Virus

 

いま世界に拡がるウイルスは、

リアルタイムで追跡できるほど進化が速い。

ウィルスはいわゆる生物ではないが、

私たちヒトを含む生物と共進化する存在だ。

世界的な分子系統学者である著者が、

躍動感みなぎる“進化の舞台”へ読者を誘う。



著者プロフィール
長谷川政美(はせがわ まさみ)

1944年生まれ。進化生物学者。統計数理研究所名誉教授。総合研究大学院大学名誉教授。理学博士(東京大学)。著書に『分子系統学』(岸野洋久氏との共著)『DNAに刻まれたヒトの歴史』(共に岩波書店)、『系統樹をさかのぼって見えてくる進化の歴史』(ベレ出版)、『世界でいちばん美しい進化の教室』(監修、三才ブックス)、『共生微生物からみた新しい進化学』(海鳴社)、『進化38億年の偶然と必然』(国書刊行会)など多数。1993年に日本科学読物賞、1999年に日本遺伝学会木原賞、2005年に日本進化学会賞・木村資生記念学術賞など受賞歴多数。全編監修を務める「系統樹マンダラ」シリーズ・ポスターの制作チームが2020年度日本進化学会・教育啓発賞を受賞。

 

ウィルスという存在

ーヒトの進化にどうかかわってきたのかー


第4話

SARS-CoV-2の起源

文と写真 長谷川政美

第2話では、COVID-19を引き起こすコロナウイルスSARS-CoV-2のゲノムデータの分子系統学的な解析によって、感染経路を追跡する話をしたが、今回は同様の手法でもっと遡ってこのウイルスがどのような進化の歴史をたどって生まれたかを見ることにしよう。

◎コウモリが宿主の近縁なコロナウイルス

SARS-CoV-2は、2002年に中国広東省から広まったSARS(重症急性呼吸器症候群)を引き起こしたSARSコロナウイルス(SARS-CoV)に近縁なウイルスであるが、SARS-CoVが進化して生まれたものではない。
ヒト以外の動物に感染するコロナウイルスの中で、SARS-CoV-2とよく似たゲノム配列をもつものが2013年に中国雲南省においてキクガシラコウモリ属の野生コウモリから採取されている(図4-1)。


図4-1 キクガシラコウモリ(Rhinolophus ferrumequinum;撮影:河合久仁子博士 ©Kuniko Kawai)。SARS-CoV-2はこれと同属の別のコウモリを自然宿主とするウイルスがヒトに感染するように進化したものである。しかし、コウモリのウイルスがそのままヒトに感染できるわけではなく、そのための変異が蓄積することが必要である。

このナカキクガシラコウモリから得られたウイルス株(RaTG13)は、SARS-CoV-2とゲノム配列の96.2%が一致する。更に2019年には同じ雲南省のマレーキクガシラコウモリからは93.3%一致する別の株が得られている(RmYN02)。2002年にSARSを引き起こしたSARS-CoVはSARS-CoV-2とゲノム配列は似ているものの、79.0%しか一致しないので、SARS-CoV-2はSARS-CoVから直接進化したものではなく、キクガシラコウモリ属を自然宿主とする別のコロナウイルスの系統から独立に進化したと考えられる。
ところが話は簡単ではない。ゲノム全体でくらべてマレーキクガシラコウモリのRmYN02よりもナカキクガシラコウモリのRaTG13のほうがSARS-CoV-2との相同性(塩基の一致率)が少し高いが、スパイクたんぱく質遺伝子だけでくらべると、SARS-CoV-2に対するRmYN02とRaTG13の相同性は、それぞれ71.9%と92.9%と大きく違っている。この極端な違いは、RmYN02が進化の過程でもっと遠い関係にあるコロナウイルスとの間で組換えを起して、スパイクたんぱく質遺伝子(あるいはその一部)を取り込んだ結果と考えられるのだ。
このように組換えを起したと考えられる領域を除いて、残りのゲノム領域だけで系統樹を描くと、図4-2の左のようになる。


図4-2 SARS-CoV-2および動物を宿主とする近縁なコロナウイルの系統関係(左)とゲノム間の塩基の違いで測った距離(1)。組換えを起していると考えられる領域は除かれている。右上(青色)が同義距離、左下(黄色)が非同義距離。SARS-CoV-2の代表として、武漢で最初に配列決定された株が用いられている。RmYN02: Rhinolophus malayanus (マレーキクガシラコウモリ、雲南省)、RaTG13: Rhinolophus affinis (ナカキクガシラコウモリ、雲南省)、GD410721: Manis javanica(マレーセンザンコウ、広州)、GX_P1E: Manis javanica(マレーセンザンコウ、広西チワン族自治区)。
スパイクたんぱく質遺伝子を除くと、SARS-CoV-2に一番近縁なウイルスは、マレーキクガシラコウモリから採取されたRmYM02になる。ここでは、SARS-CoV-2の起源に関係する可能性のある2つの別のコロナウイルスも加えられている。中国広州と広西チワン族自治区でマレーセンザンコウから採取されたそれぞれGD410721とGX_P1Eというコロナウイルスである。

