Biology for Major II

これまで学んだように、ウイルスは非常に特定の宿主や、宿主内の特定細胞によく感染することが分かっています。 このようなウイルスの特徴は、地球上の1種または数種の生物に特異的であることを意味します。 一方、地球上には非常に多くの種類のウイルスが存在し、ほぼすべての生物はその細胞に感染しようとする独自のウイルスをもっています。 最も小さく単純な細胞である原核生物でさえも、特定の種類のウイルスに攻撃されることがある。 以下では、原核生物細胞へのウイルス感染の特徴について見ていくことにする。 これまで学んできたように、細菌に感染するウイルスはバクテリオファージと呼ばれている（図1）。 3945>

Bacteriophage

図1. 宿主細胞に付着したバクテリオファージ(透過型電子顕微鏡写真)。 ここに示すような尾を持つバクテリオファージでは、尾がファージゲノムの伝達のための通路として機能する。 (出典: Graham Beards博士の研究を改変。スケールバーのデータはMatt Russellによる)

ほとんどのバクテリオファージはdsDNAウイルスで、DNA複製とRNA転写に宿主酵素を利用します。 ファージ粒子は、特定の表面受容体に結合し、能動的にゲノムを宿主細胞に挿入する必要がある。 (多くのバクテリオファージに見られる複雑な尾部構造は、原核生物の細胞壁を越えてウイルスゲノムを運ぶのに積極的に関与している)。 バクテリオファージが細胞に感染した結果、新しいビリオンが産生される場合、その感染は生産的であると言われる。 また、細胞を破裂させてビリオンを放出する場合は、溶菌サイクルによってウイルスが複製される（図2）。 溶菌性バクテリオファージの例としては、ヒトの腸管内に存在する大腸菌に感染するT4が挙げられる。 しかし、ウイルスが放出されずに細胞内にとどまることもある。 例えば、温帯バクテリオファージが細菌細胞に感染すると、溶菌サイクルによって複製が行われ（図2）、ウイルスゲノムが宿主細胞のゲノムに取り込まれる。 ファージのDNAが宿主細胞のゲノムに組み込まれたものをプロファージと呼ぶ。 溶原性バクテリオファージの例として、λ（ラムダ）ウイルスがあり、これも大腸菌に感染する。 植物や動物の細胞に感染するウイルスは、時々、長期間にわたってビリオンを産生しない感染を起こすことがある。 例えば、ヒトの口唇ヘルペスや性器ヘルペスの原因である単純ヘルペスウイルスなど、動物のヘルペスウイルスがそうである。 これらのウイルスは、潜伏期間と呼ばれる過程で、新しいウイルスを産生することなく神経組織に長期間存在し、定期的に潜伏期間を抜けて皮膚に病変を起こし、そこでウイルスが複製されるのである。 溶原性サイクルと潜伏性の間には類似性があるが、溶原性サイクルという用語は通常バクテリオファージを説明するために留保されている。 潜伏期については、次のセクションで詳しく説明する。

図2. 温和なバクテリオファージは、溶菌サイクルと溶原サイクルの両方を持つ。 溶菌サイクルでは、ファージは複製し、宿主細胞を溶かす。 溶菌サイクルでは、ファージのDNAが宿主ゲノムに取り込まれ、次世代に受け継がれる。

動物ウイルス

動物ウイルスは、植物や細菌のウイルスと異なり、細胞壁を突き破って宿主細胞にアクセスする必要はありません。 また、ウイルスが宿主細胞を誘導して、感染に協力させることもある。 エンベロープを持たない、あるいは「裸の」動物ウイルスは、2つの異なる方法で細胞に侵入することができる。 ウイルスカプシド中のタンパク質が宿主細胞上の受容体と結合すると、通常の細胞内プロセスである受容体媒介エンドサイトーシスにより、ウイルスが小胞を介して細胞内に取り込まれることがある。 エンベロープを持たないウイルスが用いる別の細胞侵入方法は、カプシドタンパクが受容体に結合した後に形状変化を起こし、宿主細胞膜にチャネルを形成する方法である。

エンベロープウイルスは、受容体に結合した後、受容体介在型エンドサイトーシス、または融合という2つの方法で細胞に侵入する。 多くのエンベロープウイルスは、いくつかの非エンベロープウイルスに見られるような方法で、受容体を介したエンドサイトーシスによって細胞内に侵入する。 一方、融合はエンベロープウイルスにのみ起こる。 HIVなどを含むこれらのウイルスは、エンベロープにある特殊な融合タンパク質を使用して、エンベロープを細胞の細胞膜と融合させ、ウイルスのゲノムとキャプシドを細胞の細胞質内に放出させる。 インフルエンザウイルスの例ですでに説明したように、エンベロープ型動物ウイルスは、自己集合する際に細胞膜から芽を出し、その過程で細胞の形質膜の一部を採取することがある。 一方、ライノウイルスなどの非エンベロープ型ウイルスの子孫は、溶解またはアポトーシスのシグナルがあるまで感染細胞内に蓄積し、すべてのビリオンが一緒に放出される。

