なぜ新型コロナウイルスはいつも他のコロナウイルスより一歩先を行くのでしょうか?

なぜ新型コロナウイルスはいつも他のコロナウイルスより一歩先を行くのでしょうか?

感受性のある人がいる限り、ウイルスは進化します。

2021年1月に南アフリカで初めて出現した新型コロナウイルスのC.1系統は、当時の他の変異株と似ており、あまり広範囲に拡散せず、ゲノムにも特別な点はなかった。しかし、ウイルスは地球上の他のどの生物よりも急速に進化します。病原体の進化を研究する米バース大学の教授エド・フェイル氏は最近、新型コロナウイルスの変異率を分析し、「パンデミック中にSARS-CoV-2が経験した変異の数は、人類が250万年前に初めて直立歩行を始めてから今日までに経験した変異の数と同じである」ことを発見した。

C.1系統が出現してからわずか4か月後、南アフリカは感染力の高いデルタ変異株によるCOVID-19パンデミックの第3波に見舞われ、この株を追跡していたチームはC.1ゲノムの新バージョンにいくつかの変化を検出した。彼らはすぐに、新しいバージョンである C.1.2 変異体に他の変異体よりも多くの変異があることを発見しました。アルファ、ベータ、ガンマ、デルタ変異体に備わっている主要な変異、および免疫回避に関連するいくつかの変異がすべてこの変異体に現れていました。

この新しい変異株は、アルファ株よりも40~60%伝染力が強く、アルファ株は元の株よりも50%伝染力が強く、一部の疫学者が「我々の生涯で見た中で最も伝染力が強い病気」と呼ぶものとなっている。麻疹や水痘を引き起こすウイルスはデルタ変異体よりも伝染性が高いが、後者は極めて急速に広がり、宿主 A から宿主 B への伝染を 4 日以内に完了することができるのに対し、他のウイルスは少なくとも 10 日から 14 日かかる。

人間の体内に新たなクラウン工場が開設されました。感染しやすい人がいる限り、ウイルスは広がり、複製され、変異するでしょう。重力が物理法則であるのと同じように、自然選択による生命の進化は生物学の法則です。新型コロナウイルスの感染拡大が続けば、さらなる変異や新たな変異種の出現を招き、死者の増加やパンデミックの継続につながるだろう。

人類は確かにコロナウイルスの進化を制御しようと懸命に努力している。ワクチンメーカー、研究者、政府は毎日、ウイルスがどのように変化するかを追跡し、新しい変異体を特定して制御し、拡散を遅らせようと努めている。私たちは史上最大規模のワクチン接種キャンペーンを開始し、発生から2年間で39億人が少なくとも1回はCOVID-19ワクチンを接種しました。

しかし、人類は今のところ新型コロナウイルスを制御することができていない。 SARS-Co V-2は、自然淘汰の下での生命の進化のモデルであると言えます。これは、自然の力を過小評価する私たちを危険にさらします。私たちは過去に何度も経験しており、今後も経験し続けるでしょう。

SARS-Co V-2 ゲノムは 30,000 塩基で構成されており、細胞を乗っ取って数十億の新しいウイルスを生成するタンパク質の指示が格納されています。

人がSARS-CoV-2を吸入すると、ウイルスの表面にあるスパイクタンパク質が人間の細胞上のタンパク質を認識して結合します。感染プロセスは喉と肺で始まりますが、SARS-Co V-2 は最終的に心臓、血管、腸、腎臓を含む体全体のシステムを攻撃します。

ウイルスは宿主細胞に付着した後、そのゲノム(30,000 個の RNA 塩基の一本鎖)を細胞内に注入します。そこで、ウイルスタンパク質は細胞の構造を作り直し、その大量増殖に対応し始めます。 SARS-Co V-2 ゲノムは、工場の設計者やゼネラルマネージャーのような存在で、すべての関係者の作業を主導し、調整して、より多くのウイルスを生産します。

多くは変異しますが、生き残るのは少数です。それぞれの新しいウイルス粒子は、RNA ゲノムの新しく複製されたコピーを運び、より多くの細胞に感染する準備ができています。それらが宿主細胞から去ると、宿主細胞を死滅させる一連の出来事を引き起こします。細胞が死ぬと、免疫系に信号が発せられ、身体に危険を知らせます。場合によっては、これらの信号に対する免疫反応(重度の肺損傷やサイトカインストームなど)が、有益よりも有害となる可能性があります。