◎センザンコウ由来のコロナウイルス

野生で中国に分布するセンザンコウはミミセンザンコウ(図4-3)という種であり、マレーセンザンコウは分布しないので、この2種類のコロナウイルスは外国から違法に持ち込まれた動物に感染していたものである。


図4-3 ミミセンザンコウ(Manis pentadactyla)。SARS-CoV-2の中間宿主と疑われたマレーセンザンコウとは別種だが近縁で中国にも生息する。
広州のマレーセンザンコウは税関で押収されたものであるが、その時点で重い呼吸器症状を示していた。センザンコウは食用以外にもその鱗が漢方薬に使われるなど中国では需要が多い。SARS-CoV-2の起源を探る研究に、マレーセンザンコウに感染するこれらのコロナウイルスも登場する。
図4-2の左の図で示したように、センザンコウのGD410721とGX_P1Eは、ゲノム全体からスパイクたんぱく質遺伝子を除いた配列で描いた系統樹では、SARS-CoV-2に対してはマレーキクガシラコウモリやナカキクガシラコウモリのコロナウイルスよりも遠い関係になっている。ところがスパイクたんぱく質の受容体結合領域(51アミノ酸)の配列だけで系統樹を描くとSARS-CoV-2に一番近縁なのがマレーセンザンコウのGD410721になる(図4-4)。


図4-4 コロナウイルスのスパイクたんぱく質の受容体結合領域のデータで描かれた系統樹(1)。
第2話で出てきたように、コロナウイルスの表面には王冠を意味するコロナのような突起があるが、この突起がスパイクたんぱく質である。このたんぱく質はコロナウイルスが宿主細胞に侵入して感染する際に宿主細胞の受容体とうまく結合できなければならない(図2-3)。

◎いったいどこから?

これまでに知られているウイルスの中でSARS-CoV-2に一番近縁なのは、スパイクたんぱく質遺伝子以外のゲノム領域ではマレーキクガシラコウモリのRmYN02であるが、RmYN02のスパイクたんぱく質の受容体結合領域はSARS-CoV-2のものとは系統的に非常に離れている(図4-4)。
一方、スパイクたんぱく質の受容体結合領域に関しては、SARS-CoV-2に一番近縁なのはマレーセンザンコウのGD410721になる。特に受容体との結合に際して重要と考えられる6カ所のアミノ酸座位がこの2つのウイルスで完全に一致するのに対して、マレーキクガシラコウモリのウイルスでは6つのアミノ酸のうちの5カ所が違っている(表4-1)。


表4-1 SARS-CoV-2関連ウイルスのスパイクたんぱく質のアミノ酸変異。 スパイクたんぱく質の中でコロナウイルスが感染して細胞に侵入する際に重要な働きをするアミノ酸座位について示した。SARS-CoV-2と同じアミノ酸は、赤字で示した。