次のモジュールで学習するように、動物ウイルスはさまざまな人間の病気と関連している。 その中には、短期間に症状がどんどん悪化し、その後、免疫系によって体内からウイルスが排除され、最終的には感染から回復するという、急性疾患の古典的なパターンをとるものがあります。 急性ウイルス性疾患の例としては、風邪やインフルエンザが挙げられます。 また、C型肝炎のように長期間の慢性感染を引き起こすウイルスや、単純ヘルペスのように断続的にしか症状が現れないウイルスもあります。 また、小児疾患のロゼオラなどの原因となるヒトヘルペスウイルス6や7は、宿主にまったく症状を起こさずに生産的な感染症を引き起こすことが多いため、これらの患者さんは無症状感染と呼ばれています。 ダメージが小さいため、感染者は自分が感染していることに気づかないことが多く、静脈内薬物使用などの危険因子を持つ患者の定期的な血液検査によってのみ、多くの感染が発見されます。 一方、ウイルス性疾患の症状の多くは免疫反応によるものであるため、症状が出ないということは、ウイルスに対する免疫反応が弱いことを示しています。 このため、ウイルスは免疫系による排除を免れて何年も体内に留まり、低レベルの子孫ウイルスを産生する、いわゆる慢性ウイルス性疾患となる。 このウイルスが肝臓に慢性的に感染すると、肝臓がんを発症する可能性が非常に高くなり、最初の感染から30年も経過することもある。

すでに述べたように、単純ヘルペスウイルスは神経組織で数カ月、数年間も潜伏状態にあることがある。 ウイルスが組織の中に「隠れて」いて、ウイルスタンパク質をほとんど作らないので、免疫反応が働くものがなく、ウイルスに対する免疫力が徐々に低下していくのです。 肉体的・精神的ストレスなど特定の条件下では、潜伏していた単純ヘルペスウイルスが再活性化し、皮膚で溶血性複製サイクルを起こして、本症に関連した病変を引き起こすことがあります。 皮膚でウイルスが産生され、ウイルスタンパク質が合成されると、再び免疫反応が刺激され、皮膚内のウイルスを破壊することにより、数日から数週間で皮膚病変を解決します。 このような複製サイクルの結果、ウイルスが神経組織に一生とどまっていても、冷え症や性器ヘルペスの発生は断続的にしか現れません。 水痘の原因となる水痘帯状疱疹ウイルスなど、他のヘルペスウイルスでも潜伏感染することがよくあります。 水痘・帯状疱疹ウイルスは、小児期に水痘に感染した後、何年も潜伏し、成人になってから再活性化し、「帯状疱疹」として知られる痛みを伴う状態を引き起こします（図3）。 図3.bは、人の顔にできた赤くデコボコした帯状疱疹の発疹です

。 (a)水痘の原因ウイルスである水痘帯状疱疹は、この透過型電子顕微鏡写真ではエンベロープを持った正20面体のカプシドが見える。 二本鎖DNAゲノムは宿主のDNAに取り込まれ、潜伏期間後に再活性化して（b）帯状疱疹となり、しばしば発疹を示す。 (クレジット a: Dr. Erskine Palmer, B. G. Martin, CDC による作品の改変、クレジット b: “rosmary”/Flickr による作品の改変、スケールバーのデータは Matt Russell による)

図4.帯状疱疹。 HPV、すなわちヒトパピローマウイルス（credit: modification of work by NCI, NIH; scale-bar data from Matt Russell）

上述のC型肝炎ウイルスを含むいくつかの動物感染性ウイルスは、発癌性ウイルスとして知られています。 それらは癌を引き起こす能力を持っています。 これらのウイルスは、無秩序な細胞増殖を刺激する遺伝子（癌遺伝子）を導入するか、または細胞増殖を抑制する遺伝子の発現を妨害することにより、宿主細胞周期の正常な調節を妨害する。 3945>

ウイルス感染に関連することが知られているがんには、ヒトパピローマウイルス（HPV）による子宮頸がん、B型肝炎ウイルスによる肝臓がん、T細胞白血病、およびいくつかのタイプのリンパ腫があります。

HPV（ヒトパピローマウイルス）は、図4に示すように、透過型電子顕微鏡写真で見える裸の20面体のキャプシドと、宿主のDNAに組み込まれる二本鎖のDNAゲノムを有しています。 このウイルスは性行為により感染し、発癌性があり、子宮頸癌を引き起こす可能性があります。