RNA 複製 (前述のゲノムコピーの複製) 中に、塩基の置換や、元の配列からの RNA の小さなセグメントの追加または削除などのエラーが発生する可能性があります。これらのランダムな突然変異は、多くの場合は微妙ですが、深刻な結果をもたらす可能性があります。私たちは通常、鎌状赤血球症を引き起こすヘモグロビン遺伝子の変異のように、突然変異は生物にとって悪いものだと考えています。しかし、突然変異は中立的であったり、有益なものであったりすることもあります。例えば、インスリン産生に関連する遺伝子の変異により、肥満などの危険因子があっても糖尿病を発症する可能性が 65% 低くなります。

ウイルスが新しい宿主に感染して新しいコピーを生成するたびに、良い変異でも悪い変異でも、新しい変異を獲得する可能性があります。 2021年6月、イスラエルのワイツマン科学研究所の研究チームが他のユニットと協力して計算を行ったところ、人間がSARS-CoV-2に感染するたびに、体内でウイルスのコピーが10億~1000億個生成されることが判明した。また、研究者らは、感染ごとにウイルスゲノムに0.1~1の変異が起こる可能性があると推定した。新しい変異の数を控えめに0.1と設定した場合、世界中で毎日425,000人の新規感染者が約42,500の変異をもたらし、SARS-Co V-2ゲノムの30,000塩基ごとに毎日変異する可能性がある。

幸いなことに、これらの変異のうち定着できるのはほんのわずかです。なぜなら、伝達のボトルネックにより、ある感染中に発生した変異が別の宿主に伝達されることはめったにないからです。最近の2つの研究によると、他の人に感染する少量のウイルスは、感染を引き起こしたウイルス株と同じものであることが多い。ピッツバーグ大学の微生物学者ヴォーン・クーパー氏は、「入ったものがそのまま出てくることが多い」と語る。

残念ながら、例外が 1 つあります。ウイルスが長期間にわたって個体の体内に留まる場合(たとえば、ウイルスを排除できない弱い免疫システムを持つ個体)、ウイルスは人間の免疫システムと広範囲に相互作用し、免疫に対抗するための有用な突然変異を獲得します。例えば、過去1年間、科学者たちは、SARS-Co V-2変異株がスパイクタンパク質の形状を変えるのに十分な変異を獲得し、防御抗体がそれを標的とすることが困難になっていることを観察しました。 (抗体は鍵穴の鍵のようにスパイクタンパク質に結合し、ウイルスを中和します。)

ウイルスが宿主の体内を動き回ると、新たな変異が複製されて遍在化し、伝染のボトルネックを回避して他の人に伝染する可能性があります。アルファ変異体は免疫不全の人に最初に現れる可能性があるという証拠があり、南アフリカの国立感染症研究所(NICD)の計算生物学者キャサリン・シーパーズ氏は、C.1.2についても同じことが当てはまると考えている。

もちろん、一度の感染で蓄積された変異のほとんどは、感染のボトルネックにより失われますが、一部は漏れてしまいます。ウイルスの拡散速度が速いため、確率の低いイベントが頻繁に発生し、株が突然変異を獲得して伝達します...ウイルスがその環境で生き残り、繁殖するための競争上の優位性を得るような適応突然変異は、伝達されてゲノムの永久的な一部になる可能性が高くなります。これが自然淘汰の仕組みです。

単一部位変異D614Gは、その拡散を加速します。現在、SARS-Co V-2 は世界中の人々の間で循環する中で、毎月約 2 つの永久変異を獲得しています。流行病はまだ終わっていない。

2020年1月5日、復旦大学付属上海公衆衛生臨床センターのウイルス学者、張永鎮教授が、SARS-Co V-2のゲノム配列を初めて公開データベースにアップロードし、世界的な注目を集めた。 2021年10月下旬現在、中国が公開したコロナウイルスの配列は、無料のゲノム共有プラットフォームGISAIDデータベース(2008年にインフルエンザ用に開始)で470万回以上共有されている。

