ウイルスがついにその複雑な社会生活を明らかにする |クアンタマガジン

1800 年代後半にウイルスが発見されて以来、科学者たちはウイルスを他の生命体とは区別してきました。ウイルスは細胞よりもはるかに小さく、タンパク質の殻の中に遺伝子以上のものを持っていました。彼らは成長することも、自分の遺伝子をコピーすることも、ほとんど何もすることができませんでした。研究者らは、各ウイルスは世界中を単独で漂う孤立粒子であり、それを取り込むことができる適切な細胞にたまたまぶつかった場合にのみ複製できると考えた。

そもそも多くの科学者がウイルスに惹かれたのはこの単純さだった、と述べた。 マルコ・ヴィグヌッツィ、シンガポール科学技術庁感染症研究所のウイルス学者。 「私たちは還元主義になろうとしていました。」

その還元主義が功を奏した。ウイルスの研究は現代生物学の誕生に不可欠でした。彼らは細胞の複雑さを欠いているため、遺伝子がどのように機能するかについての基本的な規則を明らかにしました。しかし、ウイルス還元主義には代償が伴う、とヴィグヌッツィ氏は言う。「ウイルスを単純なものだと思い込むことで、ウイルスがまだ知らない方法で複雑である可能性が見えなくなる。」

たとえば、ウイルスを遺伝子の孤立したパッケージと考えると、ウイルスが社会生活を営んでいると想像するのはばかげています。しかし、ヴィグヌッツィ氏と志を同じくする新しいウイルス学者たちは、それがまったく不合理だとは考えていない。ここ数十年で、ウイルスが孤独な粒子である場合には意味をなさない、ウイルスの奇妙な特徴がいくつか発見されました。彼らは代わりに、ウイルスの驚くほど複雑な社会世界を明らかにしています。研究者たちが時々そう呼ぶ社会ウイルス学者は、ウイルスはコミュニティのメンバーとしてのみ意味をなすと信じています。

確かに、ウイルスの社会生活は他の種の社会生活とはまったく異なります。ウイルスは人間のようにソーシャルメディアに自撮り写真を投稿したり、フードバンクでボランティア活動をしたり、個人情報窃盗を行ったりはしません。彼らはヒヒのように群れを支配するために仲間と争うことはありません。ミツバチのように女王蜂に栄養を与えるために花蜜を集めることはありません。一部の細菌のように、一般的な防御のためにぬるぬるしたマットに固まることもありません。それにもかかわらず、社会ウイルス学者は、ウイルスは 騙し、協力し、交流する 他の方法でウイルスの仲間と。

社会ウイルス学の分野はまだ歴史が浅く、小さいです。ウイルスの社会生活に特化した最初の会議は 2022 年に開催されました。 2番目の 今年50月に開催されます。総勢XNUMX名が参加予定です。それでも、社会ウイルス学者は、彼らの新しい分野の影響は深刻である可能性があると主張している。ウイルスを互いに分離して考えると、インフルエンザのような病気は意味がありません。そして、ウイルスの社会生活を解読できれば、ウイルスが引き起こす病気と戦うためにそれを利用できるかもしれません。

アンダー・アワー・ノーズ

ウイルスの社会生活に関する最も重要な証拠のいくつかは、ほぼ 1930 世紀にわたり、はっきりと見える場所にありました。 XNUMX 年代初頭にインフルエンザ ウイルスが発見された後、科学者たちは、ウイルスを鶏卵に注射し、その中で増殖させることでウイルスの株を増やす方法を発見しました。研究者らは、新しいウイルスを研究用の実験動物に感染させるために使用したり、新しいウイルスを増殖し続けるために新しい卵に注入したりすることができる。

1940年代後半、デンマークのウイルス学者プレベン・フォン・マグナスはウイルスを増殖させていたところ、何か奇妙なことに気づきました。ある卵で生成されたウイルスの多くは、別の卵に注入しても複製できませんでした。感染の 10,000 サイクル目までに、まだ複製できるウイルスは XNUMX 個に XNUMX 個だけでした。しかし、その後のサイクルでは、欠陥のあるウイルスは稀になり、複製するウイルスは回復しました。フォン・マグナス氏は、複製できないウイルスは開発が完了していないのではないかと疑い、ウイルスを「不完全」と呼んだ。

