【遺伝子はいかに人生を支配するか(3)―遺伝とウイルス】

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小川 あい

小川 あい

サイエンスライター

東京大学大学院 新領域創成科学研究科先端生命科学専攻修士課程修了。修士(先端生命科学)

長年、製薬業界でデータサイエンスに関わる傍ら、コーチングや絵を学ぶ雑食系として生息していた。いろんなものをかじりすぎて自分でも正体がわからなくなり、ついに独立。独立後、雑食を続けながら、理屈では割り切れない血の通ったサイエンスを求め、さすらいのサイエンスライターとして活動を始める。

しばし、データから導かれる科学的な事実と、日常の感覚には隔たりがある。「科学は残酷ではない。残酷なのはそれを解釈する人間だ」をモットーに、科学と日常の境界を橋渡しするような、雑食系ならではの情報発信を目指している。

最近、フリーランスの洗礼を受け、家族5人分の保険料の高さに悶絶。(保険料高い…なんで子どもまで保険料とるの…。)これだけ文明が発達したのに、人間が生きるコストが上がり続けるのは、何かがおかしい!…というわけで、「生きる=ゼロコストに!」を目標に、自然農法にもチャレンジ。ちなみに、根っからのビール党、麦100%派。

世界が震撼する新型コロナウイルス。

日々、錯綜する情報に、不安になられている方も多いと思います。

 

ところで、みなさんはどのくらい、ウイルスのことを知っていますか?

怖い病気を引き起こすもの・・・?

人類の脅威・・・?

実は、我々ヒトとウイルスには、単純には割り切れない関係があります。

本日は、案外、知られていないウイルスの姿をご紹介いたしましょう。

 

 

1.ウイルス、細菌、菌・・・あなたは区別できる?

 

 

ウイルスって言われたらどんなイメージですか。

多分こんな感じ・・・

 

 

空気中でふわふわ漂い、イガイガしていて・・・悪そうな人相(笑)

病原体のイメージは、アニメ『アンパンマン』のばいきんまんであったり、あるいは『ナウシカ』に登場する巨大粘菌であったり・・・ フィクションのイメージ画が独り歩きしていますが、ウイルスの本当の姿とは程遠いもの。

 

ウイルスは…

「食べない」ので口もない。

「光を感じない」ので目もない。

光どころか、熱も触れた感触もわからない。あらゆる刺激を受け取る仕組みがない。

一方、病原体と言えば、O-157をはじめとする細菌が有名でしょう。

彼らは、食べるし、種によっては光や熱を感じることができます。分裂して増え、時に群れて集合することも。顔や目のある擬人化は、ありといえばあり。

そう。細菌とウイルスは、まったく異なるものなのです。

そもそも、細菌は生物の一つのグループですが… ウイルスは生物ですらないんですもの。

 

病原体の違いについて、大幸薬品株式会社のホームページに、非常にわかりやすい解説がありましたのでご紹介します。主な病原体としてあげられる、ウイルス、細菌、真菌が、どんな特徴を持っているのか、列記されていますので、是非、ご参照ください。

 

ウイルス・細胞・真菌(カビ)の大きさと、基本的な構造の違い。(大幸薬品の上記ホームページの図を一部抜粋)

 

比べてみれば歴然!

サイズも形も、ウイルスと、ほかの生物では随分異なっているでしょう?

ウイルスは、ヒトの細胞のおよそ千分の一の大きさしかなく、その構造は、タンパク質や脂(あぶら)でできた膜が核酸を覆っているだけ。

 

だから、ウイルスはとても弱い

石鹸やアルコールに接すると、膜は瞬く間に溶けてしまい、バラバラになります。

手洗い、うがい、消毒!! …とうるさく注意されるのはこういうわけなのです。

 

 

2.生物と非生物の間

 

 

ところで

ウイルスが生物ではないってどういうこと?!

感染して病気を引き起こし、広がっていくのに?!

 

…って、思いません?

 

そもそも、生命とは何か、みなさん、わかりますか?

 

胎児に人権はあるのか…

ヒトの卵細胞を用いた実験は人体実験なのか…

クローンは同じ命なのか…

 

「命」とは、身近でありながら、なんとも難解な問いです。

 

…ぶっちゃけまして、現代科学は、命とは何か説明することはできません! 

