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。

ウイ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。

 

ウイルスという存在

ーヒトの進化にどうかかわってきたのかー


第23話

私たちのゲノムに潜むウイルス

文と写真 長谷川政美

…ただ大事なのは、ウイルスも細菌同様に「病原体」や「敵」ではないということだ。ウイルスはこれまでずっとそうだったように、いまも細菌や人間やそのほかの細胞に遺伝子を広げている。ウイルスも、進化のバリエーションの源なのである。ウイルスに感染した生物個体群は自然選択によって磨きをかけられる。
                 リン・マーグリス (1999) (1)

◎内在性ウイルス様配列

この連載でこれまでにもたびたび話題になったが、近年のゲノム解析により、細菌から動物・植物に至るあらゆる生物のゲノムにさまざまなウイルスの配列が入り込んでいることが明らかになってきた。そのような配列は、「内在性ウイルス様配列」(Endogenous viral element、略してEVEという)と呼ばれる。この中にはレトロウイルスのRNAゲノムが逆転写されて入り込んでいるものがある(図23-1)。


図23-1 レトロウイルス。真核生物の細胞に感染したレトロウイルスのRNAの配列情報は逆転写酵素によってDNAに写し取られ、それが宿主DNAに組み込まれて内在性レトロウイルスになる。

レトロウイルスはプラス鎖の一本鎖RNAゲノムをもつが、これが逆転写酵素で二本鎖DNAに転写される。このようなウイルスが発見される以前は、遺伝情報はDNA→伝令RNA(mRNA)→たんぱく質という方向にしか流れないと考えられていた(図23-2)。これを「セントラル・ドグマ」というが、「RNA→DNA」という逆方向の流れもあることが明らかになったのだ。


図23-2 セントラル・ドグマ(実線矢印で示した経路)とそこでは想定されなかった逆転写(点線矢印)。

DNA→RNAは転写というので、RNA→DNAは逆転写と呼ばれる。このような逆転写でコピーされたレトロウイルスのゲノムが宿主のゲノムに組み込まれているのである。
宿主のゲノムに組み込まれた状態のレトロウイルスは、プロウイルスと呼ばれる。プロウイルスから遺伝情報が発現され、ウイルスRNAや伝令RNAが合成される。伝令RNAからウイルスたんぱく質が合成され、それと新たに合成されたウイルスRNAから作られる新しいウイルスが宿主細胞から出ていくのである。
このように、宿主細胞のゲノム中には、さまざまなウイルスのゲノムに由来する配列が組み込まれている。そのようなことが生殖細胞で起れば、親から子供に代々伝えられていくことになる。
何千万年も前のわれわれの祖先にもウイルスは感染した。それらの中には重篤な病気を引き起こしたものもあったかもしれないが、そのようなウイルスの一部が、EVEとしてわれわれのゲノム中に残っているのである。まさにウイルスの化石である(2)。
このようなウイルスの化石にはさまざまなものがあるが、レトロウイルスに由来するものが多い。レトロウイルスの生活環の中にプロウイルスとして自らのゲノムを宿主のゲノムに組み込むということがあるので、このことは当然であろう。
レトロウイルス科には、ヒトT細胞白血病ウイルスやヒトにエイズを発症させるヒト免疫不全ウイルス(Human Immunodeficiency Virus; HIV)などが含まれる。HIVは20世紀に入ってから野生の霊長類からヒトに感染するようになったウイルスと考えられ、2016年までに世界中でHIVのために亡くなったひとは3500万人以上になると推定されている。

◎ジャンクDNA

2001年に最初のヒトゲノムが解読されると、30億塩基対の全ゲノムのうちの98%がたんぱく質をコードしない「非コードDNA領域」であることが分かった(3)。たんぱく質こそ生命活動の源と考えられたので、それをコードしないDNA領域の大半は、役立たずの「ジャンクDNA」と考えられた。この中で最も多かったのがレトロトランスポゾンで、これがなんとゲノム全体のおよそ42%を占めていたのだ。DNA→RNA→DNAと転写と逆転写を繰り返してゲノム中で転移・増殖をする(図23-3)。


図23-3 レトロトランスポゾンが染色体内で増殖する仕組み。真核生物の染色体に組み込まれているレトロトランスポゾンが、いったん転写されてRNAになったあとに、逆転写されてできたDNAが染色体の別の場所に挿入される。これがレトロトランスポゾンの転移である。