後年、ウイルス学者は不完全なウイルスの好況と不況を「フォン・マグナス効果」と名付けました。彼らにとって、それは重要でしたが、それは解決すべき問題としてのみでした。実験室培養以外で不完全なウイルスを見た人は誰もいなかったため、ウイルス学者はそれらが人工的なものであると考え、ウイルスを除去する方法を考え出しました。

「実験の邪魔をしたくないので、これらを研究室のストックから排除する必要があります」と彼は言いました。 サム・ディアス・ムニョス、カリフォルニア大学デービス校のウイルス学者は、この分野での一般的な見解を思い出しました。 「それは『自然』ではないからです。」

1960 年代の研究者は、不完全なウイルスのゲノムが典型的なウイルスのゲノムよりも短いことを観察しました。この発見は、不完全なウイルスは複製に必要な遺伝子を欠いている欠陥のある奇妙なものであるという多くのウイルス学者の見解を強化しました。しかし、2010年代に、安価で強力な遺伝子配列決定技術により、不完全なウイルスが実際には私たちの体内に豊富に存在することが明らかになりました。

2013年に発表されたある研究では、ピッツバーグ大学の研究者がインフルエンザに罹患した人々の鼻と口を拭き取った。彼らはサンプル中のインフルエンザウイルスから遺伝物質を取り出し、 発見 一部のウイルスには遺伝子が欠如していたという。これらの発育不全ウイルスは、感染した細胞が機能するウイルスのゲノムを誤ってコピーし、遺伝子の一部を誤ってスキップしたときに発生しました。

他の研究でもこの発見が確認されました。彼らはまた、不完全なウイルスが形成される他の方法も明らかにしました。たとえば、一部の種類のウイルスは、文字化けしたゲノムを運びます。これらの場合、感染細胞はウイルスゲノムのコピーを開始しましたが、途中で反転し、その後ゲノムを開始点まで逆方向にコピーしました。他の不完全なウイルスは、突然変異によって遺伝子の配列が破壊され、機能的なタンパク質を作れなくなったときに形成されます。

これらの研究は、フォン・マグナスの不完全なウイルスは実験室実験の産物にすぎないという古い仮定を打ち破りました。 「それらはウイルス生物学の自然な一部分です」とディアス・ムニョス氏は語った。

私たち自身の体内で不完全なウイルスが発見されたことにより、ウイルスに対する科学的関心が新たに高まりました。インフルエンザは特別なものではありません。多くのウイルスは不完全な形で存在します。これらは、呼吸器合胞体ウイルス (RSV) や麻疹などの感染症にかかった人に見つかるウイルスの大部分を占めます。

科学者たちはフォン・マグナスの不完全なウイルスの新しい名前も考え出した。それらを「欠陥のある干渉粒子」と呼ぶ人もいます。それらを「非標準ウイルスゲノム」と呼ぶ人もいます。

ディアス・ムニョスとその同僚たちは、彼らの別名を「詐欺師」と呼んでいます。

ウイルスの溝

不完全なウイルスは通常、細胞に侵入することができますが、一度侵入すると、自ら複製することはできません。彼らは、ポリメラーゼとして知られる遺伝子コピー酵素の遺伝子など、宿主のタンパク質生成機構をハイジャックするために不可欠な遺伝子の一部を欠いています。複製するには、不正行為を行う必要があります。彼らは仲間のウイルスを利用する必要があります。

詐欺師にとって幸いなことに、細胞は複数のウイルスゲノムに感染していることがよくあります。機能的なウイルスが詐欺師の細胞に現れると、ポリメラーゼが生成されます。詐欺師は、他のウイルスのポリメラーゼを借りて、自分の遺伝子をコピーすることができます。

このような細胞では、2 つのウイルスが自身のゲノムのコピーをより多く作ろうと競い合います。不正行為者には、複製する遺伝物質が少ないという大きな利点があります。したがって、ポリメラーゼは、完全なゲノムよりも不完全なゲノムをより速くコピーします。