今のところ、暫定的な生命(生物)の定義があるだけなんですよー!

 

生物学の歴史を紐解いてみると、生命の定義そのものが後付けです。[1]

生命の定義がなくても、主観的に捉えた「生きもの」の研究はできるので…「生命は定義するより,研究する方がやさしい」と言った学者もいたとか。

 

そんな残念な前提の上で、現時点での一般的な定義をご紹介しましょう。

生物学では、一般的に、以下の3つの条件を満たした時に、それを『生きもの』とみなしています。

 

①膜を持つ(外の環境との境界を持つ)
②代謝を行う(その膜の内側で化学反応を起こし、物質を合成したり分解したり、エネルギーを取り出したりする)
③自己複製する(自分と同じものを作り出す)

 

この3つ、どれが欠けても「生きもの」とは言えません。

例えば、膜だけならシャボン玉もクリア(1の条件)。

太陽では、連鎖的に核融合を起こして大量のエネルギーを生じています(2の条件)。

鉱物では、同じ構造が繰り返され結晶として成長することがあります(3の条件)

これらは、いずれも「生きもの」とはみなされません。

 

さて、ウイルスはこの条件で見た時にどうなるのか。

先に述べた通り、ウイルスは、膜の中に核酸(DNAまたはRNA)を持つだけのシンプルな形をしています。ここで1の条件を満たします。

しかし、この膜の中で化学反応を起こし、物質を分解したり合成したりすることはできません。したがって、自分の複製を作ることもできません。2と3の条件は満たせないわけです。

ところが、ウイルスは、他の生物の細胞に入り込むことで、自分の複製に必要なタンパク質や核酸を合成し(2の条件)、複製した多量の個体を、宿主の細胞の外に放出させます(3の条件)。

つまり、ウイルスは、それだけでは機能しない「生きもの」の部品のようなものです。単独ではどんな働きもしない部品が「生きもの」に組み込まれることによって機能を発揮し、自分を複製します。

結果として増殖することを考えれば、ウイルスを生物に含めるべき…という意見もあります※1。しかし、上記の三つの条件を変えてしまうと、他の様々な現象が生物に含まれてしまう不都合が…。つまり、大人の事情により、ウイルスは生物と非生物の間に宙ぶらりんと浮かんでいる、というわけです。

※1「非細胞性生物」という表現をする場合があります

 

ところで、SFで見られるような人造人間や、コンピュータによって発生した人格は、上記の三つの条件に当てはまりませんよね。今後、AIが発達したら、生命の定義はさらに揺らぎ、さらに曖昧になるかもしれません…

 

 

3.ウイルスは好みがうるさい?!

 

 

 

今のところ、生物と非生物の間に浮かんでいる不思議な存在のウイルス。

原始的な生物に感染する共通ウイルスの研究から、少なくとも、三十億年前から存在したと言われています。[2]

 

しかし、その起源には諸説あり、結論は出ていません。

昔は生物だったものがウイルスに進化したのか…それとも、生物とは別に独自に発生した存在なのか。

 

現在、人類が把握しているウイルスの多くは、ヒトや身近な生き物に感染して、何かしらの影響を与え、表面化したものだけ。実は、地球上に、どれだけの種類、どれだけの量のウイルスがいるのかも、わかっていません。

 

そんな研究半ばのウイルスですが、ひとつの大きな特徴が知られています。

それは宿主特異性です。

宿主とは、ウイルスを含めてすべての寄生生物が寄生する相手の生物のこと。宿主特異性とは、特定の生物にしか寄生できないことを意味します。

 

宿主特異性を理解するために、ウイルスの感染の仕組みをさらっーとご説明しましょう。

ウイルスにもいろいろ種類があるのですが、ここでは、身近なウイルスとして、インフルエンザウイルスを例にしました。

 

