新型コロナウイルス寄稿論文(『生物の科学 遺伝』Special)

新型コロナウイルスの起源と進化

 

鈴木 善幸

Yoshiyuki Suzuki

名古屋市立大学大学院理学研究科教授

2019年12月からパンデミックを起こしている新型コロナウイルスは,自然宿主から中間宿主を経てヒトに種間伝播する過程で,ヒト受容体タンパク質との結合親和性を上昇させてきたようである。エマージングウイルスの予測には,自然界のウイルスとヒト受容体候補分子との結合親和性の監視が有効と考えられる。

 

 201912月に中華人民共和国湖北省武漢市において,新型コロナウイルスすなわち重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2severe acute respiratory syndrome coronavirus 2SARS-CoV-2)による肺炎(coronavirus disease 2019COVID-19)が発生した。その後,SARS-CoV-2はパンデミックを起こし,2020414日現在213の国と地域において1,812,734人の感染と113,675人の死亡が確認されている1)

 SARS-CoV-2は,ニドウイルス目コルニドウイルス亜目コロナウイルス科オーソコロナウイルス亜科ベータコロナウイルス属サーベーコウイルス亜属に分類される2)3)。サーベーコウイルス亜属には,200211月に中華人民共和国広東省で発生し,20037月にかけて37の国と地域において8,150人に感染して774人を死亡させた重症急性呼吸器症候群コロナウイルス(severe acute respiratory syndrome coronavirusSARS-CoV)も含まれる。

 SARS-CoV-2の粒子は直径50-200 nmで外被に囲まれている。ゲノムは29.9 kbの線状プラス一本鎖RNAであり,2020414日現在8,053本が解読されている4)SARS-CoV-2SARS-CoVとゲノム全体で塩基配列が79%一致しており,いずれもアンジオテンシン変換酵素2angiotensin-converting enzyme 2ACE2)を受容体としている5)6)。外被表面の突起を形成する糖タンパク質であるスパイク(spikeS)はホモ3量体となり,フューリンによってS1サブユニットとS2サブユニットへの開裂を受ける。S1サブユニットは受容体結合ドメイン(receptor-binding domainRBD)を介してACE2に結合し,S2サブユニットはTMPRSS2transmembrane protease, serine 2)で切断され膜融合を起こす。RBD6アミノ酸がACE2との結合に重要と考えられているが,SARS-CoV-2L455F486Q493S494N501Y505)ではSARS-CoVY442L472N479D480T487Y491)と5アミノ酸で異なり,ACE2との結合親和性が上昇している7)8)。また,SARS-CoV-2S1サブユニットとS2サブユニットの開裂部位には,SARS-CoVにはない塩基性に富んだアミノ酸(PRRA)が挿入されており,フューリンによる開裂を受けやすいと考えられている。さらに,SARS-CoV-2S1サブユニットのN末端ドメインには,SARS-CoVにはないアミノ酸の挿入があり,シアル酸結合能を有する可能性が示唆されている。

 サーベーコウイルス亜属において,SARS-CoV-2に最も近縁なのは,ナカキクガシラコウモリ(Rhinolophus affinis)から分離された株(RaTG13)であり,ゲノム全体での塩基配列の一致度は96%である。しかしながら,RBDでの一致度はアミノ酸配列レベルで89%であり,ACE2との結合に重要な6アミノ酸のうち5アミノ酸が異なっている。そのためRaTG13RBDはヒトACE2に結合するものの,SARS-CoV-2よりも結合親和性が低い9)10)。一方,マレーセンザンコウ(Manis javanica)から分離された株(GD/P1LGD/P2S)は,SARS-CoV-2に対してゲノム全体での塩基配列の一致度は92%であるが,RBDでの一致度はアミノ酸配列レベルで97%であり,ACE2との結合に重要な6アミノ酸が完全に一致している。これらの観察結果から,SARS-CoV-2は,コウモリなどを自然宿主とするサーベーコウイルスが,センザンコウなどの中間宿主を経てヒトに種間伝播する過程で,GD/P1LGD/P2Sのような株とRBDにおけるゲノム組換えまたは収斂進化を起こすことで産生されたと考えられている11)12)13)。中間宿主は不明であるが,SARS-CoV-2はネコでは上気道と下気道で増殖して飛沫感染すること,フェレットでは上気道で増殖すること,イヌは感受性が弱く,ブタ,ニワトリ,カモは感受性がないことが示されている14)。また,マレーキクガシラコウモリ(R. malayanus)から,S1サブユニットとS2サブユニットの開裂部位にアミノ酸(PAA)の挿入がある株(RmYN02)が分離されている15)

 SARS-CoV-2は,おもにヒトACE2との結合親和性を上昇させることによって効率よくヒト-ヒト感染できるようになり,パンデミックを起こした可能性が考えられる。このように,ヒトに感染性のないウイルスであっても,宿主特異性が受容体依存的である場合には,ヒト受容体との結合親和性を上昇させる変異が生じることでエマージングウイルスとなりうる16)17)。実際,中東呼吸器症候群コロナウイルスや麻疹ウイルスでは,受容体タンパク質の受容体結合タンパク質との結合親和性と受容体活性の間に正の相関がみいだされている18)19)20)。したがって,エマージングウイルスの予測には,自然界のウイルスとヒト受容体候補分子との結合親和性の監視が有効と考えられる。

(2020/4/14)

文献:

 1) World Health Organization. Coronavirus disease 2019, 取得日2020414<https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019> (2020).