不完全なウイルスや機能的なウイルスが細胞から細胞へ移動するにつれて、感染の過程でそのエッジはさらに大きくなります。 「半分の長さだからといって、2倍のアドバンテージを得られるわけではありません」と彼は言った。 アッシャーリークス、エール大学で博士研究員としてウイルスの社会進化を研究しています。 「それは、千倍以上のアドバンテージを得ることができることを意味します。」

他のチーターウイルスは機能するポリメラーゼを持っていますが、遺伝物質を包み込むタンパク質の殻を作るための遺伝子がありません。ウイルスは、機能するウイルスが現れるのを待ち続けることで複製します。次に、彼らは自分たちのゲノムをそれが生成する殻の中に忍び込ませます。一部の研究では、チーターゲノムは機能するゲノムよりも早く殻の内部に侵入できる可能性があることを示唆しています。

不完全なウイルスが複製にどの戦略を使用しても、結果は同じです。これらのウイルスは、他のウイルスの協力を利用する場合でも、協力のコストを支払いません。

「不正行為者は単独ではうまくいきませんが、別のウイルスとの関係ではうまくいきます。不正行為者がたくさんいると、悪用する人がいなくなります」とディアス・ムニョス氏は述べた。 「進化論的な観点からすれば、不正行為を定義するのに必要なのはこれだけです。」

その定義の最後の部分はパズルを引き起こします。詐欺師がこれほど驚くべき成功を収めているのであれば、そして実際にそうなっているのであれば、ウイルスを絶滅に追い込むはずです。何世代ものウイルスが古い細胞から飛び出し、新しい細胞に感染するにつれて、詐欺師はますます一般的になるはずです。機能的なウイルスが消滅するまで、ウイルスは複製し続ける必要があります。機能するウイルスが残っていなければ、詐欺師は自ら複製することができません。ウイルスの全集団は忘れ去られるべきだ。

もちろん、インフルエンザなどのウイルスは明らかにこの急速な絶滅を逃れているため、ウイルスの社会生活には不正行為による死のスパイラル以上のものがあるに違いありません。 カロリーナ・ロペスワシントン大学医学部（セントルイス）のウイルス学者である同氏は、不正行為をしているように見える一部のウイルスは、実際にはウイルス社会においてより良性の役割を果たしている可能性があると考えている。彼らは仲間のウイルスを悪用するのではなく、協力してウイルスの繁栄を助けます。

ロペス氏は、「私たちは彼らをコミュニティの一員として考えており、誰もが重要な役割を果たしています」と語った。

バーンアウト防止

ロペス氏が社会ウイルス学の世界に足を踏み入れたのは、マウスに感染する病原体であるセンダイウイルスの研究からで、2000年代初頭に始まった。研究者らは、センダイウイルスの52つの株が異なる挙動を示すことを長年知っていた。そのうちの XNUMX つは SeV-XNUMX と呼ばれ、免疫システムの目を逃れるのが得意で、ウイルスが大規模な感染を引き起こすことを可能にしました。しかし、別の株である SeV-Cantell に感染したマウスは、迅速かつ強力な防御を開始し、迅速な回復に役立ちました。ロペス氏らは、SeV-Cantell が不完全なウイルスを大量に生成するという違いを発見した。

不完全なウイルスはどのようにしてマウスの免疫システムを引き起こしたのでしょうか?一連の実験の後、ロペスとその同僚は、不完全なウイルスが宿主細胞に 警報システムを作動させる。細胞はインターフェロンと呼ばれる信号を生成し、近隣の細胞に侵入者の到着を知らせます。これらの細胞はウイルスに対する防御を準備し、感染が周囲の組織に野火のように広がるのを防ぐことができます。

この現象はセンダイウイルスの異常でも、マウスの免疫系の異常でもありませんでした。ロペスらは、米国で毎年 2 万人以上が罹患し、数千人が死亡している RSV に注目したところ、自然感染で生成される不完全なウイルスも感染細胞からの強力な免疫反応を引き起こすことを発見しました。