【インフルエンザウイルスの感染の仕組み】

①ウイルスの膜の表面にあるタンパク質が、宿主の細胞の表面にあるタンパク質と結合する。
②宿主の細胞の膜を押し込むようにして、細胞内に取り込まれる。
③宿主の細胞の膜と、ウイルスの膜が融合し、ウイルスの核酸が宿主の細胞内に放出される。
④ウイルスの核酸が、宿主の核(DNAを保存している場所)に取り込まれ、遺伝情報が読み解かれる。
⑤ウイルスの複製に必要な、タンパク質や核酸が、細胞内で合成される。
⑥宿主の細胞の膜を使って、ウイルスの膜が作られ、その膜で、ウイルスの核酸が取り込まれる。
⑦完成したウイルスが宿主の細胞の外に放出される。

 

図1:インフルエンザウイルスが細胞内に侵入する仕組み[3]

 

ウイルスの感染症が、細菌などの感染症と大きく違うのは、宿主の細胞の一部に成りすまして、機能をとことん使う必要があることです。

 

他の寄生生物が、どかどかと他人の家に入り込み強引に食べ物を奪っていくようなものだとすると、ウイルスは身内の振りをして玄関から家にあがりこみ、家族と同じテーブルで食事を食べ、いつの間にか、しれっと子どもを産み増やすようなもの。

 

なんと大胆な押し掛け強盗…!

 

これには、かなりの工夫がいります。

まず、細胞を壊さないよう入り込まなければなりません。ドアをぶち破ったり、壁に穴をあけるようなやり方では、宿主の細胞は、ウイルスが増殖する前に死んでしまいます。その工夫が①②③のプロセスになっています。

 

特に①は、玄関の合い鍵のようなもの。

カチッと形がぴったりあう扉であれば簡単に開くことができますが、形が違っていると、なかなか開けられません。①の結合を起こすタンパク質が多いか少ないか、結合が強いか弱いか、が感染力を決めています。

 

さらに、宿主の一番大切な部屋(核)に入り込む必要があります。自分を再生するための遺伝情報を、宿主の遺伝子同様に読み取ってもらうのです。

 

※3 ウイルスの種類によっては核には入らないものもあります。

 

しかも、自分の手持ちの遺伝情報だけでは自分を複製できません。宿主に、足りない分の遺伝情報が揃っていて、それを使わせてもらって初めて複製できるようになります。

 

自分を複製するための設計図や材料、道具が揃っている宿主でなければ寄生できない…お見合いで相手を選ぶより、ずっと条件が厳しいと思いませんか?!

 

ウイルスは、この宿主特異性のため、特定の種にしか感染ができません。

 

 

4. 新しい出会いがパンデミックを生む

 

 

新しいことって慣れるのに時間がかかりますよね。

今、まさに、そんな体験をしている人たちが多いと思います…新しいって、それだけでパニックになりませんか?

 

いきなり、リモートワークしろ…とか、明日から学校おやすみです…とか、外食を控えろ…とか。

 

もし、もともとリモートワークだった人、もともとホームスクールだった人、もともと家で料理することが好きな人…だとしたら、以前と変わらない生活なので、ストレスを感じないかもしれませんね。

 

私たちの体内でも同じようなことが起きています。

我々の高度な免疫機能は、我々が生きてきた過程で情報を蓄積してアップデートされますが、未知な攻撃には弱い…。

 

ウイルスは、本来、特定の種にしか感染せず、いわば、宿主とウイルスはお互い見知った顔。多くのウイルスに対して、ヒトはすでに防御システムを構築して、深刻な影響を及ぼすウイルスは淘汰されていきます。

 

ところが、まれに、ウイルスは宿主特異性を越えて感染することがあります。

本来開かないはずの鍵が、何かの拍子で、強引に細胞の玄関を開いてしまうんです。

 

こんなことは、めったに起きないことです。しかし、めったに起きない…ということの意味は、確率の問題=チャンスが多ければ起きる可能性が高まるということです。

 

通常ないほどに大量のウイルスがヒトの上皮細胞に付着し、少しずつ変異した鍵を手あたり次第に試せば… そして、そういうことが日常的に、多数のヒトとの間で繰り返されていたとしたら…。そのうちの一つが、鍵をこじ開けることに成功して、普段は入り込まれないヒトの細胞内へ侵入することも、起きてしまうのです。

 

