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20話

ウイルスとは何か

文と写真　長谷川政美

これまでコロナウイルスをはじめとしたヒトの病原体としてのウイルスを中心に紹介してきた。ここで、生物進化全体の中でのウイルスの位置について考えてみよう。

◎結晶化するウイルス

1935年にアメリカ・ロックフェラー研究所のウェンデル・スタンリー（図20-1）は、タバコモザイクウイルスを結晶化させることに成功した（図20-2）。この結晶を10億倍に薄めてもウイルスは感染性を示した。

これに先立って1919年には同じ研究所のジョン・ハワード・ノースロップ（1891～1987）によって消化酵素ペプシンの結晶化が行なわれていた。
スタンリーはペプシンと同じように結晶化するタバコモザイクウイルスをたんぱく質だと考えたのである。サイエンス誌に載った彼の論文の表題は「タバコモザイクウイルスの性質をもった結晶性たんぱく質の単離」となっている(1)。
確かにスタンリーが考えたようにこのウイルスの大部分はたんぱく質によって構成されているが、イギリス・ロザムステッド試験場のフリードリック・ボーデンらは1936年に、たんぱく質以外に5％のリボ核酸RNAをもつことを示した(2)。
ただし、この時代はまだ遺伝物質としての核酸の重要性は認識されていなかった。ウイルスがRNAをもつことの重要性が明らかになるには、1944年にオズワルド・アベリーによって遺伝物質の本体がデオキシリボ核酸DNAであることが示され、さらに1953年にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによってDNAの二重らせんモデルが提唱されるまで待たなければならなかった。
このような時代背景による制約はあったが、結晶化するウイルスが感染力をもつというスタンリーの発見の意義は大きかった。
1838年にマティアス・シュライデンが、また翌年にはテオドール・シュワンが、それぞれ植物と動物が細胞から構成されていることを明らかにして以来、細菌も含めてすべての生物は細胞からできていると考えられるようになっていた。そのような生物の定義には当てはまらないが、生物の細胞中では活発に増殖する一方、結晶にもなるというウイルスは、生物と無生物の境界をあいまいにするものであった。

◎多様なウイルス

タバコモザイクウイルスで明らかになったように、ウイルスの構成成分の多くはたんぱく質であるが、遺伝物質としての核酸も必須の要素である。ただし、細胞をもつ生物では遺伝物質としては必ず二本鎖のDNAが使われているのに対して、この連載でこれまで見てきたように、ウイルスのもつゲノムは多様である。二本鎖DNA、一本鎖DNA、二本鎖RNA、一本鎖RNAなどである（図20-3）。

また一本鎖RNAウイルスでも、ゲノムがそのまま伝令RNAになるプラス鎖一本鎖RNAウイルスと、ゲノムが一度転写されてはじめて伝令RNAになるマイナス鎖一本鎖RNAウイルスとがある。
ただし、ここで述べているのはウイルス粒子の中におけるゲノムの形態についてであり、ゲノムが一本鎖DNAであっても複製の途中では二本鎖DNAにもなるし、遺伝情報の発現に際しては一本鎖RNAにもなる。また、プラス鎖一本鎖RNAゲノムをもつレトロウイルスは、二本鎖DNAにもなる。
ウイルスは生物の細胞中でしか増殖できないが、ウイルスはあらゆる種類の生物と共生（病原性、寄生も含め）している。真正細菌、古細菌、真核生物など地球上の生物の中で、ウイルスを共生させていない生物はいないと思われる。ただし、例えば古細菌ではこれまでRNAウイルスは見つかっていない。
ところが2012年に、アメリカ・イエローストーン国立公園の熱水の中にプラス鎖一本鎖RNAウイルスがいることが明らかになった(4)。この解析を行なった研究者たちによると、ここの熱水は生物としてはほとんど古細菌しか棲まない環境なので、「このRNAウイルスは古細菌と共生しているはずだ」というもので、ウイルスが実際に古細菌の中から見つかったわけではない。
メタゲノム解析といって、熱水のサンプル中に含まれるRNAの配列を片っ端から決めていくというやり方でRNAウイルスの遺伝子が見つかったということであり、本当に古細菌と共生しているウイルスかどうかについては異論もある。
いずれにしても、地球上の生物が生息するところならばどこにでもウイルスはいる。これまでに記載されている生物種はおよそ220万種であるが、まだ記載されていないものを含めると真核生物だけでも870万種になるという推定がある(5)。
今のところ、9つの門に属する220種の無脊椎動物から1445種のウイルスが検出されている(6)。それぞれの動物に共生するすべてのウイルスが検出されるわけではないので、少なくともこれ以上のウイルスがいるということになり、870万種の真核生物と共生するウイルスだけでも数千万種に達することになる。ところが、2020年8月現在で正式に登録されたウイルスは、6590種に過ぎない(7)。われわれはまだ多様なウイルスの世界のごく一部しか知らないのだ。