この影響はロペスを困惑させた。不完全なウイルスが不正行為者である場合、それらが宿主を刺激して感染を阻止することは意味がありません。免疫システムが機能的なウイルスを破壊すると、詐欺師が悪用できる被害者がいなくなります。

ロペスは、ウイルスを新しい方法で見れば、自分の結果が理にかなっていることに気づきました。ロペス氏は、不完全なウイルスが不正行為をしているという考えに焦点を当てるのではなく、不完全なウイルスと機能的なウイルスが長期生存という共通の目標に向かって協力していると考え始めました。彼女は、機能的なウイルスが制御不能に複製すると、新しい宿主に感染する前に現在の宿主を圧倒して殺してしまう可能性があることに気づきました。それは自滅的です。

「宿主を生き続けるためには、ある程度の免疫反応が必要です」とロペス氏は言う。

そこで不完全なウイルスが登場するのだと彼女は言う。彼らは、宿主が次の宿主にウイルスを感染させる機会を得るために、感染を抑制する可能性があります。そうやって、機能的なウイルスと不完全なウイルスが協力しているのかもしれない。機能的なウイルスは、新しいウイルスを作るための分子機構を生成します。一方、不完全なウイルスは、宿主が焼き尽くされるのを避けるために、機能するウイルスの速度を低下させ、コミュニティ全体の感染活動を停止させます。

ロペス氏らは近年、不完全なウイルスがさまざまな方法で感染を抑制できることを発見した。たとえば、熱や寒さによるストレス下にある場合と同様に、細胞が反応するようにトリガーすることができます。細胞のストレス反応の一部は、エネルギーを節約するためにタンパク質を作る工場を停止させます。その過程で、さらなるウイルスの生成も停止します。

クリストファー・ブルックイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のウイルス学者であるロペス氏は、ウイルスが地域社会に存在するという点でロペス氏に同意している。さらに、不完全なウイルスが細胞内で別の働きをしているのではないかと彼は疑っているが、それは彼や同僚の科学者たちがまだ解明していない。

ブルック氏は、インフルエンザウイルスにおけるこうした働きの証拠を探している。完全なインフルエンザ ウイルスには 12 つの遺伝子セグメントがあり、通常、XNUMX 個以上のタンパク質が生成されます。しかし、感染した細胞が不完全なウイルスを生成する場合、遺伝子の途中を飛ばして最初から最後までつなぎ合わせてしまうことがあります。この劇的な変化にもかかわらず、これらの変化した遺伝子は依然としてタンパク質を生成しますが、それは新しい機能を持つ可能性のある新しいタンパク質です。 XNUMX月に発表された研究では、ブルックと彼の同僚は 何百もの新しいタンパク質を発見しました インフルエンザに感染した細胞では。これらのタンパク質は科学的には新しいものであるため、研究者たちはそれが何をするのかを解明しようとしています。そのうちの1つを使った実験では、このウイルスが無傷のウイルスによって作られるポリメラーゼタンパク質に引っかかり、ウイルスが新たなウイルスゲノムをコピーするのを阻止することが示唆されている。

しかし今のところ、不完全なウイルスが非常に多くの奇妙なタンパク質を生成することで何を達成するのかについては、科学者らはほとんどわかっていない。 「私の限られた想像力では、可能性のほんの一部にも触れられません」とブルック氏は言う。 「これはウイルスが遊ぶための原材料です。」しかし、彼は、これらすべての奇妙なタンパク質を生成する不完全なウイルスが詐欺師ではないかと疑っています。

「もし彼らが本当に純粋な詐欺師として行動していたとしたら、彼らの生産を最小限に抑えようとするかなりの選択的圧力がかかるだろうと私は予測するだろう」とブルック氏は語った。 「それでも、私たちはいつも彼らに会います。」

ぼやけた線

社会ウイルス学者たちは現在、ウイルスの世界で不正行為と協力がどれほど行われているかを解明しようとしている。動物の行動を研究する科学者は、これがどれほど難しいかを知っています。個人はある状況では不正行為をし、別の状況では協力する場合があります。また、協力に見える行動が利己的な不正行為によって発展する可能性もあります。