突然、世界に表れた新しいウイルスには、免疫を持っている人はいません。ウイルスに対する十分な防御システムもなく、簡単に感染してしまい、あるいは、重症化しやすくなります。

 

これが、パンデミックを生む仕組みです。

 

近年、トリインフルエンザウイルス(2003-2006年頃、および2013-2017年頃)、SARSウイルス(2003年)など、人に致死的感染を起こす野生動物由来のウイルスが続々と報告されています。これは現代社会の発展に伴い、野生動物の生息域とヒトの生活圏が交わったため、と考えられています。[4]

 

さらに、人口増加や、飛行機などを介したヒトやモノの流通の発達により、その感染はまたたくまに世界中に広がるようになりました。新型コロナウイルスの世界的な広がりは、ウイルスと人類文明の相互作用によって引き起こされたものと言えます。

 

 

 

5. 利用されているのはどっち?

 

 

やっぱりウイルスは怖いもの?!

現代文明でも、撲滅できないのかーーーーー!!!!

 

・・・と不安に駆られる前に。

 

実は、あなたもウイルスを利用しているって知っていますか?

しかも、あなたとウイルスは、お互いにしっかりと結びつき、もはや、ウイルスがあなた自身であることを。

 

ウイルスとあなたの熱い関係を説明するために、レトロウイルスというウイルスのグループをご紹介しましょう。

 

レトロウイルスは、なんと、自分の遺伝情報を宿主のゲノムの中に組み込んで増殖します!漫画『寄生獣』より、かなり深い食い込み方!!! 細胞よりさらに深い、ゲノムレベルで食い込むとは、グロテスクじゃありませんか?!

 

このタイプのウイルスが一度感染したら、生まれた時に授かった本来のDNAから、ウイルスの遺伝子を引きはがすことはできません。体内から完全にウイルスの遺伝情報を排除することができないため、レトロウイルスによる感染症は、薬などで症状が抑えられても、再発を繰り返し、完治が難しいと言われています。

 

組み込まれたウイルスの遺伝子は、長いこと眠りについて活動せず、特に宿主に影響を与えないことがあります。これは、「潜伏感染」という現象です。この時、ウイルスの遺伝情報は宿主のゲノムとともに増幅されますが、ウイルス特異的なタンパク質の合成などは行われず、宿主の免疫システムはウイルスを感知できません。ウイルスを内部に抱え込みながら、そうとは知らずに過ごすわけです。

 

例えば、日本人の多くが抗体を保有する(=感染経験をもつ)ヘルペスウイルスもそのひとつ。普段は悪さをせず、症状のない人が多いですよね。ところが宿主の免疫力が下がると、急に活性化して増殖し、何かしらの症状が現れます。普段は意識したことがないのに、疲れがたまると口の周りに湿疹が…という方も少なくないでしょう。ヘルペスの症状は抑えられても、一度感染したヘルペスウイルスの遺伝子は排除できず体内に残るので、免疫が落ちる度に再発してしまうのです。

 

HIVウイルスもレトロウイルスのひとつ。

 

今では治る病気と言われ、感染者の寿命は健常者と大きく変わりませんが、厳密な意味で完治するわけはありません。生涯を通じて投薬が必要になるのは、決して取り除けないウイルスを抑え込んでおく必要があるからです。

 

さて、このように厄介なレトロウイルスですが、実はヒトゲノムを調べてみると、その8%がレトロウイルス由来の塩基配列だとわかりました!

潜伏感染を繰り返すうち、眠ったまま、宿主のゲノムそのものになってしまったウイルスが多数いるんですね。[5]

 

ウイルス由来の多くの配列はただのジャンク(機能を持たない)と思われてきましたが、調べていくうちに、このうちの一部が機能を持つことがわかってきました。

 

そのひとつは、胎盤形成になくてはならないシンシチン遺伝子。[6]

胎盤形成は哺乳類に共通した機能ですが、種により形態が大きく異なることが知られていました。胎盤を形作るうえで非常に重要な、細胞融合を起こすタンパク質、シンシチンを調べてみると、生物種ごとに別のウイルスから遺伝子を獲得したことがわかってきました。しかも、いろんなウイルスから新しい遺伝子を獲得するごとに、よりよい遺伝子に変えていったようなのです。

 

言い換えれば、ウイルスが運んでくる新しい遺伝子をとっかえひっかえ試しながら、より使いやすいものに変えていったと…。

 

あれ? ウイルスって害のある居候じゃなかった??

