ウイルスの増殖。ウイルス生合成の分子基盤：産生感染

🧠 ウイルスの複製サイクル replication cycle 複製サイクル（replication cycle） replication cycle（複製サイクル） は「吸着→侵入→脱殻 uncoating 脱殻（uncoating） uncoating（脱殻） →複製→組み立て→放出」の6段階の一本道であり、途中の分岐点 branch point 分岐点（branch point） branch point（分岐点） は「genomeの型が何か」だけで決まる。 前トピックで整理したgenomeの分類（DNADNA（deoxyribonucleic acid）/RNARNA（ribonucleic acid）、ss/ds、極性）がそのまま「mRNAを作るまでに何ステップ要するか」を決定する——この6段階のフレームに、ゲノム型ごとの複製戦略を当てはめて理解する。

ウイルスの培養法

ウイルスは絶対細胞内寄生体であるため、生きた細胞内でのみ培養できる。

• 細胞培養cell culture 細胞培養（cell culture）cell culture（細胞培養） には2種類ある。

  • 初代培養細胞primary cell lines初代培養細胞（primary cell lines）primary cell lines（初代培養細胞）：寿命が短い
  • 不死化腫瘍細胞immortalized tumor cells不死化腫瘍細胞（immortalized tumor cells）immortalized tumor cells（不死化腫瘍細胞）：例として子宮頸癌 cervical cancer 子宮頸癌（cervical cancer） cervical cancer（子宮頸癌） 由来のHeLa細胞株 cell line細胞株（cell line） cell line（細胞株）が挙げられ、呼吸器合胞体ウイルスrespiratory syncytial virus, RSV呼吸器合胞体ウイルス（respiratory syncytial virus, RSV）respiratory syncytial virus, RSV（呼吸器合胞体ウイルス）・アデノウイルスAdenovirusアデノウイルス（Adenovirus）Adenovirus（アデノウイルス）・単純ヘルペスウイルスherpes simplex virus, HSV 単純ヘルペスウイルス（herpes simplex virus, HSV）herpes simplex virus, HSV（単純ヘルペスウイルス） の回収に優れる

ウイルスの生合成

産生感染productive infection産生感染（productive infection）productive infection（産生感染）とは、宿主細胞のプログラムが切り替わり、宿主自身の物質の代わりにウイルスを産生し始めることをいう。感染性の子孫ウイルス粒子 virion ウイルス粒子（virion） virion（ウイルス粒子） の産生（＝ウイルスの複製）を特徴とする。

ウイルス複製サイクルの6段階

1. 吸着：ウイルス表面タンパク質（スパイクspike スパイク（spike）spike（スパイク） など）が、宿主細胞膜cell membrane 宿主細胞膜（cell membrane）cell membrane（宿主細胞膜） の受容体や他の構造に結合する。

2. 侵入：ビリオン virion ビリオン（virion） virion（ビリオン） が細胞内に入る。

   • enveloped virus：エンベロープが細胞膜と融合し、capsidが細胞内に放出される
   • non-enveloped virus：受容体依存性エンドサイトーシス receptor-mediated endocytosis 受容体依存性エンドサイトーシス（receptor-mediated endocytosis） receptor-mediated endocytosis（受容体依存性エンドサイトーシス） で侵入する

   ⚠️ 「エンベロープあり＝膜融合 membrane fusion膜融合（membrane fusion） membrane fusion（膜融合）／なし＝エンドサイトーシス」と1対1で対にしない。 実際にはエンベロープの有無にかかわらず、動物ウイルスの大半がエンドサイトーシスで取り込まれる——クラスリン依存性エンドサイトーシス、マクロピノサイトーシスmacropinocytosisマクロピノサイトーシス（macropinocytosis）macropinocytosis（マクロピノサイトーシス）、カベオラcaveolaeカベオラ（caveolae）caveolae（カベオラ）／脂質ラフトlipid raft 脂質ラフト（lipid raft）lipid raft（脂質ラフト） 経由など複数の経路が使い分けられている¹。エンベロープを持つウイルスでも、多くはエンドソーム endosome エンドソーム（endosome） endosome（エンドソーム） まで運ばれてから低pHで膜融合 membrane fusion 膜融合（membrane fusion） membrane fusion（膜融合） を起こす（インフルエンザウイルスinfluenza virus インフルエンザウイルス（influenza virus）influenza virus（インフルエンザウイルス） が典型）。細胞膜で直接融合して細胞質に入れるものは一部にとどまる。

