SARS-CoV-2の細胞侵入のメカニズム(2021年10月)

カイン

Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells

SARS-CoV-2の細胞侵入のメカニズム

元→Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells | Nature Reviews Molecular Cell Biology

Abstract


SARS-CoV-2 の感染によって引き起こされた、COVID-19パンデミックによる前例のない公衆衛生と経済への影響に対し、同様に前例のない科学的対応が行われています。
この反応の多くは、SARS-CoV-2の宿主細胞への侵入メカニズム、特に、スパイク (S) タンパク質とその受容体であるアンジオテンシン変換酵素 2 (ACE2) の結合、およびその後の膜融合に適切に焦点を当ててきた。

このレビューは、多段階の SARS-CoV-2 侵入プロセスを理解するための構造的および細胞的基礎を提供します。これには、S タンパク質の合成、S タンパク質の構造、S タンパク質と ACE2 の会合に必要な構造転移、S タンパク質の受容体結合ドメインと ACE2 の結合、S タンパク質のタンパク質分解活性化、エンドサイトーシスおよび膜融合が含まれます。

我々は、これらのプロセスにおけるフリン様プロテアーゼ、膜貫通プロテアーゼ、セリン 2 (TMPRSS2)、およびカテプシン L の役割を定義し、保有動物種における ACE2 オルソログの特徴と、効率的なヒト伝染を促進する S タンパク質の適応を概説します。

また、SARS-CoV-2の侵入メカニズムを標的としたワクチン、抗体、その他の潜在的な治療法の有用性も調査します。
最後に、この重要なプロセスに関連する主な未解決の疑問を紹介します。


Introduction


SARS-CoV-2は、2020 年に世界的なパンデミックにまで拡大した COVID-19 の原因物質です。
SARS-CoV-2 は、ベータコロナウイルス属のエンベロープを持ったポジティブセンスの一本鎖 RNA ウイルスです。
2002 年から 2004 年の SARS 流行の原因となり、SARS-CoV-2 と 79% のヌクレオチド配列同一性を共有する SARS-CoV に加えて、 この属には、ヒトコロナウイルス (HCoV)-OC43、HCoV-HKU1、中東呼吸器症候群コロナウイルス (MERS-CoV) も含まれます。
SARS-CoV-2 は、その必須受容体であるアンジオテンシン変換酵素 2 (ACE2) に依存して細胞に侵入します； ACE2 は、2003 年に SARS-CoV の受容体として最初に同定されました。
ACE2 はアルファコロナウイルス HCoV-NL63 の受容体でもあり、別のアルファコロナウイルス HCoV-229E、ベータコロナウイルス HCoV-OC43 および HCoV-HKU1 とともに、軽度の上気道感染症の原因物質として知られています。

コロナウイルスのビリオンは、構造タンパク質であるヌクレオカプシド（N）、膜（M）、エンベロープ（E）、スパイク（S）タンパク質で構成されています（図1）。

ウイルス粒子の侵入段階（宿主細胞膜への付着および融合を含む）は、S 糖タンパク質によって媒介されます。

S タンパク質はホモ三量体として組み立てられ、ビリオンの膜に複数のコピーで挿入され、ビリオンに王冠のような外観を与えます。

HIV-1、エボラウイルス、鳥インフルエンザウイルスを含む多くのウイルスの侵入糖タンパク質は、感染細胞内で切断されて 2 つのサブユニット— 細胞外および膜貫通 — になります（つまり、ウイルスを産生する細胞からウイルスが放出される前に切断が起こります）。
同様に、一部のコロナウイルスの S タンパク質は、感染細胞内での生合成中に切断されて S1 サブユニットと S2 サブユニットになります。 一方、他のコロナウイルスの S タンパク質は、次の標的細胞に到達したときにのみ切断されます。

SARS-CoV-2は、MERS-CoVと同様、最初のカテゴリーに属します。そのSタンパク質は、ウイルス生産細胞内のフリンなどの前タンパク質転換酵素によって切断されます（図1）。

したがって、成熟ビリオン上の S タンパク質は 2 つの非共有結合したサブユニットから構成されます：S1 サブユニットは ACE2 に結合し、S2 サブユニットは S タンパク質を膜に固定します。
S2 サブユニットには、新しい細胞の感染時に膜融合を媒介するために必要な融合ペプチドおよびその他の機構も含まれています。

