Medical Microbiology · 3/2

ウイルスの増殖。ウイルス生合成の分子基盤：産生感染

Propagation of viruses. Molecular bases of the biosynthesis of viruses: productive infection

🧠 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（DNA/RNA、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。

培養法	特徴
動物接種animal inoculation動物接種（animal inoculation）animal inoculation（動物接種）	マウス・ニワトリ・ラットratラット（rat）rat（ラット）・サルなどを使用。例：新生マウスはコクサッキーCoxsackievirusコクサッキー（Coxsackievirus）Coxsackievirus（コクサッキー）A・B ウイルスの鑑別に使われた。現在は診断には用いられず、研究目的のみ
発育鶏卵での培養	インフルエンザワクチンInfluenza virus vaccinesインフルエンザワクチン（Influenza virus vaccines）Influenza virus vaccines（インフルエンザワクチン）製造に使用。実験動物より安価かつ簡便
細胞培養cell culture細胞培養（cell culture）cell culture（細胞培養）	現在最も用いられる増殖法。ヒト・動物由来zoono-動物由来（zoono-）zoono-（動物由来）の細胞を培養フラスコ／シャーレで培養する

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

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。
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
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。
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
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を形成する。
放出：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」を軸にすると、複製戦略の違いが整理しやすい。

genome型	複製の要点	複製部位	代表例
ssDNA	核内で複製。マイナス鎖negative-sense strandマイナス鎖（negative-sense strand）negative-sense strand（マイナス鎖）を鋳型とし、DNA依存性RNAポリメラーゼDNA-dependent RNA polymeraseDNA依存性RNAポリメラーゼ（DNA-dependent RNA polymerase）DNA-dependent RNA polymerase（DNA依存性RNAポリメラーゼ）を用いる	核	パルボウイルス科Parvoviridaeパルボウイルス科（Parvoviridae）Parvoviridae（パルボウイルス科）など
dsDNA	核内で複製し、宿主の通常のRNAポリメラーゼを利用	核	ヘルペスウイルス科Herpesviridaeヘルペスウイルス科（Herpesviridae）Herpesviridae（ヘルペスウイルス科）など
ポックスウイルスpoxvirusポックスウイルス（poxvirus）poxvirus（ポックスウイルス）	複製に必要な因子をすべて自前で持ち、細胞質で複製	細胞質	ポックスウイルス科Poxviridaeポックスウイルス科（Poxviridae）Poxviridae（ポックスウイルス科）
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）	不完全なDNA鎖を持ち、まず修復されてから転写される	核	B型肝炎ウイルス
ssRNA(+)	そのままmRNAとして使われる。ウイルスポリメラーゼは感染後に新規合成される	細胞質	ピコルナウイルス科Picornaviridaeピコルナウイルス科（Picornaviridae）Picornaviridae（ピコルナウイルス科）など
ssRNA(−)	マイナス鎖negative-sense strandマイナス鎖（negative-sense strand）negative-sense strand（マイナス鎖）を鋳型としてmRNAが合成される。自身の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）を内包internal capsule内包（internal capsule）internal capsule（内包）する	細胞質（オルソミクソウイルスOrthomyxovirusesオルソミクソウイルス（Orthomyxoviruses）Orthomyxoviruses（オルソミクソウイルス）を除く）	パラミクソウイルス科Paramyxoviridaeパラミクソウイルス科（Paramyxoviridae）Paramyxoviridae（パラミクソウイルス科）など
dsRNA	マイナス鎖negative-sense strandマイナス鎖（negative-sense strand）negative-sense strand（マイナス鎖）がmRNA合成に使われる。ビリオンvirionビリオン（virion）virion（ビリオン）が自身のポリメラーゼを内包internal capsule内包（internal capsule）internal capsule（内包）する	細胞質	レオウイルス科Reoviridaeレオウイルス科（Reoviridae）Reoviridae（レオウイルス科）など
レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルス	逆転写酵素によりssRNAがdsDNAへ逆転写され、dsDNAがmRNAへ転写される。逆転写は細胞質で起こり、ウイルス特異的RNAの合成は核内で行われる	細胞質＋核	レトロretroレトロ（retro）retro（レトロ）ウイルス科（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）など）

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異なり（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））、放出様式も出芽・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retroレトロ（retro）retro（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）、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。