科学者がエボラウイルスの「複製装置」を公開

今年9月、アフリカのウガンダでエボラ出血熱が再び流行した。これは、「ダモクレスの剣」であるエボラウイルスが依然として私たちの頭上にぶら下がっており、常に人々の健康を脅かしていることを意味します。

科学界は、エボラウイルスに対する低コストで宣伝しやすい、広範囲に作用する低分子薬の開発を常に望んできましたが、理論的な指針がありませんでした。エボラウイルスポリメラーゼの三次元構造を解読することは世界的な課題です。

現在、中国科学院微生物研究所の高富院士と史毅研究員のチームが協力し、エボラウイルスポリメラーゼ複合体の三次元構造を初めて解明し、エボラウイルスの複製メカニズムを分子レベルから理解するための重要な理論的基礎を築いた。彼らはまた、100年前から使用されている薬スラミンがエボラウイルスポリメラーゼの活性を効果的に阻害する分子メカニズムを分析し、抗エボラウイルス薬の開発に向けた新たなターゲットと方向性を示した。関連研究は9月28日にネイチャー誌に掲載された。

「コピー機」を見つける

エボラウイルス病は、エボラウイルスによって引き起こされる重篤な急性感染症であり、主に人間または霊長類間で伝染します。エボラウイルスは1976年にアフリカのザイール（現コンゴ民主共和国）とスーダンで初めて発見されて以来、50年近くアフリカで猛威を振るっており、30回以上の流行で数万人が死亡し、死亡率は90％にも達している。

現在、ザイールエボラウイルス抗体薬は2種類市販されています。「抗体医薬品は特異的であり、他の種類のエボラウイルスやマールブルグウイルスなどの糸状ウイルスの治療には使用できない。また、これらのウイルスは免疫逃避を起こしやすいため、抗体医薬品の効果が低下したり、まったく効かなくなる可能性がある」と、論文の責任著者である石毅氏は中国科学日報に語った。

さらに、抗体医薬品は製造コストが比較的高く、低温で保管する必要があるため、アフリカでの普及や使用には不利であると述べた。効果的で安全な広域スペクトル抗ウイルス小分子薬の開発は、さまざまな種類のエボラウイルスやその他のフィロウイルス感染症に対処するための重要な研究方向です。

科学者たちは、エボラウイルスゲノムの転写と複製は、ウイルスポリメラーゼLタンパク質と他の補助タンパク質によって形成される複合体によって完了することを発見しました。ポリメラーゼ複合体は、広範囲の抗ウイルス薬の開発にとって理想的なターゲットです。

これまでの研究でも、レムデシビルとファビピラビルの2つの薬剤は試験管内での抗ウイルス活性は良好だが、臨床効果は理想的ではないことが判明している。現在、エボラウイルス感染症の臨床治療に承認されている低分子薬はありません。

では、既存の標的ポリメラーゼ薬の構造を最適化するにはどうすればよいでしょうか?ポリメラーゼ上の保存された部位を標的にして、エボラウイルス病を治療するための新薬を開発することは可能でしょうか?これらの疑問に答えるには、研究者はエボラウイルスがどのように複製されるかを理解する必要があります。

エボラウイルスはフィロウイルス科に属します。過去10年間で、科学者たちはこのウイルスの複雑な構造についてある程度理解を深めてきました。例えば、リボ核酸（RNA）ゲノムが核タンパク質（NP）に包まれてリボ核タンパク質複合体（RNP）を形成し、それがさらにポリメラーゼタンパク質（L）、ウイルスアクセサリタンパク質（VP35）、転写活性化タンパク質（VP30）、および核カプシド関連タンパク質（VP24）と結合してらせん状の核カプシド構造を形成し、それがマトリックスタンパク質（VP40）に囲まれ、さらにウイルス表面スパイク糖タンパク質（GP）と結合して完全なウイルス粒子を形成するなどです。

エボラウイルスポリメラーゼの三次元構造を解読することは、世界中のウイルス学者が直面している課題です。数年にわたる試行錯誤を経て、Shi Yi氏とGao Fu氏のチームはエボラウイルスポリメラーゼ複合体タンパク質（L-VP35複合体）を入手し、クライオ電子顕微鏡技術を使用してその高解像度の3次元構造を分析しました。彼らは、エボラウイルスのポリメラーゼLタンパク質がVP35タンパク質テトラマーと安定した複合体を形成し、ウイルスゲノムの複製と転写を実行することを発見した。