ウイルス侵入糖タンパク質による受容体の結合は、通常は他のトリガーを伴い、両方のサブユニットに劇的な構造変化を引き起こし、ウイルス膜と細胞膜を結合させ、最終的にはウイルスゲノムが細胞質に到達できる融合孔を形成します。

SARS-CoV-2 の場合、そのようなトリガーの 1 つは、「S2'部位」と呼ばれる、S2 サブユニット内部の追加部位の切断です。
ウイルスによる ACE2 の関与により、S2' 部位が露出します。
細胞表面の膜貫通プロテアーゼ、セリン 2 (TMPRSS2)、または ACE2 媒介エンドサイトーシス後のエンドソーム区画のカテプシン L による S2’ 部位の切断により、融合ペプチドが放出され、融合細孔の形成が開始されます (図 1)。

ウイルスゲノムは細胞質にアクセスする必要があり、この孔が拡張してウイルスと細胞膜がシームレスに結合する場合にのみアクセスできるため、このプロセスのすべてのステップが重要です。

このレビューは、多段階の SARS-CoV-2 侵入プロセスを理解するための構造的および細胞生物学的基礎を提供します。
SARS-CoV-2 の侵入プロセスの多くは、SARS-CoV に関する以前の研究から情報を得ていました。 これは同様の侵入プロセスを共有しており、感染性 SARS-CoV-2、偽ウイルス、ウイルス様粒子、S タンパク質の構造分析に焦点を当てた研究を組み合わせて解釈しています。
また、ヒト宿主への適応を支えるSタンパク質の進化と変異についても議論し、SARS-CoV-2の侵入メカニズムを標的とした現在のワクチンアプローチと治療戦略の概要を提供します。

Coronavirus S protein


SARS-CoV-2 の単量体 S タンパク質は、S タンパク質三量体あたり 66 個の N 結合型グリカンを持つ I 型膜タンパク質です。 いわゆるクラス I ウイルス融合タンパク質に属し、例としてインフルエンザウイルスの赤血球凝集素タンパク質があります。
したがって、コロナウイルスのSタンパク質と赤血球凝集素は、膜融合を促進する構造組織と立体構造遷移を共有しています。

Sトリマーの全体構造

SARS-CoV-2 S タンパク質の構造生物学は、COVID-19 の最初の発生以来、非常に急速に進歩しました。

融合前立体構造で安定化された細胞外ドメイン、受容体結合ドメイン (RBD) – ACE2 複合体、および融合後立体構造の S2 サブユニットのセグメントがあるWuhan-Hu-1株由来のSタンパク質断片の構造（図2a）は、低温電子顕微鏡法 (cryo-EM) または X 線結晶構造解析によって決定されました。

それらの後に、界面活性剤で可溶化された全長Sタンパク質の構造（図2b〜d）、およびビリオン表面の膜に結合した無傷のSタンパク質の構造が続きました。これらは、武漢-Hu-1株とD614G変異を有するB.1株の両方の化学的に不活化されたSARS-CoV-2調製物を使用したクライオ電子断層撮影法によって得られたものです (D614Gは、S タンパク質で最初に知られた変異の 1 つであり、他の変異株でも蔓延していることが示されています) (表 1)。

これらの独立して得られた構造は互いにほぼ一致しており、タンパク質の全体的な構造と原子の詳細の両方が明らかになりました。

融合前構造では、S1 サブユニットが 4 つのドメインである アミノ末端 (N 末端) ドメイン (NTD)・RBD・ 2 つのカルボキシ末端 (C 末端) ドメイン(CTD1 および CTD2)に折り畳まれ、融合前 S2 サブユニットの周りを包み込みます。
これは、ウイルス膜に向かって後ろに曲がる7タッドリピート1（HR1）を持つ中央のらせん束を形成します（図2a）。

S三量体の3つのRBDはSタンパク質の頂点を形成し、受容体がアクセス可能な状態を表す「アップ」と受容体がアクセスできない状態を表す「ダウン」という2つの異なる立体構造をサンプリングします（図2b-d）。
構造変化は S1 サブユニットの S2 からの離脱を引き起こし、おそらく S2 からの解離を引き起こします。一方、S2は再折り畳みイベントのカスケードを受けて、安定で伸長した三量体を形成します（図2e）。