従って、マレーキクガシラコウモリのRmYN02に近縁なSARS-CoV-2の祖先が、センザンコウのGD410721に近縁な祖先ウイルスからスパイクたんぱく質の受容体結合領域の遺伝子を組換えで取り込んだ可能性が考えられるのである。
COVID-19は、武漢の海鮮市場の関係者の間で最初に拡がったと報道されていた。海鮮市場といっても魚介類だけでなく、哺乳類、鳥類、爬虫類など多くの野生動物が生きたまま売られていたので、そこで売られていた可能性のあるセンザンコウを介してヒトに感染したのではないか、と疑われたのである。しかし、いろいろ調べてみると以下で述べるようにその可能性は低そうである。
ゲノム全体ではSARS-CoV-2に近縁なナカキクガシラコウモリのRaTG13は、すでに2013年に採取されていたウイルスであった。当時、武漢ウイルス学研究所のZheng-Li Shi(石正麗)らのグループは、SARSを引き起こしたSARS-CoVの起源を探るべく、中国各地の野生コウモリからコロナウイルスを採取していた。RaTG13はそのプロジェクトで採取されたものである。
2013年に雲南省のTong-Guanという町でRhinolophus affinis(ナカキクガシラコウモリ)から採取されたウイルスということで、のちに「RaTG13」と呼ばれるようになった。このウイルスのゲノム配列はSARS-CoVのものとはだいぶ異なるためにあまり注目されなかったが、2020年1月になってSARS-CoV-2の配列が明らかになると、これと近縁であることが分かり、注目されるようになったのである。
話が込み入ってくるが、SARS-CoV-2のスパイクたんぱく質の受容体結合領域だけがセンザンコウのGD410721に近縁なことから、組換えでこの部分だけをGD410721から取り込んでSARS-CoV-2が生まれたという考えに対して異論がある(2)。スパイクたんぱく質遺伝子のほかの領域の相同性を見ると、SARS-CoV-2とGD410721の間の相同性が受容体結合領域だけで特別高いわけではないのに対して、SARS-CoV-2のRaTG13との相同性は受容体結合領域以外ではGD410721との相同性よりも高いのである。従って、RaTG13が、もともとSARS-CoV-2に近い受容体結合領域をもっていたが、SARS-CoV-2から進化的に分かれた後で、その部分だけを遠い関係にあるウイルスから組換えによって取り込んだと考えられるのである。そうだとすると、表4-1で示したSARS-CoV-2特有の6カ所のアミノ酸座位は、ナカキクガシラコウモリのRaTG13とセンザンコウのGD410721の共通祖先がすでにもっていたものであり、その後RaTG13は組換えで違ったものに変わってしまったことになる。
文献(2)ではスパイクたんぱく質を除くとナカキクガシラコウモリのRaTG13よりもさらにSARS-CoV-2と近縁なマレーキクガシラコウモリのRmYN02が解析に含められていないが、上の議論でRaTG13をRmYN02に読み替えればほぼ同様の議論が成り立つ。RmYN02もSARS-CoV-2に近い受容体結合領域をもっていたが、組換えで違ったものに変わってしまったと思われる。この議論の基本は、SARS-CoV-2とGD410721の間の相同性が受容体結合領域だけで特別高いわけではないということであり、RaTG13とRmYN02でこの領域だけがSARS-CoV-2と特別違った配列をもっていることから、組換えで獲得されたものであろうということである。
現段階ではこのシナリオは一番説得力があるように思われる。センザンコウがSARS-CoV-2の出現に関わったのではなく、マレーキクガシラコウモリのもっていたウイルスがヒトに感染するように進化したのである。マレーキクガシラコウモリのウイルスのほうは、その後、受容体結合領域の部分が組換えによって別のものに変わってしまったのだ。このようにコロナウイルスの受容体結合領域付近では頻繁に組換えが起こっているようである。

◎空白の数十年間

SARS-CoV-2が組換えを起して変わってしまう前のマレーキクガシラコウモリやナカキクガシラコウモリのウイルスから進化したものだとしても、SARS-CoV-2のゲノムはこれらコウモリのウイルスのものと完全に一致するわけではない。これだけの違いを生み出すためには、数十年分の変異の蓄積が必要である。
スパイクたんぱく質遺伝子を除いたゲノム配列でRmYN02とRaTG13がSARS-CoV-2から分かれた年代を推定すると、それぞれ37年前(95%信頼区間:18-56年前)と52年前(28-75年前)となる(1)。パンデミックが起る前のこの数十年間の状況が依然として闇に包まれているのである。どうも、ここで扱っているSARS-CoV-2に近縁な4種類のウイルスだけでは、ヒトへのパンデミックを引き起こしたこのウイルスの起源の問題に肉薄するには不十分なようである。野生動物に感染しているコロナウイルスをもっと徹底的に調べ上げなければ、SARS-CoV-2の直接の祖先に迫ることは出来ないであろう。
SARS-CoV-2の祖先がキクガシラコウモリを宿主とするウイルスだったことは確かだと思われるが、SARS-CoV-2とそっくりなウイルスは野生動物からはまだ見つかっていないのだ。コウモリからヒトに感染するようになるだけでは世界的な大流行であるパンデミック(pandemic)には至らない。それだけでは世界の限られた地域で時おり見られる風土病に過ぎない。ある地域だけで流行する感染症をエンデミック(endemic)という。このウイルスがヒトからヒトへ感染する能力を獲得してはじめてパンデミックになるのである。このようなウイルス進化の途中の過程がどこで、いつ起こったかについては、まったく不明なのである。

◎コロナウイルス進化の分子時計

表4-2に遺伝コード表を示した。伝令RNAの塩基配列がたんぱく質のアミノ酸配列の翻訳される際の規則で、3つの連なった塩基(三連塩基、あるいはコドンという)が1つのアミノ酸をコードする。

