2019 年の秋、世界は現代史上最大の進化生物学実験の 1 つを開始しました。中国東部の武漢市の近くのどこかで、コロナウイルスは宿主であったコウモリや他の哺乳類ではなく、人間の体内で生きる能力を獲得しました。それは、体の防御がそれに対して立ち上がる前でさえ、ある人から別の人へと広がるのに効率的になるようにさらに適応しました.しかし、進化のチェスゲームはそれだけにとどまりませんでした。それを証明するために、SARS-CoV-2 バリアントのギリシャ文字スープがあります。
世界中の研究者は、ウイルスの進化、特に SARS-CoV-2 の突然変異が人間の間で広がる能力をどのように変化させるかをより詳細に理解しようとしています。 「今日うまく適応したウイルスは、宿主が耐性を獲得するにつれて、明日は不適応になる可能性があり、その宿主に感染する新しい方法を見つけなければなりません.それが、目新しさを生み出すイノベーションを促進します」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の進化生物学者 Justin Meyer は述べています。
絶え間なく変化するパンデミックによる人的被害は悲惨なものですが、ウイルスが世界中を移動するにつれて進化するのを観察することから得られる豊富な科学的データは有益です。オックスフォード大学ビッグデータ研究所の統計遺伝学者であるルカ・フェレッティは、次のように述べています。
ウイルスが次に何をするかを正確に予測することは決して不可能かもしれませんが、世界中のウイルス学者は、SARS-CoV-2 のどの構成要素が最も進化しやすく、どの重要なタンパク質要素がその生存を損なうことなく変更できないかについての洞察を得ています.その情報は、より優れた、より耐久性のあるワクチンへの道を示す可能性があります。他の研究では、一部の重篤な COVID-19 患者の治療に使用されるモノクローナル抗体療法に対する耐性をウイルスが進化させる方法が強調されています。この研究はまた、変異の特定の組み合わせを特定し、それらがウイルス集団に広まった場合、急速に広がることに加えて免疫防御を回避することに優れた変異体によって駆動されるパンデミックの新しい段階を導く可能性があります.
科学者たちは、ほぼ 1 世紀前に提案された概念、フィットネス (または適応) ランドスケープを最新のテクノロジで再検討することによって、これらの発見を行うことができました。彼らは、フィットネスランドスケープを使用して、ウイルスゲノムの変化と、新しい宿主に複製して感染する能力との関係を定量化できます。その関係を表す地形図は、ウイルスの歴史を再構築するのに役立ち、少なくとも将来を予測する可能性もあります.
インペリアル カレッジ ロンドンの分子進化生物学者である Tobias Warnecke にとって、フィットネス ランドスケープは、遺伝子型を表現型に結び付ける非常に貴重な方法です。それらの定量的な可能性を利用することにより、科学者は、2 つの突然変異が協調して形質にどのように影響するか、および 3 番目の突然変異の存在によってそれらがどのように影響を受ける可能性があるかについて質問することができると彼は言います。 「そうすれば、遺伝子型のさまざまな組み合わせを調べて、関心のあるものにどのように影響するかを確認できます。」
フィットネスランドスケープの価値は、ゲノムやタンパク質の少数の変化間の比較に限定されません。最新の実験技術により、ディープ ミューテーション スキャンと呼ばれる戦略が可能になりました。この戦略では、研究者は自然淘汰に関する小規模な実験を行い、数万の変異バリアントの適合値を一度に比較します。このプロセスは、ウイルスを助けたり傷つけたりする突然変異間の予期しない相互作用を明らかにすることができます。また、人間に新たな脅威をもたらす可能性のあるウイルスの将来の進化経路を特定することもできます。
生き残るためのダイナミック マップ
種の起源について 、チャールズ・ダーウィンは、自然淘汰は「好ましい個体差とバリエーションの保存、および有害なものの破壊」の結果であると書いています.当時、遺伝学と突然変異が科学的に理解される前は、生物学者は、生物のわずかな遺伝的変化がその生殖にどのような影響を与えるかを想像することしかできませんでした.このアイデアは、アメリカの生物学者 Sewall Wright による研究によってのみ完全に固まりました。 第 6 回国際遺伝学会議の議事録に掲載された 1932 年の重要な論文 、彼は手描きの図を使用して、生物が「種が自然淘汰の下でその道を進む可能性のある可能性のある変化のほぼ無限のフィールド」をどのように移動するかを説明しました.