◎地球上のウイルスを並べると1億光年の長さ

海洋中のウイルスの数を合わせると、およそ3x10³⁰個になるという推定がある(8)。バイオマスでは細菌（原核生物）や単細胞真核生物などの微生物が全体の90％を占め、ウイルスはバイオマスではそれにおよばないが、数の上ではそれらを圧倒している。ウイルスは地球上で生物のいるところならば、どこにでもいて、生物細胞の数の1桁から2桁多い数になる。
地球上のウイルスの総数が10³¹個だとすると、それを並べたら1億光年の長さになるという(9)。ウイルスの平均の直径を0.1マイクロメートルとすると、１マイクロメートルは10^-6メートルだから、それを並べた全長は0.1x10^-6x10³¹= 10²⁴メートルになる。1光年は9.46x10¹⁵メートルだから、ウイルスを並べた長さをこれで割ると、10²⁴/(9.46x10¹⁵) ≒ 10⁸光年、つまり1億光年になる。
1億光年がどのくらいの長さかを実感するには、YouTube「１億光年までの旅　宇宙は想像を絶する大きさです」を見るとよい。
実は、地球上の細菌の総数はウイルスにくらべると一桁ほど少ないが、大きさは平均的には一桁ほど大きい（大腸菌で直径1マイクロメートル、長さ2マイクロメートル）ので、地球上の細菌を並べるとやはり1億光年くらいになる。

◎ウイルスとはそもそも何なのか

ウイルスは、あらゆる生物に対して大きな影響を与えている。細胞内に寄生して退化が進んでいるある種の細菌の中にはウイルスをもたないものもいるらしいが、それ以外にはウイルスを共生させていない生物はほとんどいないと思われる。
ここで「共生」という言葉を使ったが、これは「共に生きる」ということである。共生というと、協力や協調など平和的なイメージを思い浮かべるひとが多いかもしれないが、ここでは文字通り共に生きるという意味で使うことにする。従って、宿主と共生体の双方が利益を得るような「相利共生」も共生であるが、片一方しか利益を得ない「片利共生」や宿主に害を与える「寄生」や「病原性」も共生と見なすことができる。
双方が利益を得る相利共生であっても、宿主と共生体の間には絶えざるせめぎ合いがあり、条件が変わると寄生や病原性に変わることもあるのだ(10)。
あらゆる生物は細胞から構成されている。細菌、動物、植物、菌類、原生生物などすべての生物を構成する基本単位が細胞である。これらの生物はすべて二本鎖DNAのゲノムをもつ。生命活動で基本的に重要な役割を果たすたんぱく質は、このゲノム中の遺伝子にコードされており、発現される際にはまず情報が転写されて伝令RNAになり、リボソーム上でその情報に従ってたんぱく質が合成される。
塩基の配列である伝令RNAからアミノ酸配列のたんぱく質が合成されることを翻訳というが、この翻訳規則が遺伝コード表である。この一連の仕組みや遺伝コード表は、基本的にすべての生物で共通である。このことは、地球上の多様な生物が、一つの共通祖先から進化したことを示す。
実際には、いわゆる普遍コード表と違った遺伝コード表を使っている生物もいるが、それらはすべて普遍コード表のちょっとした変異に過ぎない。このことはむしろ普遍コード表を使っていた共通祖先の存在を強く示唆する。
あらゆる生物の最後の共通祖先は、「LUCA (the Last Universal Common Ancestor)」と呼ばれるが、細菌から動物、植物、菌類にいたるあらゆる生物はこのLUCAの子孫なのだ。
ところが、ウイルスはこのような生物とは大きく違っている。最大の違いは細胞をもたないことである。またウイルスはゲノムをもつがリボソームをもたないので、自分の力で遺伝情報の発現ができない。彼らは自分の力だけでは増殖できず、細胞内で宿主の力を借りてはじめて増殖できるのだ。そのため、通常ウイルスは生物とは見なされない。また、生物のゲノムはすべて二本鎖DNAなのに対して、ウイルスのゲノムは多様である。
細胞の増殖は二つに分裂することによって行われるが、ウイルスは細胞内で部品を組み立てることによって新しいウイルスが作られるので、細胞からはたくさんのウイルスが一度に飛び出してくる。
しかし、生物との共通点も多い。遺伝コード表は生物と同じものであり、ゲノムが多様だといっても、いずれも生物が使っているものである。これは、ウイルスが細胞内で宿主の力を借りて増殖するということから当然であるが、このような生物との相違点と共通点は、ウイルスの起源について何か手掛かりを与えてくれるのであろうか。このような点も含めてこれからウイルスの起源について考えてみよう。