レトロトランスポゾンの転移は遺伝的な変異であり、有害な影響を及ぼすこともある。
レトロトランスポゾンには、末端に長い反復配列をもつ「LTR (long terminal repeat) 型レトロトランスポゾン」と、それをもたない「非LTR型レトロトランスポゾン」の2種類がある。
LTR型レトロトランスポゾンはレトロウイルスのプロウイルスそっくりであるが、レトロウイルスとして活性をもつために必須のエンベロープたんぱく質env遺伝子を失っている。env遺伝子の働きを失ってほかの細胞へ感染できなくなったプロウイルスが生殖細胞に残ったものがLTR型レトロトランスポゾンになったようにも見える。

◎機能をもっていたジャンクDNA

ヒトのレトロトランスポゾンには、LTR型レトロトランスポゾンのほかに2種類の非LTR型レトロトランスポゾンがある。
SINE(short interspersed nuclear elements; 短い散在性反復配列)とLINE(long interspersed nuclear elements; 長い散在性反復配列)である。これらのレトロトランスポゾンもレトロウイルスと同じ逆転写酵素を使って増殖する。LTR型レトロトランスポゾンは進化的にレトロウイルスに関係すると考えられるが、非LTR型レトロトランスポゾンはウイルスとは違うものである。それでもゲノムに寄生する配列であり、転写と逆転写を介して増幅するなどの振る舞いはレトロウイルスに似ている。
これらのレトロトランスポゾンはあわせるとヒトゲノムの42%を占め、ジャンクDNAと考えられていた。転写されたRNAが逆転写でDNAコピーをつくって増えてゲノムに組み込まれたりするため、「利己的遺伝子」などと呼ばれたりしたが、宿主にとっては利益にならないジャンクDNAと考えられていた。ところが、このようなものが宿主の役に立つ機能をもっている可能性が浮上してきたのだ。
2006年頃から東京工業大学の岡田典弘らのグループは、ヒトゲノムの13.5% を占めるSINEが何かしらの機能をもっている可能性を調べてきた(4)。ゲノム中にはたくさんのSINEのコピーが存在するが、進化的な時間の間に次第に変異が蓄積していく。岡田らが着目したのは、進化の間にあまり変わらないSINEがあるということである。
機能をもたない配列であれば、系統的に離れた動物のゲノムを比較すると違っていることが予想される。ところが、例えばAmnSINE1(Amniota羊膜類 SINE1)というSINEは、哺乳類の間では配列が非常によく保存されているのである(5)。
動物のゲノムに組み込まれたSINEは、ゲノムがコピーされる際にはほかの遺伝子と同じように突然変異を被ることになる。機能をもたないジャンクDNAであれば、変異があっても動物が生きて増殖する上で差し障りがないので、変異はどんどん蓄積していくであろう。ところが、AmnSINE1では変異が抑えられているのである。ゲノムの中のその領域だけ特別に突然変異が起こりにくくなっているということは考えにくい。
実際には、ゲノムのほかの領域と同じように突然変異は起こっているが、そのような変異をもった個体の適応度が下がる(子孫を残す上で不利になる)ために、負の自然選択で取り除かれてきたと考えられる。変異を起こすと不利になるような配列だということは、そのような配列が何らかの機能をもっている可能性を強く示唆するのだ。
よく保存されている124 個の AmnSINE1座位を調べてみると、その一つはSATB2という哺乳類で脳の形成に関わっている遺伝子の上流にあって、この遺伝子の発現量を上昇させていることが分かった(6)。
このように遺伝子の発現量を上昇させる働きをする配列をエンハンサーというが、AmnSINE1が脳の形成に関わる遺伝子のエンハンサーとして働いているということが実験的に証明されたのである。従って、ゲノムへのSINEの挿入が哺乳類の脳の進化に重要な働きをしてきたと考えられる。