ライト氏は、DNA やペプチドなどの直鎖状分子の膨大な数のバリアントの可能性を視覚化する 1 つの方法は、それぞれの可能性を空間内の一意の点として扱うことだと指摘しました。分子の進化は、最初のバリアントと最後のバリアントのポイントの間の経路に相当し、途中で中間バリアントのすべてのポイントに到達します。
これらの亜種の複雑なグラフとそれらの間の進化経路を理解するための助けとして、ライトはそれらがわずか 2 次元または 3 次元のより直感的な「適応ランドスケープ」として表現できることを示しました。横軸は、DNA (遺伝子型) または身体的特徴 (表現型) の変動性をプロットします。 2 つのバリアントが類似しているほど、飛行機の近くに配置されます。縦軸は、進化的適応度に対する変動の影響を測定します。実行可能な子孫を増やすか、そのタンパク質の機能を改善するかによって、生物の生存確率を向上させるバリアントは頂点にとどまり、それを減少させるバリアントは谷に沈みます.
ミシガン大学医学部の進化生物学者であるアダム・ラウリング氏は、その結果、独特の地形を持つ風景が生まれると説明しています。マップされたバリアントがフィットネスへの影響に大きな違いがない場合、ランドスケープはネブラスカのようにかなり平坦に見えます。フィットネスに大きな影響を与えるバリアントは、ユタ州のブライス キャニオンのそびえ立つ高層ビルによく似た風景を作り出します。自然淘汰はピーク上のバリアントを支持します:種の平均的な遺伝子型または表現型は、理想的には谷を通るのではなくピーク間の尾根に沿って、あるピークから次のピークに移動することによって進化する必要があります. (異なる遺伝子型を持つ分離された亜集団は、種がギャップを乗り越える方法を見つけるのにも役立ちます。)
「数フィート動くと転んでしまい、再び立ち上がるのが非常に難しくなります」と Lauring 氏は言います。 「移動する経路が少なくなります。」
「理論は非常に単純です。自分の遺伝子型を知るだけで、適応度を測定すれば、基本的に何が起こるかを予測できます」と、スイスのベルン大学で進化力学を研究しているクローディア・バンクは述べています。しかし、理論を実践することは別問題です.
複雑なことの 1 つは、SARS-CoV-2 であろうと人間であろうと、フィットネスの状況が静的ではないことです。生物が新しい食物を消化できるようにするが、成長を遅くする突然変異は、命の恩人または致命的なハンディキャップのいずれかになる可能性があります.バリアントが進化の適応度に与える影響は、生物が生息する環境によって異なります。環境が変われば、フィットネスの風景も変わります。 「変異が異なれば影響も異なります。それはフィットネスの状況によって異なります」と Lauring 氏は述べています。
フィットネス ランドスケープの作成も数学的課題です。長さがわずか 100 アミノ酸の小さなタンパク質でさえ、宇宙の原子の数よりも多い 20 の可能なバリアントを持ちます。実際のタンパク質のフィットネス状況の複雑なトポグラフィーと、それらを横切るさまざまな経路の可能性を計算することはもちろん、想像することも困難です。その結果、何十年もの間、フィットネスランドスケープは具体的な測定のためのツールではなく、概念的な補助でした.ごく最近になって、高度なコンピューティング能力と改良された分子生物学的技術により、科学者は個々のタンパク質や細菌やウイルスなどの単純な生物の定量的なランドスケープを作成できるようになりました.
細菌とウイルスは、フィットネス ランドスケープのほぼ理想的な対象です。試験管内で数百万または数十億単位で増殖する各バクテリア細胞またはウイルス粒子は、フィットネス環境を説明するバリアントの膨大なプールから 1 つの変異を保有する可能性があります。数時間または数日という短い世代時間により、研究者は新しい突然変異をより迅速に特定することもできます。 HIV や C 型肝炎ウイルス (HCV) など、RNA を遺伝物質として使用するほとんどのウイルスは、ゲノムを複製する RNA ポリメラーゼが DNA ポリメラーゼほど効果的にコピーを校正しないため、非常に変異しやすいです。
科学者が発見し始めた最初のことの 1 つは、景観が複雑であるにもかかわらず、生物は多くの場合、ほんの一握りの適応度の最大値とそれらの間の限られた数の経路に制約されているということです。 2006 科学 論文は、ペニシリンなどの抗生物質を不活性化するベータ-ラクタマーゼと呼ばれるタンパク質を詳しく調べました.ベータ-ラクタマーゼの 5 つの単一ヌクレオチド変異の共同効果により、抗生物質耐性が 100,000 倍に増加する可能性があります。当時ハーバード大学の進化生物学のポスドクで、現在はブラウン大学の研究室を率いるダニエル・ワインライクは同僚とともに、遺伝子の進化は 120 の経路をたどって 5 つの変異すべてを蓄積する可能性があると指摘しました。
しかし、科学者が研究室で中間バリアントを作成してテストしたところ、欠陥のあるタンパク質または不完全なタンパク質を生成したため、102 のパスが自然淘汰の下では不可能であることがわかりました。残りの組み合わせの多くが抗生物質耐性を改善できなかったことが判明したとき、可能性はさらに狭まりました. 「これは、生命のタンパク質テープの大部分が再現可能であり、予測可能でさえある可能性があることを意味します。」
ディープ ミューテーション スキャン
しかし、最小のウイルスやタンパク質でさえ、将来の進化の軌跡を予測するには、その適応度の状況に関する詳細な知識が必要ですが、それを取得するのは困難です。歴史的に、科学者は一度に 1 つのヌクレオチドまたはアミノ酸に変異を作成し、次に変異タンパク質を精製してその機能を評価する必要がありました。可能性のある突然変異をいくつか調べることは、しばしば非現実的でした.