2) Gorbalenya, A.E. et al. The species Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nat. Microbiol. 5, 536-544, doi:10.1038/s41564-020-0695-z (2020).

3) Lu, R. et al. Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. Lancet 395, 565-574, doi:10.1016/S0140-6736(20)30251-8 (2020).

4) Global Initiative on Sharing All Influenza Data. Next hCoV-19 App, 取得日2020414<https://www.gisaid.org/epiflu-applications/next-hcov-19-app/> (2020).

5) Wu, F. et al. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature 579, 265-269, doi:10.1038/s41586-020-2008-3 (2020).

6) Zhou, P. et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 579, 270-273, doi:10.1038/s41586-020-2012-7 (2020).

7) Wrapp, D. et al. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science 367, 1260-1263, doi:10.1126/science.abb2507 (2020).

8) Yan, R. et al. Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2. Science 367, 1444-1448, doi:10.1126/science.abb2762 (2020).

9) Lan, J. et al. Structure of the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain bound to the ACE2 receptor. Nature (in press) doi:10.1038/s41586-020-2180-5 (2020).

10) Shang, J. et al. Structural basis of receptor recognition by SARS-CoV-2. Nature (in press) doi:10.1038/s41586-020-2179-y (2020).

11) Forster, P., Forster, L., Renfrew, C, Forster, M. Phylogenetic network analysis of SARS-CoV-2 genomes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (in press) doi:10.1073/pnas.2004999117.

12) Lam, T.T.-Y. et al. Identifying SARS-CoV-2 related coronaviruses in Malayan pangolins. Nature (in press), doi:10.1038/s41586-020-2169-0 (2020).

13) Liu, P. et al. Are pangolins the intermediate host of the 2019 novel coronavirus (2019-nCoV)? bioRxiv 2020.2002.2018.954628, doi:10.1101/2020.02.18.954628 (2020).

14) Shi, J. et al. Susceptibility of ferrets, cats, dogs, and other domesticated animals to SARS-coronavirus 2. Science (in press) doi:10.1126/science.abb7015 (2020).

15) Zhou, H. et al. A novel bat coronavirus reveals natural insertions at the S1/S2 cleavage site of the Spike protein and a possible recombinant origin of HCoV-19. bioRxiv 2020.2003.2002.974139, doi:10.1101/2020.03.02.974139 (2020).

16) Suzuki, Y. Ancient positive selection on CD155 as a possible cause for susceptibility to poliovirus infection in simians. Gene 373, 16-22, doi:10.1016/j.gene.2005.12.016 (2006).

17) Guix, S. et al. Norwalk virus RNA is infectious in mammalian cells. J. Virol. 81, 12238-12248, doi:10.1128/JVI.01489-07 (2007).

18) van Doremalen, N. et al. Host species restriction of Middle East respiratory syndrome coronavirus through its receptor, dipeptidyl peptidase 4. J. Virol. 88, 9220–9232, doi:10.1128/JVI.00676-14 (2014).

19) Suzuki, Y. Predicting receptor functionality of signaling lymphocyte activation molecule for measles virus hemagglutinin from docking simulation. Microbiol. Immunol. 61, 185-189, doi:10.1111/1348-0421.12484 (2017).

20) Xu, F., Tanaka, S., Watanabe, H., Shimane, Y., Iwasawa, M., Ohishi, K., Maruyama, T. Computational analysis of the interaction energies between amino acid residues of the measles virus hemagglutinin and its receptors. Viruses 10, 236, doi:10.3390/v10050236 (2018). 

鈴木 善幸 

 

Yoshiyuki Suzuki

名古屋市立大学大学院理学研究科教授

略歴

1995年,秋田大学医学部医学科卒業。1999年,秋田大学大学院医学研究科修了。博士(医学)・博士(理学)。日本学術振興会特別研究員(PD),ペンシルバニア州立大学研究員・客員研究員,国立遺伝学研究所生命情報・DDBJ研究センター助教を経て,2010年より現職。専門分野は分子進化学。日本進化学会研究奨励賞・日本遺伝学会奨励賞(2006年)受賞。主な著書に,突然変異主導進化論 (共訳, 丸善出版, 2019)。