◎ウイルスには共通遺伝子がない

生物の共通祖先としてはLUCAがいた。LUCAはリボソームで伝令RNAの情報に従ってたんぱく質を合成していた。その際には普遍コード表を使っていたと考えられる。
実際に、細菌から動物までのあらゆる生物を含む系統樹が、リボソームRNAというリボソームを構成する分子の配列データを用いて描かれている。この分子は細菌とヒトの間でも相同性が認められるのである。このほかにも細菌とヒトの間で相同な遺伝子はたくさんある。
一方、ウイルスのもつ遺伝子セットは多様であり、あらゆるウイルスに共通の遺伝子はない。またゲノムの形態も多様であり、RNAウイルスとDNAウイルスはそれぞれ別の起源をもつと考えられていた。ところが、1983年に当時九州大学にいた宮田隆らのグループが、マウス白血病ウイルスやラウス肉腫ウイルスなど一本鎖RNAのレトロウイルスの逆転写酵素をB型肝炎ウイルスやカリフラワーモザイクウイルスなど二重鎖DNAウイルスの複製酵素と配列をくらべたところ、これらが互いに相同であることが明らかになった(11)。
つまり、これら全く違ったウイルスだと思われたものが、共通の由来の遺伝子をもっていることが明らかになった。もちろん共通の遺伝子をもつからといって、必ずしも共通の祖先から進化したことにはならないが、多様なウイルスを進化的に結びつける手掛かりが得られたのだ。

つづく

【引用文献】
1. Stanley, W.M. (1935) Isolation of a crystalline protein possessing the properties of tabacco-mosaic virus. Science 81, 644-645.
2. Bawden, F. C. et al. (1936). Liquid crystalline substances from virus-infected plants. Nature 138, 1051-1052.
3. Ahlquist, P. (2006) Parallels among positive-strand RNA viruses, reverse- transcribing viruses and double-stranded RNA viruses. Nature Rev. Microbiol. 4, 371-482.
4. Bolduc, B. et al. (2012) Identification of novel positive-strand RNA viruses by metagenomics analysis of Archaea-dominated Yellowstone hot springs. J. Virol. 86, 5562-5573.
5. Mora, C. et al., (2011) How many species are there on Earth and in the ocean? PLoS Biol. 9(8), e1001127.
6. Shi, M. et al. (2016) Redefining the invertebrate RNA virosphere. Nature 540, 539-543.
7. International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) (2020) https://talk.ictvonline.org/taxonomy/vmr/m/vmr-file-repository/10312
8. Suttle, C.A. (2005) Viruses in the sea. Nature 437, 356-361.
9. Editorial (2011) Microbiology by numbers. Nature Rev. Microbiol. 9, 628.
10. 長谷川政美（2020）『共生微生物からみた新しい進化学』海鳴社．
11. Toh, H., Hayashida, H., Miyata, T. (1983) Sequence homology between retroviral reverse transcriptase and putative polymerases of hepatitis B virus and cauliflower mosaic virus. Nature 305, 827-829.