 

生物の種にとって、いかに、有利な形質を獲得していくかは死活問題。

ところが、遺伝子の改変は簡単ではありません。

オンラインショップで、より機能性の高いパーツを選んで自分をアップデート…とはいかないんですね。生物が自分たちの努力で変えられる形質は、せいぜいが「より大きく」「より軽く」「より機敏に」…と、もともと持っている機能のマイナーチェンジでしかありません。一気に何世代か先のスペックを手に入れたら、どれだけ生存に有利でしょう?!

しかもウイルスなら、一気に感染が広がり、いっぺんに多くの個体が遺伝子を獲得できます。

 

…というわけで、ウイルスは生物の進化に、大きな影響を与えていると考えられています。

 

さて、したたかなのはウイルス? それとも生物?

 

 

【本日のまとめ】

 

  • ウイルスは単独では何ら活動できない、生物と非生物の間の存在
  • ウイルスは好みがうるさく、特定の生物にしか感染できない
  • ごくまれに、ウイルスはそれまでとは異なる生物に感染する
  • 新しいウイルスが感染すると、免疫機能が対応できず、パンデミックを起こす
  • レトロウイルスは、宿主のゲノムに組み込まれて増殖する
  • 多くの生物が、ウイルス由来の遺伝子を利用して生きている

 

 


 

【参照資料】

[1] 大島泰郎「生命の定義と生物物理学」、特集 日本発の生物物理学50 周年記念,,『生物物理』50巻3号 ,pp.112-113,2010年
https://www.jstage.jst.go.jp/article/biophys/50/3/50_3_112/_pdf

[2] Eugene V Koonin, et.al, “ The ancient Virus World and evolution of cells”, Biology Direct 1, 29 (2006),
https://biologydirect.biomedcentral.com/articles/10.1186/1745-6150-1-29#Sec11

[3]大場雄介「インフルエンザウイルスが細胞内に侵入する新たなしくみを発見!」、Nature Careers特集記事, 2011年3月10日、一部抜粋.
https://www.natureasia.com/ja-jp/jobs/tokushu/detail/227

[4] 山内一也「自然界でのウイルスの生態」、牛海綿状脳症(BSE):連続講座 人獣共通感染症 第169回,日本獣医学会、2006年2月2日,, https://www.jsvetsci.jp/veterinary/zoonoses/169.php

[5] David J Griffiths, “Endogenous retroviruses in the human genome sequence”, Genome Biol, 2(6), 2001, reviews1017.1–reviews1017.5.
https://genomebiology.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/gb-2001-2-6-reviews1017

[6] K. Imakawa, et al., “Baton pass hypothesis: Successive incorporation of unconserved endogenous retroviral genes for placentation during mammalian evolution”, Genes to Cells, Review, 20, 2015, pp.771–788.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gtc.12278

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東京大学大学院 新領域創成科学研究科先端生命科学専攻修士課程修了。修士(先端生命科学)

長年、製薬業界でデータサイエンスに関わる傍ら、コーチングや絵を学ぶ雑食系として生息していた。いろんなものをかじりすぎて自分でも正体がわからなくなり、ついに独立。独立後、雑食を続けながら、理屈では割り切れない血の通ったサイエンスを求め、さすらいのサイエンスライターとして活動を始める。

しばし、データから導かれる科学的な事実と、日常の感覚には隔たりがある。「科学は残酷ではない。残酷なのはそれを解釈する人間だ」をモットーに、科学と日常の境界を橋渡しするような、雑食系ならではの情報発信を目指している。

最近、フリーランスの洗礼を受け、家族5人分の保険料の高さに悶絶。(保険料高い…なんで子どもまで保険料とるの…。)これだけ文明が発達したのに、人間が生きるコストが上がり続けるのは、何かがおかしい!…というわけで、「生きる=ゼロコストに!」を目標に、自然農法にもチャレンジ。ちなみに、根っからのビール党、麦100%派。