Leeks 氏は、不完全なウイルスがウイルス コミュニティの生産的な部分である可能性があることに同意します。しかし、協力しているように見えても、実は浮気をしている可能性を常に考慮することが重要だと彼は考えている。進化論では、ウイルスのゲノムが小さいため、ウイルスでは不正行為が頻繁に発生すると予測されています。 「ウイルスでは、紛争が支配的です」とリークス氏は言う。

実際、不正行為は協力のように見える適応を生み出す可能性があります。この隠れた対立の好例の 1 つが、パセリやソラマメなどの植物に感染するナノウイルスです。ナノウイルスは驚くべき方法で複製します。それらは合計 8 つの遺伝子を持っていますが、各ウイルス粒子は 8 つの遺伝子のうちの 1 つだけを持っています。それぞれが 8 つの異なる遺伝子のいずれかを運ぶすべてのナノウイルス粒子が同じ植物に同時に感染する場合にのみ、それらは複製できます。植物細胞は、8 つの遺伝子すべてからタンパク質を生成し、その遺伝子の新しいコピーも生成し、新しい殻に詰め込まれます。

ナノウイルスを調べれば、教科書に載っているような協力事例が見つかるかもしれません。結局のところ、ウイルスが複製する機会を得るには、ウイルス同士が連携する必要があります。この配置は、ミツバチの巣の分業を彷彿とさせます。昆虫は、蜜を集める仕事、幼虫の世話をする仕事、巣が移動するための新しい場所を偵察する仕事を分担します。

しかしリークス氏らは、ナノウイルスやその他のいわゆるウイルスがどのように発生するかを図示した。 複数の部分に分かれたウイルス —不正行為によって進化した可能性があります。

ナノウイルスの祖先が 8 つの遺伝子すべてを 1 つのウイルス ゲノムにパッケージして始まったと想像してください。その後、ウイルスは遺伝子を 1 つだけ持つ不完全な不正行為者を偶然生み出しました。完全に機能するウイルスがその遺伝子をコピーするため、その詐欺師は繁栄するでしょう。そして、別の遺伝子を持った 2 番目のチートが進化した場合、無傷のウイルスを悪用するのと同じ利益が得られます。

リークスとその仲間たちがいるとき 数学的モデルを構築した この進化シナリオでは、ウイルスが容易に分解されてさらに多くのチートが生成されることが判明しました。それらは、独自に複製できる元のウイルスがなくなるまで分解され続けます。ナノウイルスは現在、生き残るために互いに依存している可能性がありますが、それはその祖先が互いに居候していたからにすぎません。協力という表面の下には、ウイルスによる不正行為が潜んでいます。

ウイルス社会の性質を整理するには何年もの研究が必要です。しかし、謎を解くことで莫大な利益がもたらされるかもしれません。科学者がウイルスの社会的挙動を理解すれば、ウイルスを互いに敵対させることができるかもしれません。

テーブルを回す

1990 年代、進化生物学者は抗ウイルス薬の開発に情報を提供することができました。 HIV 感染者が単一の抗ウイルス薬を服用すると、ウイルスはすぐに抗ウイルス薬を回避する能力を進化させました。しかし、代わりに医師が XNUMX 種類の抗ウイルス薬を組み合わせた薬を処方したところ、ウイルスがそれらすべてから逃れることははるかに困難になりました。ウイルスが XNUMX つの薬剤すべてに耐性を示す変異を獲得する可能性は天文学的に小さいです。その結果、HIV薬のカクテルは今日でも効果を維持しています。

社会ウイルス学者たちは現在、進化生物学がウイルスとの戦いに再び役立つかどうかを研究している。彼らは、ウイルスが不正行為や協力を行う方法にある脆弱性を探しており、それを悪用して感染を食い止めることができます。 「私たちは、これがウイルスの形勢を逆転させるものだと考えています」とヴィグヌッツィ氏は語った。