何百万ものゲノム配列が共有されることにより、科学者は人類史上初めて、ウイルスの変異をほぼリアルタイムで追跡できるようになりました。科学者たちは突然変異を検出するシステムを構築した後、不可解な分子レベルでその影響を解明し始めた。 D614G(「ダグ」と呼ばれることもある)は、SARS-Co V-2の最初の大きな変異であり、世界中でウイルスの拡散を加速させた変異の1つです。

2020年4月初旬、ダグは英国から攻撃を開始し、世界中に広がりました。研究者らは、D614G変異株が一度ある地域に導入されると、すぐにその地域で最も一般的な株になったことを発見した。変異自体は、ウイルスゲノムの位置23,403にある塩基AがGに置き換えられ、スパイクタンパク質のアスパラギン酸がグリシンになるというものです。この変化により、ウイルスの受容体結合ドメイン(ヒト細胞に付着する部分)が宿主細胞に付着しやすくなります。

D614Gに続いて、新型コロナウイルスの一連の適応変異がコードの文字列の形で私たちの目の前に現れました:P681R、L452R、D950N、del144Y、K417N、T1027I、A701V、N501Y、L18F、del242-244...研究により、SARS-Co V-2の変異により、ウイルスの拡散能力と抗体に対する抵抗力が高まり、感染症状の重症度も高まることがわかっています。

ゲノム組み換えと収斂進化 ダグのような単一点変異はウイルスの適応性に大きな影響を与えますが、科学者たちは変異の組み合わせが変異株をより強力にする主な力であると考えています。特にデルタはスパイクタンパク質に9つの変異が蓄積しており、より伝染性が高くなっています。

さらに、RNA ウイルスには、遺伝子組み換え、つまり同じ細胞内の複数のウイルス RNA がヌクレオチド配列を交換するという、急速に進化する別の方法があります。一部の疫学者によれば、現在流行している複数の変異株が遺伝子組み換えによっていわゆる「スーパー変異株」になる可能性がある(可能性が高い)とのことだ。しかし、いくつかの組み換え現象は​​発見されたものの、現時点ではまだ確率の低い事象です。

良いニュースもあります。過去20カ月間、科学者たちはウイルスの進化の手がかりを発見してきた。自然淘汰により、ウイルスは感染力と免疫回避能力を高める方向に進んでいますが、必ずしも人間にとってより深刻な病気を引き起こすわけではありません。クーパー氏は、サイトカインストームなどの重篤な症状は感染の副産物であり、ウイルスの拡散や増殖を促進するものではないと思われるため、この特性は選択されないだろうと述べた。

一方、シアトルがん研究センターのトレバー・ベッドフォード、ケイティ・キスラーらは最近、GISAIDデータベースを使用して、最も成功したウイルス系統が、宿主細胞への侵入能力の向上に関連するスパイクタンパク質の変異、およびNsp6タンパク質とORF7aタンパク質の変異(それぞれウイルスの複製と自然免疫システムの回避に関連)を獲得していることを発見しました。これらの突然変異は世界のさまざまな地域のさまざまな系統に現れており、これを収斂進化と呼ぶ現象です。

SARS-Co V-2が特定の重要な適応に集中すれば、予測可能性が高まり、科学者がウイルスを追跡し、ワクチンを開発するのに役立つ可能性がある。 「良いニュースは、まったく新しい組み合わせが見られないということなので、これで落ち着くといいのですが」とクーパー氏は語った。

感染は進化を促進し、ワクチンは感染を防ぎ、除去を加速します。次に優勢な変異を推測するのは愚かな行為だが、ウイルスの進化を阻止することは、ワクチン製造業者や世界中の政府が積極的に取り組んでいる重要な課題である。

キスラー氏は、ウイルスの進化を遅らせ、それに伴う変異や新たな変異種の出現を防ぐ唯一の方法は、ウイルスの拡散を遅らせることだとし、「あらゆる感​​染は、ウイルスがさらに進化する機会となる」と述べた。

COVID-19の拡散を遅らせるために人類が持つ最も強力な武器はワクチン接種です。ワクチンはそれぞれ異なる方法で侵入者から体を守りますが、共通のパターンは、ワクチンが不活化したウイルスまたはウイルスの断片(非感染性)をワクチン接種者の免疫システムの前に置き、ウイルス侵入のシナリオをシミュレートして体の防御機能を訓練することです。

