Molecular Cell Biology · 34

動物ウイルスの分類；レトロウイルスの構造と複製（EM学生のみ）

Classification of animal viruses; structure and replication of retroviruses (only for EM-students)

🧠 ボルチモア分類Baltimore systemボルチモア分類（Baltimore system）Baltimore system（ボルチモア分類）は「どんな核酸を持ち、それをどうやってmRNAへ変換するか」というただ1つの基準でウイルスを整理する。レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスはこの分類の中で最も「逆説的paradoxically逆説的（paradoxically）paradoxically（逆説的）」なグループ——RNA→DNA→RNAという通常の情報の流れを逆転させる（retro）ため、逆転写酵素という専用の変換装置を自前で持ち運ぶ。HIVはこの逆転写・組み込みの仕組みを利用して宿主ゲノムに「プロウイルスprovirusプロウイルス（provirus）provirus（プロウイルス）」として永続的に居座る、その最も重要な臨床例clinical example臨床例（clinical example）clinical example（臨床例）である。

ボルチモア分類システム

動物ウイルスは他のウイルスと同様、生活環を完了するために宿主細胞に依存する。増殖するには、ウイルスは宿主細胞に感染し、より多くのウイルス粒子を作るようそれを再プログラムしなければならない。ボルチモアシステムBaltimore systemボルチモアシステム（Baltimore system）Baltimore system（ボルチモアシステム）は、ウイルスをその遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）の型と、それがmRNA産生にどう用いられるかによって分類するシステムである。

ウイルスゲノムが一本鎖RNAsingle-stranded RNA一本鎖RNA（single-stranded RNA）single-stranded RNA（一本鎖RNA）からなる場合、それは正（＋）＝センスまたは負（－）＝アンチセンスantisenseアンチセンス（antisense）antisense（アンチセンス）でありうる：

（＋）センスRNAゲノム： mRNAのようなもの——直接タンパク質へ翻訳できる配列を持つ
（－）アンチセンスantisenseアンチセンス（antisense）antisense（アンチセンス）RNAゲノム： 直接翻訳に用いることができない。mRNAに相補的であり、タンパク質を作る前に相補的な（＋）センスmRNAへコピーされなければならない

DNAウイルス

グループI

複製に宿主核を要し、ウイルスゲノムの複製に宿主DNAポリメラーゼを要する
核内へ入り宿主細胞RNAポリメラーゼによりmRNAへ転写される→ゲノムを翻訳
宿主細胞周期に高度に依存するが、ウイルスが細胞に細胞分裂cell division細胞分裂（cell division）cell division（細胞分裂）を誘導することがある→細胞の形質転換、最終的には癌につながりうる
例：ヘルペス、天然痘smallpox天然痘（smallpox）smallpox（天然痘）

グループII

ウイルスゲノムは宿主細胞DNAポリメラーゼを用いて複製され、その後宿主細胞RNAポリメラーゼにより転写される
RNAポリメラーゼによりdsDNAへ変換され、その後DNAポリメラーゼによる変換が続く
2種のDNAポリメラーゼが関与する——1つは宿主細胞のもの、もう1つはウイルス自身のポリメラーゼ
例：パルボウイルスparvovirusパルボウイルス（parvovirus）parvovirus（パルボウイルス）

RNAウイルス

RNAのみを遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）として持つウイルス（純粋RNAウイルス）。ウイルスの遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）を複製するにはRNAがRNAへコピーされる必要がある。これらのウイルスはssRNAまたはdsRNAを産生できるRNA依存性RNAポリメラーゼRNA-dependent RNA polymeraseRNA依存性RNAポリメラーゼ（RNA-dependent RNA polymerase）RNA-dependent RNA polymerase（RNA依存性RNAポリメラーゼ）を必要とする。

グループIII

複製酵素replicase複製酵素（replicase）replicase（複製酵素）により細胞質で複製する
複製には1遺伝子が1タンパク質のみをコードする個々の分節ゲノムが関与する
例：ロタウイルスrotavirusロタウイルス（rotavirus）rotavirus（ロタウイルス）（幼児の胃腸炎の原因）

グループIV

正センス＝mRNAのように機能する→直接タンパク質へ翻訳できる
細胞質で複製し、細胞周期非依存性
まず複製酵素replicase複製酵素（replicase）replicase（複製酵素）により複製され、その後転写酵素transcriptase後転写酵素（transcriptase）transcriptase（後転写酵素）により翻訳される
例：C型肝炎、ポリオ

グループV

アンチセンスantisenseアンチセンス（antisense）antisense（アンチセンス）＝ビリオンvirionビリオン（virion）virion（ビリオン）RNAは負センス→（＋）センスRNAへ転写されなければならない
細胞質で複製し、細胞周期非依存性
例：エボラ、麻疹

レトロウイルス

グループVI

レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスとは、DNA中間体を伴う一本鎖（＋）センスRNAウイルスである。宿主細胞細胞質内に入ると、ウイルスは自身の逆転写酵素酵素を用いてそのゲノムからDNAを産生する——これは通常のパターンの逆であるため「レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）」という名がある。

（＋）ssRNAレトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスは逆転写酵素により（－）ssDNAへ逆転写される
（－）ssDNAはdsDNAへ複製され、これが宿主細胞のRNAポリメラーゼにより新しいウイルスRNA分子を生む