ディープ ミューテーション スキャン技術の開発により、すべてが変わりました。この手法により、科学者は一度に何万ものバリアントを生成し、すべてのバリアントを互いに競合させて相対的な適合値を決定することができます。
研究者は、培養細胞にクローニングできるバリアント遺伝子のライブラリーを作成することから始めます。遺伝子は、その活性が実験室で選択できる何らかの生化学的機能に関連しているタンパク質をコードしているため、これらのタンパク質の「最適な」最も活性なバージョンを作る細胞はより豊富になり、不活性なバージョンを作る細胞は消えます.ハイスループット DNA シーケンシングを使用すると、研究者は各バリアントの数を集計して、複数世代にわたってどの程度うまく機能したかを定量的に測定できます。
「これは、変異の影響を捉える非常に強力なアプローチです」と、ロンドンの Warnecke 研究所の研究者である Valerie Soo 氏は述べています。
変異しやすい RNA ウイルスでは、科学者は実験室でバリアントを生成する必要さえありません。エラーが発生しやすいゲノム複製機構が変異を導入し、それらの仕事を行います。ウイルスの何百万ものコピーのそれぞれは、隣接するウイルスとはわずかに異なり、ウイルス学者が突然変異体の群れと呼ぶものを作り出しています。この群れの中には、自然淘汰による進化の原料があります。
「微生物は非常に急速に増殖するため、進化は毎日のように行われます。実際、進化をリアルタイムで監視できます」と、フランスのモンペリエにある MIVEGEC 研究所の進化生態学者である Samuel Alizon 氏は述べています。
研究者は、これらの群れの突然変異のうち、新しい宿主に受け継がれるものはほとんどないことを発見しました。これのいくつかは純粋な偶然であり、どのバリアントが適切なタイミングで適切な場所にあるかの問題です.しかし、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である Raul Andino-Pavlovsky は、研究者はフィットネス状況をスケッチすることで、一部のバリアントが他のバリアントよりもはるかに頻繁に伝染する理由を突き止めようとすることができると述べています。
「ウイルスは多様性を生み出せる必要があるだけでなく、この多様性を許容できなければなりません」と彼は言いました。 「あなたがウイルスであり、変化を許容できる場合、適応能力がはるかに高いウイルスである可能性が高い.」
進化生物学者のタイラー・スターによると、フィットネスのランドスケープは、概念的にも定量的にも、慢性または持続的な感染によるウイルスが、宿主の免疫系によってウイルスを中和しようとする繰り返しの努力を回避する方法を説明するのに最適な方法です。彼がフレッド・ハッチンソンがん研究センターのジェシー・ブルームの研究室に加わり、感染の過程で患者の体内で HIV が抗体免疫とどのように共進化するかを研究したのはそのためです。彼の目標は、ウイルスと免疫系の間のこの進化的な軍拡競争がどのようにして保護特性を持つ抗体を生み出すかを理解することでした。これは、HIV ワクチンを開発している科学者がウイルスのより不変の部分に注目するのに役立つ可能性があります。
しかし、スターが HIV に関する研究を開始するとすぐに、別のウイルスが彼の、そして世界の注目を奪いました。
予想以上に可変
SARS-CoV-2 が世界的に広がり始めたとき、Starr と Bloom はフィットネス環境が新しい病原体の研究を開始するための有用な方法であることに気付きました。これにより、ウイルスタンパク質で重要な要因と、ウイルスがどの程度の変化に耐えることができるかを理解する方法が得られました.
