ウイルスからみた生命科学野本 明男

2005－12－4東大駒場授業

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微生物 単独増殖 ゲノム

プリオン 非生物 × ×

ウイルス 非生物 × ○

リケッチア 原核生物 × ○

クラミジア 原核生物 × ○

細 菌 原核生物 ○ ○

真 菌 真核生物 ○ ○

寄生虫 真核生物 ○ ○

ウイルスが非生物であり、単独増殖出来ない理由

• 栄養を取り込む機能が欠けている。

• エネルギー（ATP）産生機能が欠けている。

• タンパク質生合成が出来ない。

真核細胞

hnRNA

DNA

↓

↓ スプライシング

↓ キャップ付加

↓ ポリA付加

核外輸送

核

5’ Cap mRNA ポリA 3’

↓Cap依存性IRES依存性

原核細胞

DNA

RNA5’

翻訳

真核細胞 原核細胞

RNAポリメラーゼ ３ １

mRNA モノシストロニック ポリシストロニック

ウイルス核酸

キャプシド蛋白からなるキャプソメア

A

B

C

エンベロープ蛋白

脂質２重膜エンベロープ

キャプソメア

ウイルス核酸ヌクレオキャプシド

エンベロープ蛋白

脂質２重膜エンベロープ

キャプシド蛋白

ウイルス核酸ヌクレオキャプシド

ウイルスとは（1）

化学物質の集合体（非生物）

（例）ポリオウイルスの構造

C331107H489285O130725N97914P7441S2340not including poly(A) and cations

ポリオウイルス

吸着

脱殻 蛋白合成

複製複合体

VP0 VP4+VP2

エンカプシデーション

複製用蛋白質（VPg,ポリメラーゼなど）カプシド蛋白質

蛋白質のプロセシング

pU

細胞膜

VPg

ポリA

ポリU

+鎖RNA

-鎖RNA成熟ウイルス

ウイルスとは（2）

宿主との相互作用によって、

ライフサイクルを持つ（生物？）

Chemicals with life cycle

ウイルスを材料とした研究

複製機構

情報発現

形態形成

進化機構

遺伝子本体の構造

遺伝子工学

ウイルスを対象とした研究は、細胞のみを扱う研究に比べ、生命科学を先取りすることができる

ウイルス複製研究から生まれた生物学上重要な発見

逆転写酵素、トランスフォーミング遺伝子（レトロウイルス）

キャップ構造 （CPV）

RNAスプライシング （アデノウイルス）

IRES （ポリオウイルス）

ウイルス学とは

• ウイルスと生体の両方を学び、その相互作用を研究する学問。

• 巾広い範囲を持つ（先端生命科学、疫学、臨床、国際医療協力など）。

• 研究の感覚を会得するまで比較的時間の掛かるAdvancedな学問。

ウイルス病原性研究へ

複製及び体内伝播の各過程における宿主分子群の同定

ウイルス特異的遺伝子産物による：

細胞変性効果

アポトーシスの阻害 不死化

宿主防衛システムからの回避

ウイルスと宿主の間に形成される

自然生態系の研究（感染現象の解析）

疾患発症

個体への侵入

複製（最初の標的組織）

複製（最終の標的組織）

疾患発症

体内伝播 疾患発症

口

呼吸器

消化管

泌尿生殖器

蚊などの昆虫

毛細血管

皮膚

結膜

傷

肛門竹田美文・野本明男（編）、1997、『感染：

ウイルス・細菌感染論の最前線』メジカルレビュー社、３ページ

‡

毛細血管

核

Basal surfaceからのbudding

上皮細胞

基底膜

結合組織

apical surfaceからのbudding

微生物

感染

血液choroid plexus

感染血液細胞

血管内皮細胞

中枢神経系

取込み

放出

放出

通過

通過

通過

通過

核

神経細胞体軸索輸送

マイクロチューブル

小胞体

末梢神経

ウイルス

竹田美文・野本明男（編）、1997、『感染：ウイルス・

細菌感染論の最前線』メジカルレビュー社‡

ウイルス核酸

キャプシド蛋白からなるキャプソメア

A

B

C

エンベロープ蛋白

脂質２重膜エンベロープ

キャプソメア

ウイルス核酸ヌクレオキャプシド

エンベロープ蛋白

脂質２重膜エンベロープ

キャプシド蛋白

ウイルス核酸ヌクレオキャプシド

竹田美文・野本明男（編）、1997、『感染：ウイルス・細

菌感染論の最前線』メジカルレビュー社‡