過程：RNA→DNA→RNA→ポリペプチド

大部分のウイルスではDNAがRNAへ転写され、その後RNAがタンパク質へ翻訳される。しかしレトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスは異なる機能を持つ：

flowchart TD
  A["逆転写酵素がウイルスRNAからDNA中間体を産生"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='integrase'>インテグラーゼ</span>酵素がDNA中間体を宿主細胞ゲノムへ組み込む"]
  B --> C["宿主細胞はウイルスDNAを自己ゲノムの一部として扱う（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='provirus'>プロウイルス</span>、provirus）"]
  C --> D["ウイルス遺伝子が細胞自身の遺伝子とともに転写・翻訳される"]
  D --> E["新しいウイルスコピーの組み立てに必要なタンパク質が産生される"]

逆転写酵素がウイルスRNAからDNA中間体を産生する
インテグラーゼintegraseインテグラーゼ（integrase）integrase（インテグラーゼ）酵素がDNA中間体を宿主細胞ゲノムへ組み込む→宿主細胞は「プロウイルスprovirusプロウイルス（provirus）provirus（プロウイルス）」と呼ばれるようになる
宿主細胞はその後ウイルスDNAを自己ゲノムの一部として扱い、ウイルス遺伝子を細胞自身の遺伝子とともに翻訳・転写する→ウイルスの新規コピーを組み立てるために必要なタンパク質を産生する
ウイルスは宿主に感染するまで検出が困難である。その時点で感染は無期限に持続する

逆転写酵素

レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスの応用に必要であり、3つの酵素活性を有する：

RNA依存性DNAポリメラーゼ（逆転写酵素活性）
3′リボヌクレアーゼ（RNase H——RNA分解）
DNA依存性DNAポリメラーゼ

レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスは特に重要である——後天性免疫不全症候群acquired immunodeficiency syndrome, AIDS後天性免疫不全症候群（acquired immunodeficiency syndrome, AIDS）acquired immunodeficiency syndrome, AIDS（後天性免疫不全症候群）（AIDS）を引き起こすウイルスであるヒト免疫不全ウイルスhuman immunodeficiency virus, HIVヒト免疫不全ウイルス（human immunodeficiency virus, HIV）human immunodeficiency virus, HIV（ヒト免疫不全ウイルス）がレトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスであるためである。

HIVウイルス

構造

内側カプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）と外側カプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）を持つ
内側カプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）内に遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）＝（＋）ssRNA——同一の2コピー
内側カプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）には逆転写酵素も含まれる
リジンアミノ酸用のtRNAが逆転写のプライマーとして機能する
インテグラーゼintegraseインテグラーゼ（integrase）integrase（インテグラーゼ）酵素も含まれる——ウイルスDNAの宿主DNAへの組み込みに必要
カプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）全体はエンベロープ（脂質二重層lipid bilayer脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層）、表面にウイルスタンパク質を含む）に囲まれている

レトロウイルスゲノムの3つの主要遺伝子：Gag、Pol、Env

Gag：カプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）タンパク質をコード
Pol：逆転写酵素・インテグラーゼintegraseインテグラーゼ（integrase）integrase（インテグラーゼ）・プロテアーゼをコード
Env：エンベロープタンパク質をコード
これらの遺伝子が転写・翻訳されると、産物は多くのタンパク質を含む1つのタンパク質（ポリタンパク質）であり、プロテアーゼにより個々のタンパク質へ切断される必要がある
Pol遺伝子はGagとのポリタンパク質のみを作る
（逆転写酵素はLTRを産生する）
（＋）ssRNAの両端には短い反復配列repetitive sequence反復配列（repetitive sequence）repetitive sequence（反復配列）（短末端反復配列repetitive sequence反復配列（repetitive sequence）repetitive sequence（反復配列））があり、これらはdsDNAでは長末端反復配列long terminal repeat, LTR長末端反復配列（long terminal repeat, LTR）long terminal repeat, LTR（長末端反復配列）配列に置き換わる
これらのLTRは核への進入・宿主DNAへの組み込み・転写に必須である——ウイルスDNAのプロモーターとして機能するためである
元のRNAは逆転写酵素により逐次分解される
インテグラーゼintegraseインテグラーゼ（integrase）integrase（インテグラーゼ）はLTRを認識しウイルスDNAの核への転位を助ける（ランダムな組み込み）

ウイルスDNAのエンベロープポリタンパク質は宿主原形質膜plasma membrane形質膜（plasma membrane）plasma membrane（形質膜）に集まりカプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）ポリタンパク質を動員する→2コピーのウイルスmRNAも会合する→膨隆と新規ウイルス粒子の分離が起こる→プロテアーゼ切断/最終成熟はウイルス粒子が細胞を離れた後にのみ起こる。

まとめ

ボルチモア分類Baltimore systemボルチモア分類（Baltimore system）Baltimore system（ボルチモア分類）は遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）の型（dsDNA・ssDNA・dsRNA・＋/－ssRNA・レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルス）とmRNAへの変換様式によりウイルスを6グループに分類する。
DNAウイルス（グループI・II）は宿主のDNA/RNAポリメラーゼに依存し、RNAウイルス（グループIII〜V）はRNA依存性RNAポリメラーゼRNA-dependent RNA polymeraseRNA依存性RNAポリメラーゼ（RNA-dependent RNA polymerase）RNA-dependent RNA polymerase（RNA依存性RNAポリメラーゼ）を介して複製する。
レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルス（グループVI）は逆転写酵素によりRNA→DNAという逆転した情報の流れを持ち、インテグラーゼintegraseインテグラーゼ（integrase）integrase（インテグラーゼ）により宿主ゲノムへプロウイルスprovirusプロウイルス（provirus）provirus（プロウイルス）として組み込まれる。
HIVはGag・Pol・Env遺伝子とLTR配列を持つ代表的レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルスであり、逆転写・組み込み・ポリタンパク質切断という一連の機構により宿主細胞に持続感染persistent infection持続感染（persistent infection）persistent infection（持続感染）を確立する。