NTD

NTDは主に4枚の積み重ねられたβシートと、いくつかのN結合型グリカンを有する多数の接続された柔軟なループによって形成されます（図2a）。

NTD が SARS-CoV-2 の侵入において機能的な役割を果たすかどうかは不明のままです。

同様の NTD は、HCoV-OC43 またはウシ コロナウイルスによる付着因子として機能する糖部分の結合、またはマウス肝炎ウイルスによるタンパク質受容体への結合を促進すると考えられます。
伝染性胃腸炎ウイルスと MERS-CoV の NTD は、S タンパク質の融合前から融合後への移行を促進する可能性があります。

特に、SARS-CoV-2 の NTD は、いくつかの強力な中和抗体 (例：4A8 および 4-8) によって標的とされています。 これは、それが機能的に重要であるか、少なくともRBDなどの他の機能的に重要な領域の近くに位置している可能性があることを示唆しています。
興味深いことに、新たに出現した変異体は NTD に変異や欠失を持っていることが多く、これらの中和抗体に対する耐性が生じています。


RBD

RBD には 2 つのサブドメインがあります (図 2a)：① 両側の短い接続αヘリックスで覆われた5本鎖の逆平行βシートによって形成されるコア構造、 ②「受容体結合モチーフ」（RBM）と呼ばれる拡張ループ、 これはコア構造の 1 つのエッジを包み込み、ACE2 とすべての接触を形成します。

融合前 S 三量体のダウン構造では、単一の RBD が S2 の中央のらせん束と他の 2 つの RBD に対して固まります。 同じプロトマーからの CTD1 と隣接するプロトマーからの NTD に依存しています (図 2b、c)。
この構成により RBM が部分的に閉塞され、受容体 ACE2 がアクセスできなくなります。
RBDがアップコンフォメーションに反転し、RBMが完全に露出すると（図2d）、隣接するCTD1とNTDもRBDの動きに適応するために離れます。
したがって、RBD のダウン コンフォメーションからアップ コンフォメーションへの移行は、受容体が完全に結合する前の重要なステップであり、one-RBD-up コンフォメーションは安定した中間状態であると考えられます。

他のサルベコウイルス由来の RBD は、ヒト ACE2 (hACE2) バインダーと非 hACE2 バインダーの 2 つの異なるグループに分類できます。
コアサブドメインの配列同一性が高いため、それらは同様に折りたたまれる可能性があります。 しかし、非 hACE2 バインダーの RBM における ACE2 結合界面の変化は、非 hACE2 バインダーが hACE2 を侵入受容体として使用できないことを説明できる可能性があります。
重要なのは、RBD は自然感染またはワクチン接種によって誘発される中和抗体の主な標的でもあることです。

RBD には 3 つの主要な非重複抗原部位があります (図 2a)。

REGN10933 (カシリビマブ) や C144 を含むほとんどの RBD 指向性中和抗体は RBM の先端領域を認識し、直接競合によって ACE2 結合をブロックする顕著な効力を示すことがよくあります。

別の部位は、RBD がダウン構成にあるときの RBD の露出表面上にあり、REGN10987 (イムデビマブ) や S309 などの抗体によって標的とされます。

CR3022 が標的とする 3 番目のサイトは、「謎のスーパーサイト」と呼ばれることが多く、RBD の埋もれた側にあり、ドメインがアップ構造にある場合にのみ完全にアクセスできます。

後述するように、これらの部位は合わせて、SARS-CoV-2 に対する大部分の中和抗体のエピトープを構成します。


C 末端ドメイン

C 末端ドメインは主に β 構造によって形成されます。
RBDはCTD1の2つの逆平行β鎖間の挿入であると考えられ、CTD1はCTD2の2つの逆平行β鎖間の挿入とも見なすことができる（図2a）。