3. 脱殻uncoating脱殻（uncoating）uncoating（脱殻）：細胞質でcapsidが分解され、ウイルス核酸が放出される。

4. 核内移行nuclear translocation 核内移行（nuclear translocation）nuclear translocation（核内移行） と複製

   • 暗黒期eclipse period暗黒期（eclipse period）eclipse period（暗黒期）：感染したウイルス自身は検出できなくなる時期。感染ウイルスのタンパク質はすでに分解され、新しいウイルスはまだ産生されていない
   • ほとんどのDNAウイルスは宿主酵素を用いて核内で複製し、RNAウイルスは細胞質で複製する
   • ウイルス核酸 → mRNAへ転写 → ウイルスタンパク質翻訳 → 合成されたポリペプチド鎖は早期タンパク質（early proteins、複製に関与）と後期タンパク質（late proteins、構造タンパクstructural protein 構造タンパク（structural protein）structural protein（構造タンパク） 質）に分かれる → genomeの複製

5. 組み立て（assembly）：複製されたウイルスgenomeとcapsidタンパク質が自己組織化 self-assembly 自己組織化（self-assembly） self-assembly（自己組織化） し、新しいウイルス粒子 virion ウイルス粒子（virion） virion（ウイルス粒子） を形成する。

6. 放出：ウイルス粒子 virion ウイルス粒子（virion） virion（ウイルス粒子） は以下のいずれかで放出される。

   • 開口分泌exocytosis開口分泌（exocytosis）exocytosis（開口分泌）
   • 出芽：エンベロープは細胞膜・小胞体（ER）・ゴルジ体Golgi apparatus ゴルジ体（Golgi apparatus）Golgi apparatus（ゴルジ体） から取り込まれる
   • 細胞融解cell lysis (cytolysis)細胞融解（cell lysis (cytolysis)）cell lysis (cytolysis)（細胞融解）

flowchart TD
    A["吸着<br>Attachment"] --> B["侵入<br>Penetration"]
    B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='uncoating'>脱殻</span><br>Uncoating"]
    C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear translocation'>核内移行</span>・複製<br>Nuclear entry & replication<br>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='eclipse period'>暗黒期</span>）"]
    D --> E["組み立て<br>Assembly"]
    E --> F["放出<br>Release<br>（出芽 / <span class='jp-term jp-term-diagram' title='cell lysis (cytolysis)'>細胞融解</span> / <span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>開口分泌</span>）"]

ウイルスの複製戦略

genomeの型によって、mRNAを合成するまでの経路（＝複製戦略）が異なる。

💡 ここでの分類は、いわゆるボルチモア分類 Baltimore system ボルチモア分類（Baltimore system） Baltimore system（ボルチモア分類） の考え方と対応する。 「genomeからmRNAまで何段階かかるか」を軸にウイルスを分ける発想は、1971年のボルティモアの提案に遡る²。現在は7群に整理される——I: dsDNA、II: ssDNA、III: dsRNA、IV: ssRNA(+)、V: ssRNA(−)、VI: ssRNA-RT（レトロウイルス）、VII: dsDNA-RT（ヘパドナウイルスhepadnavirusヘパドナウイルス（hepadnavirus）hepadnavirus（ヘパドナウイルス））。VI群とVII群はどちらも逆転写酵素を使う点で共通し、下の表で「レトロウイルス」と「ヘパドナウイルスhepadnavirusヘパドナウイルス（hepadnavirus）hepadnavirus（ヘパドナウイルス）」が別行に立っているのがこの2群にあたる（B型肝炎ウイルスはDNAゲノムを持ちながら、RNAを中間体として逆転写で複製する）。