当初、SARS-CoV-2 のシーケンシングを行った科学者は、多くの遺伝的変異に気づきませんでした。コロナウイルスはエラーを起こしやすい RNA ポリメラーゼを使用して遺伝物質をコピーしますが、SARS-CoV-2 には校正者として機能する 2 番目のタンパク質があります。そのため、研究者は、ウイルスがインフルエンザや HIV ほど多くの変異を獲得するとは予想していませんでした。
Bloom と Starr は、スパイクタンパク質が、免疫システムが最も強く認識するものであり、ウイルスが体の細胞に侵入するために使用するものであるため、進化の圧力が最も強いコロナウイルスの一部になることを知っていました。ただし、1,273 個のアミノ酸を含むスパイク タンパク質は、フィットネス ランドスケープによる迅速な評価には大きすぎます。そのためスターは、受容体結合ドメインとして知られるスパイクタンパク質のサブセクションに焦点を当てることに決めました。これはわずか数百のアミノ酸であり、はるかに扱いやすい問題です.
Starr は、深い突然変異スキャンを使用して、受容体結合ドメインの 4,000 の異なる突然変異を作成しました。彼は、ヒト ACE2 タンパク質 (細胞に侵入するために選択する分子の「ロック」) に結合し、免疫系によって認識される能力を評価しました。 SARS-CoV-2 がその受容体結合ドメインの大きな変化に耐えられない場合、Starr は免疫認識または ACE2 結合機能が突然変異によって深刻に損なわれることを期待していました.
しかし、それはまったく起こったことではありません。 「受容体結合ドメインには、結合親和性を実際に改善する多くの異なる変異がありました」とStarr氏は述べています. 「これは、進化する能力が非常に高い、非常に寛容なドメインのように見えました。しかし当時の考え方は、コロナウイルスは抗原的に進化しないというものでした。彼らはおそらく安定していたでしょう。」
受容体結合ドメインは予想よりも多くの変動を許容しましたが、スパイクタンパク質のすべての部分が許容したわけではありません。したがって、スパイクタンパク質のこれらの部分は、時間の経過とともに変異する可能性が低いため、新しいワクチンやモノクローナル抗体の良い標的になる可能性があると Starr は言います.
2020 年 6 月に初めてこれらの結果を biorxiv.org プレプリント サーバーに投稿したとき、それは大きな警鐘でした、と Starr 氏は言います。これは、SARS-CoV-2 が人々が考えていたよりも変異しやすいという最初の兆候の 1 つです。現在、スターとブルームは、アルファ、ベータ、ガンマ、デルタ、およびオーミクロンのバリアントで深い突然変異スキャン実験を繰り返して、受容体結合ドメインについて同様の洞察を得ています.
Starr、Bloom、および同僚は、ACE2 結合を妨げない受容体結合ドメインへのすべての可能な変異のマップも作成しました。 Science に掲載された彼らの研究 2021 年 1 月に、モノクローナル抗体療法による中和を回避できる、このドメインの潜在的な変異を特定しました。彼らの研究では、SARS-CoV-2 に 150 日間感染した免疫不全の個人に出現したいくつかの変異も特定されました。この患者が 145 日目にモノクローナル抗体治療を受けるまでに、市場で入手可能な製品に対する耐性がすでに発達していました。スターにとって、これは、これらの治療用モノクローナル抗体が、1 人の患者内で、またはより一般的にはウイルスが変異するにつれて、時間の経過とともに効果が低下する可能性があることを示しました.
さらに、スター、ブルームとその同僚が昨夏 Nature Communications で説明したように、 、いくつかの広範な突然変異はそれぞれ、免疫系が受容体結合ドメインの最も標的とされた部分に対して通常向ける抗体の一部をSARS-CoV-2が回避するのに役立ちます。これまでのところ、これら 3 つの変異すべてを持つように進化したウイルス系統はありません。 「しかし、そのような亜種の出現は心配な展開であり、注意深く監視する必要があることを示唆しています」と彼らは書いています.
2019 年末に SARS-CoV-2 が最初に出現した世界は、現在の世界とは異なっていました。自身のコピーを大量に生成し、個人間で拡散するウイルスの能力は、パンデミック初期の成功の鍵となったことは間違いありません。しかし、ワクチン接種や自然感染による免疫を獲得した人の数が増えるにつれて、ウイルスは免疫反応を回避するための圧力をより多く受けるようになります。 Lauring 氏は、多くの変異にはトレードオフが伴い、SARS-CoV-2 も例外ではないと述べています。 2020 年初頭には、ウイルス感染が減少した免疫逃避バリアントは支持されなかったかもしれませんが、現在は支持されている可能性があります。
「私たちはウイルスの環境です」とローリングは言いました。 「私たちが変われば、風景が変わります。」
