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29話

ウイルスの起源

文と写真 長谷川政美

生物はゲノムを複製し、その際に生じる突然変異に対して自然選択が働くことによって子孫を増やすような形質が進化する。そのように複製を繰り返しながら進化するものを複製子という(第1話)。
ウイルスは生物の細胞の中でしか増殖できないが、ウイルスもまさに自分の子孫を増やすように進化する複製子であり、一つの祖先からさまざまな子孫が生まれる様子は、細胞をもった生物と変わらない。
これまで個々のウイルスの進化的な起源を論じることはあったが、ウイルス全体の起源は扱ってこなかった。今回は、ウイルスの起源の問題をもう少し統一的に扱ってみよう。

◎細胞性生物の起源

第21話で紹介したように、現存生物はすべて真正細菌、古細菌、真核生物のいずれかのグループに分類される。これらはいずれも細胞で作られているので、「細胞性生物」とも呼ばれる。細胞性生物のゲノムはすべてDNAであり、その情報を RNAとして転写し、それがリボソーム上でたんぱく質に翻訳される仕組みも共通である。
生物を構成する材料としては、DNA、RNAそしてたんぱく質が重要であるが、もう一つ生物を構成する材料として重要なのが脂質である。これは細胞膜を作る。細胞膜のような袋がなければ、せっかくいろいろな分子を揃えても周りに拡散してしまって、生物としてのまとまりを保てないのである。
現在の生物はすべてこれら四種類の分子を全部もっているが、それが一度に揃うことはないだろうから、進化の過程で順次加わったと考えられる。その中で最初の分子はRNAだったという「RNA世界(RNA ワールド)」仮説がある。
現存生物では、たいていたんぱく質が酵素の働きをしているが、1982年にアメリカ・コロラド大学のトーマス・チェックによって、酵素活性をもつ RNA が発見されたことから浮上してきた考えである。それまでは酵素活性はたんぱく質だけがもつと思われていたが、RNA にもあることが分かったのである。
RNA はA(アデニン)、U(ウラシル、DNA では代わりにTチミン)、G(グアニン)、C(シトシン)の四種類の塩基をもつが、DNA の二重らせん構造を保つ力と同じく、 A と U、 G と C は相補的な水素結合で引きつけ合うので(図29-1)、図29-2が示すように自己複製できる可能性がある。
DNA塩基のA と T、 G と C の間の引きつけ合う力が、DNAが自身のコピーを作る基礎になっているが、RNA塩基にも同様の性質があるのだ。

図29-1 DNA塩基のアデニン(A)とチミン(T)、グアニン(G)とシトシン(C)の間の特異的塩基結合対(ワトソン・クリック塩基対ともいう)。点線は水素結合を表わすが、これがDNA の二重らせん構造を保つとともに、DNAが複製し、伝令RNAに転写される際の化学構造上の基盤を与えている。RNAではチミン(T)の代わりに、メチル基(CH3-)が水素(H-)に置き換わったウラシル(U)が使われるが、UもTと同じようにAと特異的塩基結合対を作る。


図29-2 DNAの複製。もとのDNA二本鎖がほどけて(親鎖)ワトソン・クリック塩基対の規則で相補的な新しい鎖(娘鎖)ができる。

たんぱく質は酵素活性をもつが、自己複製できないということが、生命の起源を考える際の大きな障壁になっていた。ところが、自己複製しうるRNAが酵素活性ももつということから、 生物進化への最初の段階が、RNA 世界だったと考えられるようになったのだ。自己複製するRNAは複製の際にエラーを起こすから、そうして生じた変異体に対してダーウィンとウォーレスが最初に提唱した「自然選択」が働く。
RNAが自己複製するためには材料となる塩基などの分子が必要であるが、そのような材料は量的に限られているので、競争が起こり、効率よく材料を取り込んで複製できるような変異体が有利になる。
つまり、そこで生物のように進化する最初のシステムが生まれたのだ。そこにたんぱく質、 DNA、脂質などが加わって現在の生物が進化したのであろう。
ここで膜に囲まれた袋のような構造がないと、RNA の材料が拡散してしまう。脂質二重層の膜がつくる袋状の構造体は、無生物的にできやすかったと考えられる。生体膜をつくるリン脂質分子は水になじみやすい部分(親水基)と油になじみやすい部分(疎水基)から構成されている。
このような分子をたくさん水の中に入れると、図29-3のように、親水性の部分が水のある外側に並び、水とは反発する疎水性の部分がファンデルワールス力で引き合って内側に並んで、膜の二重層ができる。


図29-3 リン脂質分子が作る脂質二重膜。

従って、最初のRNA 世界は脂質二重膜で囲まれた細胞のようなものだったかもしれない。ウイルス起源に関する考えを示す図29-4では、RNA 世界は細胞前の世界としたが、それは現在のような細胞が成立する前ということである。脂質二重膜は現在の細胞膜の基本的構造でもある。