ウイルスゲノムの構造と遺伝情報発現様式による分類

Group I

ds DNA

DNA virus

↓

m RNA

↑

ds DNA

↑

ss DNA

Group II

RNA virus

Group IV

Group III Group V

Group VI

ds RNA

ss(＋) RNA

ss(ー) RNAss(ー) RNA

m RNA

ds DNA

ss DNA

↓

↓

↑

↑

↑

ss(＋) RNA X 2

→ ←

949 1765 2480 3833 5372 5987743 4124 5438 7370

3386 5110 7441

capsid

P1 P2 P3

non-capsid

poly (A)60 ± n

VPg-pU

initiation oftranslation

5’ termination oftranslation

polyprotein(247)

●P1(97) P2(65) P3(84)

●VP0(37) VP3(26) VP1(34)

2A2BC(48) 3AB(12) 3CD(72)

●VP4(7) VP2(30) 2C(38) VPg(2) 3Cpro(20) 3Dpol(52)

3C’(36.4) 3D’(35.6)2B

1a1b HE S E M N

IS

AAA

IS IS IS IS IS IS

Cap

Cap

Cap AAA

Cap AAA

Cap

Cap

Cap

Cap

AAA

AAA

AAA

AAA

AAA■ ; putative nonstructural proteinIS ; conserved intergenic sequence

感染から発症までの過程（氷山説）

症状(Symptom)

組織傷害(tissue disfunction,etc)

免疫病(immunopathogenesis)

獲得免疫(acquired immunity)

自然免疫(innate immunity)

物理的バリアー(physical barrier)

その他(others)

定着(localization)

ターゲティング(targeting)

拡散(spreading)

侵入(entry)

遺伝的多型(genetic polymorphism)

ウイルス病原性

ウイルス病原性生体防御 生体防御

ウイルス疾患発症 健 康

ウイルス病原性と生体防御

‡ http://hogle.med.harvard.edu/James Hogle氏がネットで公開している画像

‡ http://hogle.med.harvard.edu/James Hogle氏がネットで公開している画像

‡ http://hogle.med.harvard.edu/James Hogle氏がネットで公開している画像

‡ http://hogle.med.harvard.edu/James Hogle氏がネットで公開している画像

ポリオウイルス

吸着

脱殻 蛋白合成

複製複合体

VP0 VP4+VP2

エンカプシデーション

複製用蛋白質（VPg,ポリメラーゼなど）カプシド蛋白質

蛋白質のプロセシング

pU

細胞膜

VPg

ポリA

ポリU

+鎖RNA

-鎖RNA成熟ウイルス

949 1765 2480 3833 5372 5987743 4124 5438 7370

3386 5110 7441

capsid

P1 P2 P3

non-capsid

poly (A)60 ± n

VPg-pU

initiation oftranslation

5’ termination oftranslation

polyprotein(247)

●P1(97) P2(65) P3(84)

●VP0(37) VP3(26) VP1(34)

2A2BC(48) 3AB(12) 3CD(72)

●VP4(7) VP2(30) 2C(38) VPg(2) 3Cpro(20) 3Dpol(52)

3C’(36.4) 3D’(35.6)2B

‡Haruka Toyoda, Michinori Kohara, Yutaka Kataoka, Toshiyuki Suganuma, Toshiko Omata, Nobumasa Imura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, Vol.174, 4, pp561-585, 1984