したがって、連続鎖 (残基 306 ～ 330) が CTD1 と CTD2 の両方を通過し、その両端で NTD と RBD を接続します。

RBD の下に詰め込まれた CTD1 は、受容体がアクセス可能な状態への跳ね上げ遷移で RBD とともに外側に回転する必要があります。
「融合ペプチド近位領域」（FPPR）と呼ばれるS2の構造要素は、RBDに対してCTD1の反対側に隣接しており、RBDを圧迫し、S三量体の閉じた立体構造を安定化させるのに役立っているようです。
したがって、CTD1 は RBD と FPPR の間の構造的なリレーであるように見えます：CTD1 の両側にある RBD と FPPR の変化を感知します。

CTD2は、それぞれ4つのストランドを含む2つの積層されたβシートによって形成され、1枚のシートの5番目のストランドはNTDとRBDの間の接続ストランドによって寄与されます（図2a）。
もう 1 つのシートでは、鎖間ループには S1 と S2 の境界にフリン切断部位が含まれており、一方の鎖は S2 の N 末端セグメントです。
CTD2の「630ループ」と呼ばれる構造要素は、武漢-Hu-1株のS三量体では大部分が無秩序であるが（図2b）、D614G変異の存在下では秩序化されています（図2c）。 後述するように、S三量体の安定化に重要な役割を果たします。

したがって、CTD2 は、膜融合に必要な S タンパク質の構造再構成のもう 1 つの重要な構成要素です。


S2サブユニット

融合前構造（図2a）では、S2サブユニットは、中心ヘリックスによって形成された3本鎖のコイルドコイルの周りにポリペプチド鎖の大部分が詰め込まれた構造をとります。

特に、コイルドコイルと HR1 の一部は、残基 758 ～ 784 によって形成される別のヘリックスとともに集合して 9 ヘリックスバンドルを形成し、これが S タンパク質の全体的な安定性に寄与していると考えられます。
HR1 の後半と、中央ヘリックスと C 末端ヘプタド リピート 2 (HR2) を結び付けるいわゆるコネクター ドメインが、コイルド コイルの底部を囲み、融合ペプチドを部分的に保護しています。

融合ペプチドに直接接続されたFPPRは、隣接するプロトマーからCTD1の下に押し込まれ、同じプロトマーのCTD2とも接触します（図2b-d）。

HR2・膜貫通ドメインおよび細胞質尾部を含む C 末端セグメントは、特定の再構築における解像度の低い密度を除いて、融合前の S 三量体構造において大部分が無秩序です。

融合後のS2構造（図2e）では、HR1と中央ヘリックスは異常に長い中央の3本鎖コイルドコイル（〜180 Å）を形成しており、これはSARS-CoVおよびマウス肝炎ウイルスのS2構造とほぼ同一です。

HR2 の N 末端領域は 1 回螺旋構造をとり、HR1 コイルの溝にぴったりとくっつきます；HR2のC末端領域は、HR1コイル状コイルの残りの部分とともに6ヘリックスバンドル構造を構成する長いヘリックスを形成し、安定した剛直な融合後構造を形成します。

融合後 S2 は予想外に N 結合型グリカンを長軸に沿って整列させ、そのうちの 4 つは三量体の同じ側に規則的に間隔をあけて配置されます。
S2 の融合前と融合後の状態を比較すると、他のコロナウイルスで提案されている機構と同様に、HR1 が融合ペプチドを標的細胞膜に挿入できる劇的なリフォールディング遷移を起こすことが示唆されます。


SARS-CoV-2 receptor ACE2


ACE2 は、基質の C 末端から 1 つのアミノ酸を除去する 805 アミノ酸のカルボキシペプチダーゼです。
それは、触媒部位に HEXXH 亜鉛結合モチーフを含む前半の単一のメタロペプチダーゼ ドメインで構成されます。 アンジオテンシン変換酵素 (ACE) と相同性を共有し、コレクトリンと相同性を共有する膜貫通ドメインを含む C 末端半分を共有します。
レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系に不可欠であり、 正常な生理機能におけるACE2の主な役割は、レニンとACEによって生成されるアンジオテンシンIとアンジオテンシンIIを、それぞれアンジオテンシン-(1-9)とアンジオテンシン-(1-7)に変換することです。