表4-2 遺伝コード表

例えばUUUというコドンはフェニールアラニン(Phe)をコードするが、コドンの3番目のUがCに置き換わってもPheのままである。このようなU→C変異を同義置換という。ところが同じUがAに置き換わるとロイシン(Leu)という別のアミノ酸に変わってしまう。このようなU→A変異は非同義置換という。
共通祖先から進化した二種間でたんぱく質をコードしている遺伝子 DNA の塩基配列の違い(距離)は、二通りのやり方で測られる。アミノ酸の違いを生み出さないような塩基の違いで測った同義距離(dS; 同義という意味の Synonymous )とアミノ酸の違いを生み出すような塩基の違いで測った非同義距離(dN; 非同義という意味の Non-synonymous で、アミノ酸距離ともいう)である。コドンの三番目の塩基が変わってもアミノ酸は変わらないことが多いが、アミノ酸を変えないような塩基置換を同義置換という。同義置換が起っても、たんぱく質としては変わりがないので、そのような塩基置換はほぼ中立的だと考えられる。
図4-2の右に、SARS-CoV-2および動物を宿主とする近縁なコロナウイルスゲノム(スパイクたんぱく質を除く)間の塩基の違いで測った同義距離と非同義距離を示した。


図4-2 SARS-CoV-2および動物を宿主とする近縁なコロナウイルの系統関係(左)とゲノム間の塩基の違いで測った距離(1)。組換えを起していると考えられる領域は除かれている。右上(青色)が同義距離、左下(黄色)が非同義距離。SARS-CoV-2の代表として、武漢で最初に配列決定された株が用いられている。RmYN02: Rhinolophus malayanus (マレーキクガシラコウモリ、雲南省)、RaTG13: Rhinolophus affinis (ナカキクガシラコウモリ、雲南省)、GD410721: Manis javanica(マレーセンザンコウ、広州)、GX_P1E: Manis javanica(マレーセンザンコウ、広西チワン族自治区)。

この図で顕著なことは、特に同義距離では系統による違いがほとんど見られないということである。例えば、系統樹上で一番近縁のRmYN02 / SARS-CoV-2に対して外側に位置するRaTG13からみて、RmYN02、SARS-CoV-2との同義距離はそれぞれ0.1522、0.1462とほとんど違わないのである。このことは、RmYN02とSARS-CoV-2の共通祖先からそれぞれ延びた2つの枝で進化速度(同義的な塩基置換の速度)が違わないことを意味する。このようにして進化速度の一定性を確かめる方法を相対速度テストという。相対速度テストに合格することは、必ずしも進化速度が時間に沿って一定であることを保証するものではないが、2つの系統の間で進化速度に違いがないことを示すものである。
分子進化速度が時間的に一定であることを「分子時計」という。分子時計を用いて系統樹上での分岐がいつ頃起ったかを推定することができる。実際にはさまざまな理由で進化速度は変動するが、共通祖先からキクガシラコウモリのRmYN02とヒトのSARS-CoV-2へ至る系統で同義置換速度に違いがないということは、注目に値する。
塩基置換はウイルスのゲノムが宿主細胞内で複製される際の複製ミスとして起るが、その起りかたに違いがないということは、2つの系統で同じように複製が繰り返されてきたことを意味する。コウモリとヒトという異なる環境では、ウイルスの突然変異率に違いが見られてもおかしくないが、それがないのである。
一方、アミノ酸置換を伴う非同義距離は同義距離よりも一桁以上値が小さくなっている。ゲノムの複製ミスは同義置換も非同義置換も同じように起っていると考えられるが、アミノ酸を変えるような変異は、ウイルスにとって有害なことが多いので、自然選択によって取り除かれるために(これを負の自然選択という)、非同義距離は同義距離よりも小さくなっているのである。従って、膨大な数の変異が取り除かれていることになる。そのため、負の自然選択を純化選択ともいう。

つづく

【引用文献】
1. Wang, H., Pipes, L., Nielsen, R. (2020) Synonymous mutations and the molecular evolution of SARS-Cov-2 origins. bioRxiv doi: https://doi.org/10.1101/2020.04.20.052019.
2. Boni, M.J. et al. (2020) Evolutionary origins of the SARS-CoV-2 sarbecovirus lineage responsible for the COVID-19 pandemic. Nature Microbiol. https://doi.org/10.1038/s41564-020-0771-4


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ブックデザイン:垣本正哉・堂島徹(D_CODE)

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【バックナンバー】
第1話 微生物で満ちあふれているヒト
第2話 新型コロナウイルス感染症を追う
第3話 COVID-19とネアンデルタール人の遺伝子