VPg poly (A)

ゲノム RNA

感染効率(pfu / µg)

1 × 106

1 × 103

1～ 3 × 105GG

試験管内で合成したRNA

プラスミド cDNA

T7 プロモーター

‡Haruka Toyoda, Michinori Kohara, Yutaka Kataoka, Toshiyuki Suganuma, Toshiko Omata, Nobumasa Imura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, Vol.174, 4, pp561-585, 1984

949 1765 2480 3833 5372 5987743 4124 5438 7370

3386 5110 7441

capsid

P1 P2 P3

non-capsid

poly (A)60 ± n

VPg-pU

initiation oftranslation

5’termination oftranslation

polyprotein(247)

●P1(97) P2(65) P3(84)

●VP0(37) VP3(26) VP1(34)

2A2BC(48) 3AB(12) 3CD(72)

●VP4(7) VP2(30) 2C(38) VPg(2) 3Cpro(20) 3Dpol(52)

3C’(36.4) 3D’(35.6)2B

3’

IRES

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biologyvol.207, 1, pp175-182(179 Fig.3), 1989‡

PL72

VPg 670 743

702 72b polylinker 54b

GGCAUGC ATAAUGGGU・・・Met Gly・・・

GUG ACG AUA

L203 L202L201

polyproteincoding region

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.207, 1, pp175-182(178 Fig.2), 1989‡

pVS(1)IC-PL72Transfection

AGMK cells in a plastic dish

Virus recovery

PV1(Sab)IC-PL72Infection

AGMK cells

Pick up small plaques

Pick up only one large plaque per dish

MediumInfection

AGMKcells

MediumL201 L202 L203 L204

Nucleotide substitutions

Initialsequence

Altered sequence

G A U C

A

U

G

20

0 0

7

0

1

0

16

0

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology,vol.207, 1, pp175-182(179 Table. 1), 1989‡

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.207, 1, pp175-182(178 Fig.1), 1989‡

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biolovol.207, 1, pp175-182(181 Fig.6), 1989‡

Virion RNA5’

AGCUUGAACCCAGUGCUUUCCACUAUGUGUUUGAAGGGGUGAAGGAACCAGCAGUCC

CCCCACTTCCTTGGTCGTCAGGTCA

SERINESequencing Primer

UAGATC

AMBER

UCGAGC

SERINE

2.5 × 10-6 revertants/ PFU

Sedivy et al. (1987) Cell 50:379-389

Transversion

TransitionTransversion

Transition ＝ 1 × 10-4

＝ 2.5 × 10-6

＝ 50

Defective Interfering (DI) Particleof Poliovirus

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(481 Fig.1), 1986

‡

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(481 Fig.3), 1986

‡

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(481 Fig.6), 1986

‡

5' 3'

VP3 VP1 2A 2B 2C 3A 3C 3DVP23BVP4VPg

Capsid Non-capsidP1 P2 P3

pSM1(T7)0

pSM1(T7)1

pSM1(T7)1a

++

++

+

+

--

Replication

Pa ckaging

pSM1(T7)1b ++ +

pSM1(T7)1c - -4 bases

4 bases

12 bases

Effect of in-frame or out-of-frame insertions

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(481 Fig.6), 1986

‡

Supporting sequence-loop Model

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(483 Fig.７), 1986

‡

RNA組換えモデル「supporting sequence-loopモデル」

遺伝子欠損変異株の発生

ST-RNA+

or

DI-RNA

ST-RNA:スタンダードウイルスのRNADI-RNA:遺伝子欠損株ウイルスのRNA

:VPg :ポリA :ポリU

ウイルス株間のゲノム組換え

+A(+)

A(–)+orB(+) B(–)

A(+)とA(–):A株プラス鎖とA株マイナス鎖B(+)とB(–):B株プラス鎖とB株マイナス鎖

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(483 Fig.8), 1986

‡