゲノムを分割することで、遺伝子発現を調節する手っ取り早い方法として、各セグメントの頻度を変化させることができるというものです。これは、特定の遺伝子の活性レベルが細胞内のそのコピー数に依存する可能性があるためです。 .ウイルスが新しい宿主に感染するたびに、セグメントの頻度が変化します。これにより、ウイルスは、新しい細胞環境でどの程度の遺伝子発現が最適に機能するかをテストできるようになります.
タンパ大学のウイルス学者であるエリック・フロイントは、宿主植物の生来の防御が特定のウイルスタンパク質を発現する細胞のみを破壊する場合、タンパク質の遺伝子を異なる粒子に分散させることで、一部の細胞でウイルスが検出されないことが保証される可能性があると推測しています.フロイントが示唆するもう 1 つの可能性は、ウイルスが一度にすべてのタンパク質を産生しようとすることで細胞を圧倒したときに、細胞を殺すことができる「展開タンパク質応答」の周りで分布が傾いていることです。そのゲノムを多くの植物細胞に分散させることにより、ウイルスは単一細胞の機構を圧倒することを避けることができます.
それでも、Blanc と Freundt は、これらが単なる仮説であることをすぐに認めています。 「彼らの進化の理由は、いまだに謎のままです」とブランは言いました。
Zwart は、マルチパーティションの利点に関するほとんどのアイデアは、実際にはゲノムのセグメント化に関するものであり、ウイルスをさまざまな感染単位に分割することではないと指摘しています。ゲノムをセグメントに分割することで、さまざまなウイルスがさまざまな有利な形態の遺伝子を簡単に組み換えることができます。
アリゾナ州立大学のウイルス学者 Arvind Varsani も同意見です。 「モジュール性の観点からは、各モジュールが独立しているマルチコンポーネント ウイルスの利点がわかります」と彼は言いました。複数の共感染ウイルスが存在する植物では、「元素をより迅速に獲得し、混合と適合によって環境に適応することができます。」
この戦略の強さの証明は、再集合の達人であるインフルエンザウイルスに見られます。インフルエンザのゲノムにも 8 つのセグメントがありますが、これらのセグメントは 1 つのウイルス カプセルにまとめられています。これにより、マルチパーティションのすべてのコストを支払うことなく、セグメンテーションのメリットを享受できます。
しかし、インフルエンザは、最初に目にしたよりも FBNSV に似ている可能性があります。 Brooke は、株に応じて、インフルエンザ ウイルス粒子のごく一部 (1 ～ 10%) のみが、8 つのゲノム セグメントすべての機能的なコピーを含むことを発見しました。 「インフルエンザ粒子の大部分は、これらの不完全な、または私たちが半感染性粒子と呼んでいるものであり、それ自体では生産的な複製を開始することができません」と彼は説明しました. 「これは驚くべきことでした。これは、非常に成功し、感染力の高いこのウイルスが、自己複製できないこれらの粒子として主に存在していることを示唆しているためです。」
彼は、「ウイルスが個々のビリオン粒子ではなく集団としてどのように機能するかを尋ねることは、多くの異なるウイルスシステムにとって重要になるだろう」と予測しました.
その重要性の一部は概念的なものです。個々のウイルス カプセル内の DNA がそのゲノムを定義していると考えるのは、あまりにも限定的かもしれません。代わりに、ウイルスゲノムを、ウイルス集団全体に代表される一連の遺伝子として想像する方がよいかもしれません。理論家はすでにその意味を掘り下げています。
Zwart は、これらのウイルスの進化を複数レベルの自然選択の観点から組み立てる方法など、これらの洞察を探求するための新しい理論モデルが間もなく登場することを期待しています。個々の宿主植物内では、自然淘汰の局所的な力により、ウイルスはそのセグメントの生産率のバランスをうまくとることができます。しかし、ウイルスが新しい植物に移動すると、その新しい宿主環境にも適応できる必要があるため、ある程度の汎用性を保持する必要があります.したがって、選択レベルを高くすると、ローカル レベルが緩和され、セグメントの比率がより均等になる場合があります。
「これらすべてのダイナミクスには非常に豊かなものがあります」とズワートは言いました。 「本当に魅力的です。」