SARS-CoV-2 の ACE2 と同様、他のいくつかのコロナウイルスの必須受容体もプロテアーゼです （MERS-CoVの場合はDPP4（CD26としても知られる）、HCoV-229Eの場合はAPN）。
興味深いことに、これらの受容体の触媒活性は、その受容体の機能に必要ではなく、ウイルス結合部位と重複していません。
一貫して、ACE2 の触媒部位の小分子阻害剤は SARS-CoV による感染をブロックしません。
それにもかかわらず、SARS-CoV感染に起因するACE2の下方制御が、レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系を混乱させることによって疾患の重症化に寄与していることが研究で示されています。
SARS-CoV と SARS-CoV-2 が同じ方法で ACE2 に関与することを考えると、SARS-CoV-2 についても同様であると推定されます。

Sタンパク質と受容体の相互作用

Sタンパク質のRBDとACE2の間の界面は、主に伸張したRBMの緩やかな凹面の外表面と受容体のN末端ヘリックスによって形成されます（図2f）。

ACE2 の 20 残基と RBD の 17 残基があり、親水性側鎖相互作用のネットワークを形成しています。
後者のうち、残基Lys417、Leu452、Glu484およびAsn501は、新たに出現した懸念されるSARS-CoV-2変異体において変異しているものであり、受容体結合および/または抗体耐性の両方の増加をもたらす可能性があります。
予想通り、ACE2 結合の様式は SARS-CoV と SARS-CoV-2 の RBD でほぼ同一です。
相互作用する残基の多くは同一であるか、2 つの RBD 間で保存的置換のみが行われています。
非保存的置換を行ったいくつかの位置でも同様の相互作用を維持できます。
SARS-CoV-2の唯一の追加のACE2相互作用残基はLys417であり、ACE2のAsp30と塩橋を形成します（図2f）。

興味深いことに、SARS-CoV-2 RBDはSARS-CoV RBDと比較してACE2に対する親和性が高いにもかかわらず、SARS-CoV-2 Sタンパク質三量体はSARS-CoV Sタンパク質三量体ほど効率的にACE2に結合しない。
この明らかな矛盾は、元の SARS-CoV-2 (武漢-Hu-1) S タンパク質の固有の不安定性の結果であり、後で D614G 変異と併せてさらに議論します。

2 つのウイルス間の RBD-ACE2 界面のその他の共通の特徴には、界面で水素結合を形成する複数のチロシン残基の役割と、共通のジスルフィド結合した RBD コアが含まれます。
単量体ACE2と複合体を形成した可溶性SARS-CoV-2 S三量体の構造は、受容体がアップ構造でRBDと相互作用することを裏付けており、これはSARS-CoV Sタンパク質へのACE2結合に関するこれまでの知見と一致しています。

NTD はわずかに外側にシフトしますが、S2 サブユニットは ACE2 結合時にほとんど変化しません。


ACE2 発現と併存疾患の推定影響

動物モデルとヒトのトランスクリプトーム データベースの分析では、肺下部における ACE2 発現が II 型肺胞細胞に比較的限定されていることが示唆されています。 しかし、上気管支上皮ではより高く、鼻上皮、特に繊毛細胞ではさらに高くなります。

気道におけるACE2発現レベルのこの違いは、SARS-CoV-2感染勾配を反映しており、感染初期段階では鼻の繊毛細胞がSARS-CoV-2複製の主な標的となります。
SARS-CoV-2 感染では呼吸経路が優勢であるにもかかわらず、ACE2 発現レベルが最も高いのは小腸、精巣、腎臓、心筋、結腸、甲状腺です。
SARS-CoV-2による心臓感染は剖検例で頻繁に発見されており、結腸および腎臓の細胞におけるACE2の存在がSARS-CoV-2感染による胃腸および腎臓の合併症の説明として示唆されています。
胃腸管におけるACE2の発現は、サルベコウイルスを含む多くのコロナウイルスが呼吸経路だけでなく糞口経路でも感染するという観察と一致しています。

IL-1β、I型およびIII型インターフェロンなど、重症COVID-19で放出される炎症性サイトカインは、ACE2の発現を上方制御し、ウイルス複製の正のフィードバックループを確立する可能性があります。
ただし、疾患の重症度に対するそれらの影響は不明です。
さらに、最近の報告では、インターフェロン刺激による ACE2 発現により、SARS-CoV-2 結合をサポートできない切断されたアイソフォームが生成されることが示されています。