💡 RNAウイルスの複製産物は「1本の配列」ではなく、変異体の雲である。 RNA依存性RNAポリメラーゼと逆転写酵素は校正機能 proofreading 校正機能（proofreading） proofreading（校正機能） をほとんど持たないため、1回の増殖から近縁の変異体集団が生じる——これを準種quasispecies準種（quasispecies）quasispecies（準種）と呼ぶ³。薬剤耐性antimicrobial resistance, AMR 薬剤耐性（antimicrobial resistance, AMR）antimicrobial resistance, AMR（薬剤耐性） 株や免疫逃避 escape 逃避（escape） escape（逃避） 株が治療開始前から集団内に少数存在しうることが、抗ウイルス薬を単剤で使えない理由であり、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）・B型／C型肝炎ウイルスhepatitis C virus (HCV) C型肝炎ウイルス（hepatitis C virus (HCV)）hepatitis C virus (HCV)（C型肝炎ウイルス） の治療設計を規定している。逆に変異率をさらに上げて集団を破綻させる「致死的変異error catastrophe 致死的変異（error catastrophe）error catastrophe（致死的変異） 誘発」という戦略もこの理解から生まれた。

まとめ

• ウイルスは生きた細胞内でのみ培養でき、動物接種animal inoculation動物接種（animal inoculation）animal inoculation（動物接種）・発育鶏卵・細胞培養cell culture 細胞培養（cell culture）cell culture（細胞培養） （現在の主流、初代培養primary culture初代培養（primary culture）primary culture（初代培養）/不死化immortalization 不死化（immortalization）immortalization（不死化） 細胞株 cell line細胞株（cell line） cell line（細胞株））の3法がある。
• 産生感染productive infection 産生感染（productive infection）productive infection（産生感染） とは、宿主細胞のプログラムがウイルス産生に切り替わり、感染性の子孫ウイルスが作られる過程である。
• 複製サイクルreplication cycle 複製サイクル（replication cycle）replication cycle（複製サイクル） は吸着→侵入→脱殻 uncoating 脱殻（uncoating） uncoating（脱殻） →核内移行 nuclear translocation核内移行（nuclear translocation） nuclear translocation（核内移行）・複製（暗黒期eclipse period 暗黒期（eclipse period）eclipse period（暗黒期） を含む）→組み立て→放出の6段階からなる一本道のプロセス process プロセス（process） process（プロセス） である。
• 侵入様式はエンベロープの有無で整理されるが（enveloped virusは膜融合 membrane fusion膜融合（membrane fusion） membrane fusion（膜融合）、non-enveloped virusは受容体依存性エンドサイトーシス receptor-mediated endocytosis受容体依存性エンドサイトーシス（receptor-mediated endocytosis） receptor-mediated endocytosis（受容体依存性エンドサイトーシス））、実際にはエンベロープの有無を問わず大半のウイルスがエンドサイトーシスを経由し、エンベロープウイルスenveloped virus エンベロープウイルス（enveloped virus）enveloped virus（エンベロープウイルス） の多くはエンドソーム endosome エンドソーム（endosome） endosome（エンドソーム） 内の低pHで融合する。放出様式は出芽・細胞融解cell lysis (cytolysis)細胞融解（cell lysis (cytolysis)）cell lysis (cytolysis)（細胞融解）・開口分泌exocytosis 開口分泌（exocytosis）exocytosis（開口分泌） のいずれかをとる。
• 複製戦略（mRNAをどう作るか）はgenome型（ssDNA/dsDNA/ssRNA(+)/ssRNA(−)/dsRNA/レトロウイルス）ごとに異なり、複製部位（核 vs 細胞質）や必要な酵素（RNA依存性RNAポリメラーゼ、逆転写酵素など）が変わる。
• 早期タンパク質（複製関連）と後期タンパク質（構造タンパクstructural protein 構造タンパク（structural protein）structural protein（構造タンパク） 質）の分業が、genomeの複製と粒子の組み立てを時間的に整理している。