◎進化における予想外の使われ方

鳥の羽根は最初から飛ぶために進化したものではないことは、現在では広く知られている。もともとは、保温のために進化した羽毛が、飛ぶための羽根に進化したというのが定説である。このようにある形質が、最初に進化したときに果たしていた役割とは別の役割で使われるようになることを、「外適応(exaptation)」という。
この言葉は、古生物学者のスチィーヴン・グールドとエリザベス・ヴルバが造ったものである(7)。自然選択による「適応(adaptation)」はその形質がその時点で果たしている機能に対して働くが、生物進化にはそれだけでは説明できないことがたくさんあるという。保温のために進化したと思われる羽毛が、後で思いがけない使われ方をするようになったことが、その典型例である。
ただし、鳥の羽根の場合は、保温のためのふわふわの羽毛から飛ぶための羽根が進化するのは簡単ではない(8)。リチャード・プラムは中間段階として、羽毛からオスがメスに対してアピールするための平板状の羽根がまず進化したという(9)。オスのクジャクの羽根のようにメスにアピールするような模様を描くには、羽毛ではなくしっかりした平板状の羽根が必要である。
チャールズ・ダーウィンは生物進化の要因として自然選択以外に、配偶者を獲得するための形質に対する性選択も重要だと考えた。プラムは、鳥の羽毛が、まず配偶者を獲得するために派手な模様を描くためのキャンパスとして進化したものが、その後に飛翔のための翼に進化したというのである。
進化は遠い将来を見据えて進んでいくものではなく、常にあり合わせのものでやりくりしながら、差し当たりの問題に対処しながら進んでいる。従ってある形質が当初の目的とはまったく違った使われ方をするという外適応は進化の過程でしばしば見られる。
今回の話で出てきた機能をもったSINEも、最初ゲノムに挿入された時点では特別な機能をもたなかったものが、たまたま重要な機能を果たすようになったもので、外適応の例だと思われる。

つづく

*註
「…のために進化した」という言い方は、あたかも進化がある目的に向かって進んでいるかのようにとらえられるかもしれないが、そういう意味ではない。本来は「そのような形質を獲得すると、生存や繁殖に有利なために進化した」というべきものを、短く表現したものである。


【引用文献】
1.リン・マーギュリス (1999)『共生生命体の30億年』(中村桂子訳、草思社、日本語訳2000年).
2.Patel, M.R., Emerman, M., Malik, H.S. (2011) Paleovirology — ghosts and gifts of viruses past. Curr. Opin. Virol. 1, 304-309.
3.小林武彦(2017)『DNAの98%は謎 ― 生命の鍵を握る「非コードDNA」とは何か』講談社.
4.岡田典弘(2017)『科学者の冒険』クバプロ.
5.Nishihara, H., Smit, A.F.A., Okada, N. (2006) Functional noncoding sequences derived from SINEs in the mammalian genome. Genome Res. 16, 864-874.
6.Sasaki, T. et al. (2008) Possible involvement of SINEs in mammalian-specific brain formation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 4220-4225.
7.Gould, S.J., Vrba, E.S. (1982) Exaptation — a missing term in the science of form. Paleobiology 8(1), 4-15.
8.長谷川政美(2020)『進化38億年の偶然と必然』国書刊行会.
9.リチャード・O・プラム(2020)『美の進化』黒沢令子訳、白揚社.





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ブックデザイン:垣本正哉・堂島徹(D_CODE)

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長谷川政美監修・畠山泰英(科学バー)編集世界でいちばん素敵な進化の教室 (三才ブックス)。 本書は美しい写真とQ&A形式の簡潔な文章で、38億年におよぶヒトを含む生き物の進化を解説した超入門ビュアルブックです。子供から大人まで気軽に楽しんでいただけます。




【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
第4話 SARS-CoV-2の起源
第5話 SARS-CoV-2の今後
第6話 ヒト・コロナウイルスの進化
第7話 コロナウイルス科の進化
第8話 動物からはじまったウイルス感染症
第9話 ヒトと感染症の歴史
第10話 古代DNA解析とミイラの天然痘ウイルス
第11話 モルビリウイルス
第12話 種の壁を超えたモルビリウイルスの感染
第13話 コウモリ由来のウイルス感染症
第14話 なぜコウモリを宿主とするウイルスが多いのか
第15話 微生物叢が作るわが内なる小宇宙
第16話 宿主の行動を操るウイルス
第17話 アルボウイルスの正体
第18話 インフルエンザウイルスの進化
第19話 マイナス鎖RNAウイルスの進化
第20話 ウイルスとは何か
第21話 生命の樹と巨大ウイルス
第22話 古い起源をもつウイルス