「一緒に踊る」メカニズムの解明

研究チームは、詳細な観察を通じて、ポリメラーゼ複合体の動的な構造変化を微視的に理解しました。

ポリメラーゼは、ウイルスの「複製機構」の中核として、子孫RNAを生成するプロセスにおいて複数の構造変化に関与し、それによって産物のスムーズな合成を促進します。最も重要な構造変化は、初期状態から拡張状態への移行です。

研究者らは、これまでの研究に基づき、クライオ電子顕微鏡のサンプル調製条件を変えることで、伸長した状態のエボラウイルスポリメラーゼの微細構造を捉えた。

VP35 タンパク質は L タンパク質とどのように「ダンス」するのでしょうか?研究により、ウイルスの複製プロセス中に、VP35 タンパク質が L タンパク質と RNP を接続する「橋」のような役割を果たすことがわかっています。「Lタンパク質がウイルスゲノムを複製する際、裸のRNAの代わりにらせん状のRNPをテンプレートとして使用します。このとき、VP35タンパク質は主に分子シャペロンの機能を果たし、RNPユニットの形でLタンパク質の複製を仲介します」とShi Yi氏は述べた。

彼は、VP35 タンパク質テトラマーには、中央のオリゴマー化ドメインに加えて、両端に 4 つの N 末端 (アミノ末端) ドメインと 4 つの C 末端 (カルボキシル末端) ドメインがあると説明しました。

C 末端の 1 つが L タンパク質に結合し、L タンパク質と VP35 タンパク質テトラマーの結合をさらに安定化します。同時に、他の 7 つの末端は「タコの触手」のように機能し、L タンパク質が RNP 構造上を滑り、モノマー状態の RNP に結合するのを助け、宿主 RNA との非特異的な相互作用を防ぎ、モノマー NP が娘 RNP の生成に使用できるようにします。

「VP35タンパク質がなければ、Lタンパク質はゲノムの複製と転写を実行できません。」石毅氏は、この2つの組み合わせがブロックされれば、ウイルスは複製できなくなると述べた。

医薬品の設計と最適化のガイド

エボラウイルスを効果的に抑制できる低分子薬の開発は、常に国際的な話題となっているが、難しい点でもある。

石怡氏は、L-VP35複合体の相互作用界面の分子の詳細を理解することで、ポリメラーゼを標的とする薬剤のさらなる開発に向けた新たな標的と重要な指針情報が得られると述べた。

研究者らが、エボラウイルスポリメラーゼのN末端ドメインには糸状ウイルス特有の挿入ドメインがあり、それがウイルスの活動に不可欠であり、抗ウイルス薬開発の潜在的なターゲットになり得ると指摘したことは注目に値する。

研究チームはまた、100年前から使用されている薬剤スラミンの抗エボラウイルス作用の分子メカニズムを試験管内で調査した。

スラミンは20世紀初頭にドイツの化学者パウル・エールリッヒによって初めて単離され、1920年代初頭からアフリカ睡眠病やオンコセルカ症などの寄生虫病の治療に広く使用されてきました。近年、科学者たちはスラミンがCOVID-19と癌に対して効果があることを発見した。予備研究では、スラミンにも抗エボラウイルス作用があることが示唆されているが、その作用機序はあまり明らかではない。

研究者らは、体外酵素活性と細胞レプリコン実験を通じて、スラミンがエボラウイルスポリメラーゼの活性を効果的に阻害できることを発見し、さらにクライオ電子顕微鏡技術を使用してエボラウイルスポリメラーゼとスラミンの複雑な構造を分析し、スラミンがポリメラーゼの三リン酸リボヌクレオチド進入チャネルに結合して、基質が酵素活性中心に入るのを妨げることで阻害効果を発揮することを明らかにした。スラミンと L タンパク質間の相互作用の分子詳細は、スラミン薬のさらなる改良と最適化のための重要な参考情報を提供します。

査読者は、エボラウイルスのLタンパク質の構造は、この分野で認識されているギャップであり、この研究は、構造に基づく抗ウイルス薬の設計を促進するのに役立つ重要な情報を提供していると述べました。