図29-4 細胞性生物の進化と、それに関連するウイルスの起源に関する三つの考え(文献〔1〕のFig. 17.7)。LUCAは現生の細胞性生物すべての最後の共通祖先であるから、現生生物すべてに共通する特徴はもっていたと思われる。

◎ウイルスの起源に関する三つの考え

細胞に感染する前のウイルスをウイルス粒子(virion)というが、ウイルス粒子は通常DNAあるいはRNAのゲノムがカプシドというたんぱく質で囲まれた状態にある(図29-5)。その外側がさらにエンベロープと呼ばれる外被に覆われるウイルス粒子もある。エンベロープを持たないウイルス粒子は、裸のウイルスあるいはヌクレオカプシドと呼ばれる。

図29-5 細胞に感染していない状態のウイルスであるウイルス粒子(virion)の構造の模式図。感染して細胞内に入るとこのような構造は消えてしまう。ゲノムはDNAでなく、RNAのこともある。ゲノムがたんぱく質の殻であるカプシドで囲まれた状態がウイルス粒子の基本構造であり、脂質二重膜のエンベロープをもたないウイルス粒子もある。コロナウイルスやインフルエンザウイルスにはエンベロープがあるが、ポリオウイルスやノロウイルスはこれをもたない。

ウイルスの起源については三つの考えがある(1)。一つは、ウイルスは「細胞前の世界」の名残だというものである。その頃のRNAやDNAなどの核酸がカプシドを獲得してウイルスになったというものだ(図29-4の①)。
別の考えは、ウイルスが細胞性生物の退化したものであるというものである(図29-4の②)。三番目の考えは、細胞生物のゲノムの一部あるいはRNAが独立してウイルスになったというものである(図29-4の③)。これら二つは、ウイルスが現在のような細胞が確立した後に生まれたというものであるから、「細胞後の世界」の出来事になる。
これらの仮説は、そのうちのどれか一つだけが正しいというものではなく、さまざまな起源をもったウイルスがいるのかもしれない。
第22話で二本鎖DNAウイルスの巨大ウイルス(NCLDV)が初期の真核生物から進化した可能性を紹介したが、これは細胞性生物の細胞が退化したか(図29-4の②)あるいは細胞性生物のDNAが独立した(図29-4の③)ものであることを意味する。

◎RNAウイルスの進化

すべての細胞性生物はリボソームRNA(rRNA)遺伝子という共通の遺伝子をもっている。このRNAはたんぱく質合成工場であるリボソームを構成する分子であり、大きさ(RNAの長さ)が違うために真核生物の場合は18SrRNA、真正細菌や古細菌では16SrRNAと別の名前で呼ばれるが、配列間の相同性はヒトと細菌の間でもはっきりと認められるものであり、あらゆる生物の最後の共通祖先LUCAに由来することが明らかである。
従ってこのrRNA遺伝子を用いて全生物界の系統樹を描くことができる。ところが、ウイルスにはリボソームがなく、あらゆるウイルスに共通の遺伝子がないために、全ウイルス界の系統樹を描くことはできないのだ。
それでも第19話では、RNA依存RNAポリメラーゼ遺伝子 (RdRp)によって多様なマイナス鎖RNAウイルスの系統樹が描かれることを紹介した。マイナス鎖RNAウイルスに限らず、この遺伝子はRNAウイルスに普遍的に見いだされるものであるから、この遺伝子の系統樹解析によってRNAウイルス全体の進化を調べることができる。
ただしここで「RNAウイルス」とはゲノム複製や遺伝子発現に際してDNAが関与しないウイルスを意味するもので、レトロウイルスは含まない。このようなRNAウイルスは、細胞前世界のRNA世界の名残なのかもしれない。
図29-6は、この遺伝子を用いてRNAウイルス全体の系統樹を描いたものである(2)。 

図29-6 RNAウイルスのRNA依存RNAポリメラーゼ(RdRp)と非LTR型レトロトランスポゾンの逆転写酵素の遺伝子配列データから描かれた系統樹。文献(2)の図をもとに作成。原論文では4,617種類のRNAウイルスのRdRp遺伝子の系統樹が得られているが、この図はそれを簡略化して示したものである。青色、緑色、ピンク色の枠で囲まれたウイルスは、それぞれ二本鎖RNAウイルス、マイナス鎖一本鎖RNAウイルス、プラス鎖一本鎖RNAウイルス。①~⑤で示したそれぞれのグループのまとまりは強く支持される。ただし、⑤で示したマイナス鎖RNAウイルスのグループは、④で示したプラス鎖RNAウイルスの内部から派生している。また②で示したプラス鎖RNAウイルスのグループの内部から派生した二本鎖RNAウイルスのグループもある。このことは、二本鎖RNAウイルスはプラス鎖RNAウイルスから少なくとも2回進化したことを示す。さらにマイナス鎖RNAウイルス(グループ⑤)は二本鎖RNAウイルスから進化した。