ワクチン接種の利点は予防だけにとどまりません。ワクチン接種を受けた人がウイルスに感染した場合、体内で生成されるウイルスの量が少なくなることが多く、ワクチン接種を受けていない人よりも病原体を早く排除できるため、ウイルスが変異するのにかかる時間が短縮されます。

免疫逃避とワクチンリハーサル 医師や科学者は、ワクチンや感染からの免疫保護を回避できる、いわゆる「逃避」変異体について話します。たとえば、E484K(別名「Eek」)を含むベータ変異体が持つ変異により、スパイクタンパク質が抗体に結合しにくくなるため、ある程度免疫システムを回避することができる。 2021年2月には、臨床試験でアストラゼネカのワクチンはベータ変異体によって引き起こされる軽度から中等度のコロナウイルスを予防できないことが示されました。南アフリカはワクチンの使用さえ中止した。デルタ変異体の拡散も同様の変異の影響を受けているようだ。

現在、ワクチン会社は、自社が発売したワクチンが既知のすべての変異株に対して最善の予防効果を発揮すると述べており、ほとんどのワクチン会社は高リスクグループに追加接種を受けることも推奨している。さらに、ファイザー、モデルナ、アストラゼネカは過去数カ月にわたり、ベータやデルタなどの変異株に合わせたワクチンの更新、更新されたワクチンのテスト、社内の作業プロセスの調整、規制当局との調整など、既知のCOVID-19変異株に対する「リハーサル」を実施してきた。目的は、「リハーサル」を通じて「練習」し、ワクチン発売のプロセスにおける障害を排除することだ。 「実際に免疫を逃れる変異株が見つかった場合、直ちに迅速な行動を取ることができる」とファイザー・ワクチン開発のウイルスワクチン担当副社長兼最高科学責任者、フィリップ・ドルミツァー氏は述べた。

ファイザーの広報担当キット・ロングリー氏は、どんな新しい変異株が出現しても、ファイザーとそのパートナーであるバイオNテックは「決定後約100日以内にその株に対するワクチンを開発し、製造できる」と述べた。

ワクチン接種は不均一であり、人類はウイルスと競争している。 SARS-Co V-2がさらに新しい変異体に進化する前に、できるだけ多くの人にワクチン接種をしたいと考えています。ほとんどの推定によれば、ウイルスの拡散を遅らせたり止めたりするには、人口の60%から70%が免疫を持つ必要があると示唆されている。オックスフォード大学の「World in Data」プロジェクトが推定したワクチン接種率によると、2021年10月下旬の時点で、世界の人口の48.7%が新型コロナウイルスワクチンを少なくとも1回接種している。いいですね? 60%近くになります。

残念ながら、現時点では世界中のワクチン接種率はそれほど高くありません。国によって大きな格差があります。裕福な国ではワクチン接種率が高いが、発展途上国ではそうではない。全体として、低所得国の人口のうち少なくとも1回のワクチン接種を受けた人はわずか3%であり、これは彼らが依然として感染に対して非常に脆弱であり、ウイルスが拡大し進化し続ける余地が十分にあることを意味する。米国を拠点とする非営利の世界保健機関PATHは、COVIDワクチンの展開を「世界的な緊急事態」と呼び、世界中の多くの人々へのワクチン接種には何カ月、あるいは何年もかかる可能性があると指摘した。

米国全土のコミュニティ内でのワクチン接種状況の不均一さ(ワクチン接種を受けていない人、1回しか接種していない人、追加接種を受けた人)は、ある意味では、ウイルスがより速く、より強く、より免疫抵抗力のある方向に進化するのを助長している。つまり、大量のウイルスがワクチン接種を受けていない人々の間で循環しているのだ。大量のウイルスがワクチン接種を受けた人々に感染し、ワクチンによって誘発された抗体と相互作用し、抗体を回避できる新しい変異体の出現につながる。これらはワクチン接種を受けていない人々に感染し、数が増えて再び広がり、すべての人に感染します。

感染が続くと、進化も続くでしょう。マスクの着用、消毒の徹底、社会的距離の確保、ワクチン接種の実施は、私たちが自分自身を守り、新型コロナウイルスの感染拡大を遅らせるための普遍的かつ効果的な方法です。

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