Vignuzziらはこのアイデアをジカウイルスを感染させたマウスで実験した。彼らは、機能的なウイルスを容赦なく悪用できる不完全なジカウイルスを設計しました。これらの不正行為者を感染マウスに注射すると、動物内の機能的ウイルスの集団はすぐに崩壊した。フランスの会社 Meletios Therapeutics は、Vignuzzi のチーター ウイルスのライセンスを取得し、さまざまなウイルスに対する潜在的な抗ウイルス薬として開発を行っています。

ニューヨーク大学では、Ben tenOever と彼の同僚が、インフルエンザ ウイルスからさらに効果的に詐欺師となる可能性のあるものを開発しています。彼らはウイルス生物学の特殊性を利用しています。同じ細胞に感染する 2 つのウイルスの遺伝物質が、最終的に 1 つの新しいウイルスにパッケージ化されることがあります。彼らは、機能的なインフルエンザ ウイルスのゲノムに容易に侵入できる不正なウイルスを作成できないかと考えました。

ニューヨーク大学のチームは、インフルエンザに感染した細胞から不完全なウイルスを採取した。このバッチから、彼らは、完全に機能するインフルエンザウイルスに遺伝子を組み込むことに非常に優れたスーパー詐欺師を特定しました。結果として生じたハイブリッド ウイルスは、不正行為者の破壊のおかげで複製が苦手でした。

このスーパー詐欺師が抗ウイルス薬としてどのように機能するかを確認するために、tenOever と彼の同僚はそれを点鼻スプレーにパッケージ化しました。彼らはマウスを致死性のインフルエンザ株に感染させ、その後スーパーチーターを動物の鼻に噴射した。このスーパーチーター ウイルスは、機能的なウイルスを悪用し、その複製を遅らせることに非常に優れていたため、マウスは数週間以内にインフルエンザから回復することができました。スーパー詐欺師たちの助けがなければ、動物たちは死んでしまいました。

研究者らは、感染する前にマウスの鼻にスーパーチーターをスプレーしたところ、さらに良い結果が得られた。スーパー詐欺師たちはマウスの中で待ち構えており、機能性インフルエンザウイルスが到着するとすぐに攻撃した。

その後、tenOeverと彼の同僚は実験のためにフェレットに移りました。フェレットは人間と同じようにインフルエンザ感染症を経験します。特にマウスとは異なり、インフルエンザウイルスは隣接するケージ内で病気のフェレットから健康なフェレットに容易に広がります。研究者らは、マウスで観察したのと同じように、感染したフェレットでも点鼻スプレーがインフルエンザウイルスの数を急速に減少させることを発見した。しかし、感染したフェレットから健康な動物に感染したウイルスを調べたとき、科学者たちは驚きを感じました。彼らは通常のウイルスだけでなく、タンパク質の殻の中に密封されたスーパーチーターも伝染させました。

この発見により、スーパー詐欺師が新型インフルエンザの蔓延を阻止できるかもしれないという、興味深い可能性が浮上した。スーパーチーターウイルスのスプレーを人々が受けた場合、感染症から急速に回復する可能性があります。そして、もし彼らが新しいウイルス株を他の人に伝えたとしたら、それを阻止するためにスーパー詐欺師も渡すことになるでしょう。 「これはパンデミックを中和するものです」とtenOever氏は語った。

少なくとも概念上はそうです。 TenOever は、動物と同様に効果があるかどうかを確認するために、人間で臨床試験を行う必要があります。しかし、規制当局はそのような実験を承認することに懸念を抱いている、と同氏は述べた。それは単に人々に自分の体内のウイルスに作用する薬を投与することになるだけでなく、同意したかどうかに関係なく、他の人にも感染する可能性があるからである。ない。 「それは死の接吻のようだ」とテンオーエバー氏は、社会ウイルスの科学を医学に変えるという希望を語った。

ディアス＝ムニョスは、社会ウイルス学について学ぶべきことがまだたくさんあるのに、社会ウイルス学を利用することに慎重になるのは正しいことだと考えています。不活性分子から医薬品を作成することは別のことです。ウイルスの社会生活を展開するのはまったく別のことです。 「それは生きていて進化するものです」とディアス・ムニョス氏は語った。