二本鎖RNAウイルス、プラス鎖一本鎖RNAウイルス、マイナス鎖一本鎖RNAウイルスなどの多様なRNAウイルスが一本の系統樹上で進化してきた様子が分かる。この図によると、プラス鎖RNAウイルスが系統樹上で最も広く分布しており、その中から二本鎖RNAウイルスが少なくとも2回進化したことになる。プラス鎖RNAウイルスのグループ②の中から進化した植物や菌類のウイルスであるパルティティウイルスや植物ウイルスのアマルガウイルス、またプラス鎖RNAウイルスのグループ③と共通の祖先から進化したグループ④の二本鎖RNAウイルスである。
さらに後者の二本鎖RNAウイルスの中から、マイナス鎖RNAウイルスのグループ⑤が進化した。こうして第19話の図19-3で紹介したインフルエンザウイルス(オルトミクソウイルス科)、ラッサウイルス(アレナウイルス科)、モルビリウイルス(パラミクソウイルス科)、エボラウイルス(フィロウイルス科)、狂犬病ウイルス(ラブドウイルス科)など多様なマイナス鎖RNAウイルスの進化が、RNAウイルス全体の進化の中で位置づけられることになった。
プラス鎖RNAウイルスでは、同じRNA分子がゲノムとしても伝令RNAとしても機能するということであり、それが祖先型ウイルスだということは納得しやすい。ゲノムがそのまま伝令RNAになって細胞内でウイルスたんぱく質が合成されるので、ウイルス粒子はゲノムとカプシドなどの構造たんぱく質しかもたなくてもよい。
それに対して、マイナス鎖RNAウイルスや二本鎖RNAウイルスは、転写や複製のための酵素たんぱく質をウイルス粒子の中に備えておく必要がある。
図29-6は、そのような新たな特徴をもったRNAウイルスは、祖先型のプラス鎖RNAウイルスから進化したことを示しているのだ。 真核生物は多様なRNAウイルスを抱えているが、原核生物ではウイルスの多くはDNAウイルスであり、RNAウイルスの多様性は限られている。原核生物のRNAウイルスとしては、プラス鎖RNAウイルスのレビウイルス科と二本鎖RNAウイルスのシストウイルス科が知られているだけで、マイナス鎖RNAウイルスは見つかっていない。
図29-6はRNA依存RNAポリメラーゼ遺伝子 (RdRp)によって描かれた系統樹であるが、別の遺伝子を使えば違った系統樹になるであろう。しかし、あらゆるRNAウイルスに共通した遺伝子は、このRdRpしかないのだ。
RNAウイルス系統樹の根元近くに位置するグループ①の中で、菌類に感染するウイルスであるミトウイルスやナルナウイルスはRdRp遺伝子しかもたないし、レビウイルス科のMS2ファージもRdRp遺伝子以外にはカプシドたんぱく質遺伝子など3個の遺伝子しかもたない。そのようなものがRNAウイルスの祖先型だった可能性がある。そのようなものがさまざまな遺伝子をほかから取り込んで、多様なウイルスに進化したのかもしれない。
2020年に、環境中の核酸分子を網羅的に調べる大規模なメタゲノム解析による中国揚子江の河口近くの洋山深水港での汽水中のウイルス叢(virome; 特定の領域に存在するウイルスの総体)の研究成果が発表された(3)。これにより、それまでに知られていなかった4,500種以上のRNAウイルスが新たに見つかった。この数はそれまでに知られていたウイルスの全種数に匹敵するものである。 2018年の時点で知られていたウイルスは4,853種だけだったのだ(4)。
一つの環境に存在するウイルスがこれほど多いということは、思いがけない発見であった。このことはウイルスに関するわれわれの知識がいかに限られたものであるかを如実に示している。しかしそれでも、それら新たに見つかったウイルスはすべて図29-6で示した5つの主要な系統群のいずれかに属するものである。

つづく



【引用文献】
1.1. Lostroh, P. (2019) Molecular and Cellular Biology of Viruses. CRC Press.
2. Wolf, Y.I. et al. (2018) Origins and evolution of the global RNA virome. mBio 9, e02329-18.
3. Wolf, Y.I. et al. (2020) Doubling of the known set of RNA viruses by metagenomic analysis of an aquatic virome. Nature Microbiol 5, 1262–1270.
4. King, A.M. et al. (2018) Changes to taxonomy and the International Code of Virus Classification and Nomenclature ratified by the International Committee on Taxonomy of Viruses (2018). Arch. Virol. 163(9), 2601-2631.

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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
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
第23話 私たちのゲノムに潜むウイルス
第24話 動物進化に寄与したウイルス
第25話 内在性ボルナウイルス様配列
第26話 内在性ウイルス
第27話 泡沫状ウイルスと宿主哺乳類の共進化
第28話 ウイルスの突然変異率