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。
これまで内在性レトロウイルスがウイルスの化石としてさまざまな生物のゲノムに組み込まれていることを見てきた。さらに前回は、内在性レトロウイルスが哺乳類の胎盤を進化させるうえで重要な働きをしたことを紹介した。一方で、レトロウイルス以外のウイルスでも宿主ゲノムに内在化することが知られるようになってきた。
大阪大学微生物病研究所の堀江真行と朝長啓造らのグループは、マイナス鎖一本鎖RNAウイルスであるボルナウイルスの遺伝子の一部が、ヒトなど多くの哺乳類のゲノムに内在化していることを発見した(5,6)。レトロウイルスには生活環の中で宿主のゲノムに組み込まれる段階があるので、内在化することは自然に理解できるが、通常の生活環の中でDNAの段階を経ることのないレトロウイルス以外のRNAウイルスでも内在化するという発見は意外であった。増殖に際してDNAを経る必要のないRNAウイルスが、生殖細胞に感染しゲノム中に内在化して子孫に遺伝するようになっているのだ。
ボルナウイルスに感染した細胞内でウイルスのRNAを鋳型とするDNAが作られていて、それが宿主のゲノムに組み込まれることも確かめられている。真核生物にはレトロトランスポゾンによってコードされた逆転写酵素があるので、それによってRNAを鋳型とするDNAが作られているのだ(7)。しかも核内で増殖するので、DNAが宿主のゲノムに組み込まれやすい条件がそろっている。
ボルナウイルスは細胞核で複製を行なうが、そのゲノムはおよそ8900塩基のRNAであり、6つの遺伝子をコードしている。そのうちの一つがN遺伝子でNたんぱく質というカプシドたんぱく質をコードしている。このN遺伝子がヒトのゲノムに組み込まれて内在化しているのである。そのような内在化は、図25-1で示すようにヒト以外のさまざまな哺乳類でも見られるが、哺乳類の多くの系統でそれぞれ独立に起こっているのである。ヒトの内在性ウイルス配列はマーモセットなど新世界ザルでも見られるので、真猿類の共通祖先で内在化が起こったと考えられる。
哺乳類の内在性ボルナウイルス様配列の中には、その遺伝子内にたくさんの終止コドンが入ってコード領域が分断されて偽遺伝子(機能をもつたんぱく質をコードできない遺伝子)になっているものもある。ところが、ヒトの第10染色体と第3染色体に存在する内在性ボルナウイルス様配列には比較的長いコード領域が保持されている(6)。終止コドンで分断されないたんぱく質コード領域のことをORF(Open reading frame)というが、長いORFを保持していて、たんぱく質として発現しているものもある。
このように内在性ウイルス様配列の中には長いORFが保持されているものがあるということは、何を意味するのであろうか。機能をもたない配列ならば、突然変異で終止コドンが入ってORFが分断されてもなんら差支えがないのに、ヒトの配列は4000万年以上も前に内在化したのにORFが保存されているということは、この配列がなんらかの機能をもっていることを示唆する。
第17話で紹介したヤブカ属(Aedes)の蚊が媒介するデングウイルスに対して、ウイルス由来の内在性配列が蚊に耐性を与えているという(8)。内在性配列が転写されてできるRNAがウイルスのRNAに干渉して、ウイルスの増殖を阻害すると考えられる。ヒトに対しては高病原性のウイルスもそれを媒介している蚊に対してはなんら病原性を示さないように見えるが、それは長い共進化の歴史を通じて達成された宿主・共生体の関係なのである。蚊とウイルスが最初に出会った頃には、重篤な病気を引き起こしていたものが、蚊のほうで内在化させたウイルスDNAを利用してウイルスに対処する方法を進化させたものかもしれない。
ヒトの内在性ボルナウイルス様配列でORFが保存されているということは、ヒトもこれによって何らかの機構でウイルスの感染に対処しているのかもしれない。図25-1でボルナウイルスN遺伝子の内在化が、哺乳類のさまざまな系統で独立に何回も起こったことを示した。そのことは、哺乳類の中には内在性ボルナウイルス様配列をもたない系統もあることを意味する。
内在性配列をもつ動物ではボルナウイルスに感染しにくいか、あるいは感染しても軽症ですむのに対して、そのような配列をもたない動物では、重篤な症状に陥る傾向があるという(図25-2)(9)。進化の過程でボルナウイルスに遭遇した系統ではウイルスに対する対処法が進化したが、最近までそのようなウイルスに出会ったことのなかった系統では進化する機会がなかったということかもしれない。
第23話でレトロウイルスが内在化したと考えられるLTR型レトロトランスポゾンを紹介した。このような配列はヒトのゲノムの8%を占める。その中で数百万年も前に内在化したにもかかわらず、ORFが保存されているものがある。マウスやニワトリでは、内在性レトロウイルス様配列から発現するエンベロープたんぱく質が細胞表面の受容体とマウス白血病ウイルスや鳥白血病ウイルスなどのレトロウイルスとの相互作用を阻害して、ウイルスの感染を防ぐという(10)。
内在性ウイルス様配列はウイルスの感染を防ぐ機能をもっているだけでなく、ウイルスの進化について研究する際の手掛かりを与えてくれる化石のような役割も果たしている。一般にウイルスゲノムの進化速度は宿主のゲノムにくらべてはるかに高いので、第2話で紹介したように、SARS-CoV-2の進化をほとんどリアルタイムで追跡することができる。そのことは逆に、系統樹を地質学的に古い時代まで遡ることを困難にしている。一つの塩基座位に繰り返し置換が蓄積する多重置換のために、系統樹を遡ると次第にはっきりしなくなるのである。ところが内在性ウイルス様配列ならば宿主ゲノムと同じ突然変異率なので古い時代にまで遡ることを可能にしてくれる。
図25-1で、例えば真猿類の内在性ボルナウイルス様配列は、あらゆる真猿類がもっているので、その内在化は4000万年以上前にいた真猿類の共通祖先で内在化したことが明らかである。しかもその配列は宿主ゲノムと同じ速度で進化してきたものだから、およそ4000万年間の進化の様子を追うことができるのだ。
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構成:畠山泰英(科学バー/キウイラボ)
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ブックデザイン:西田美千子
イラスト:ちえちひろ
編集:畠山泰英(科学バー/キウイラボ)
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編集:畠山泰英(科学バー/キウイラボ)
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ブックデザイン:垣本正哉・堂島徹(D_CODE)
編集:畠山泰英(科学バー/キウイラボ)
【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