高血圧、高脂血症、糖尿病、慢性肺疾患、高齢、喫煙などのいくつかの健康併存症は、COVID-19の危険因子です。
これらの因子の多くは、ACE2 発現を調節することが提案されています。
年齢と性別によるACE2レベルの違いについては議論の余地があります； 高齢者はACE2発現と正負の相関関係があるが、別の独立した研究では有意な影響は見出されませんでした。
男性の性別も同様に、一部の研究では ACE2 発現の増加と関連していますが、他の研究では関連していません。

広く受け入れられている疫学データは、喫煙歴があると重篤な疾患のリスクが高まることを示しています。
しかし、喫煙がACE2の上方制御を引き起こし、感染症の増強と関連しているかどうかは不明である。
多くの生化学研究は、喫煙者および慢性閉塞性肺疾患患者の肺組織サンプル、および喫煙にさらされたマウスの肺でも ACE2 発現が増加していることを示しています。
しかし、他の研究では、気道におけるACE2発現は喫煙の影響を受けず、喫煙はCOVID-19の重大な疫学的危険因子ではないことが示されています。

限られた数の研究では、糖尿病がヒト喀痰細胞およびマウス腎臓組織におけるACE2発現の増加と関連し、嚢胞性線維症がヒト肺標本におけるACE2（およびTMPRSS2）の上方制御と関連していることが示されました。
当初は、ACE阻害薬やアンジオテンシン受容体拮抗薬などの一般的な降圧薬がACE2発現を上方制御する可能性があると推測され、これらの薬剤の使用により疾患の重症度が増加する可能性があるとの懸念が生じました。
この考えは高血圧とCOVID-19重症化との関連性と一致していますが、最近の研究はこの仮説を否定しています。

したがって、現在まで、ACE2 発現レベルと明確に関連する併存疾患はありません。


潜在的な保有種におけるACE2オルソログ

保有動物種におけるACE2とそのオルソログのウイルス結合ホットスポットの類似性は、サルベコウイルスの人獣共通感染症の可能性の一因となっています。
Rhinolophus 属のキクガシラコウモリは、SARS-CoV および SARS-CoV-2 の長期保有者であると推定されていますが、同属のどの種が各ウイルスの最新のコウモリ宿主となっているかは正確には不明のままです。

哺乳類の中間宿主は、両方のウイルスのヒトへの感染を促進すると考えられています。
したがって、SARS-CoVはハクビシン（Paguma larvata）とタヌキ（Nyctereutes procyonoides）から分離され、SARS-CoV-2に近いウイルスはセンザンコウ（Manis javanica）から分離されてます。
中間宿主からヒトへの宿主ジャンプ時の受容体適応の重要性は、2002年から2004年にかけて、重症度が著しく異なる2つのSARS発生を2つの独立した人獣共通感染症事象が引き起こしたという証拠によって強調されています。
2002-2003 年の SARS の流行では死亡率が 10% 近くに達しましたが、2003-2004 年の流行では疾患ははるかに軽度になりました。

両方の流行から分離されたウイルスの S タンパク質の分析により、親和性の低下が示すように、2 回目の流行で重症度が低下したのは、hACE2 に対する S タンパク質の適応が不十分だったことが一因であることが明らかになりました。
この親和性の違いは RBD の単一残基にマッピングされており、SARS-CoV-2 における RBD 変異が伝染力と重症度に及ぼす影響を示唆しています。
SARS-CoV-2 と密接に関連するウイルスは、キクガシラコウモリ Rhinolophus affinis から分離されており、これには SARS-CoV-2 と 96% のヌクレオチド同一性を共有する SARS 様ベータコロナウイルス RaTG13 が含まれます。
研究者らはコウモリのさまざまなACE2オルソログの受容体機能を評価し、46個のうち9個だけがSARS-CoV-2シュードウイルスの侵入をサポートしていることを発見した。
hACE2 の 5 つの残基を、Rhinolophus spp の SARS-CoV-2 コンピテント ACE2 オルソログに由来する残基で置換すると、SARS-CoV-2 RBD に対する結合親和性が増加しました。
完全に決定的ではありませんが、これらのデータは SARS-CoV-2 の Rhinolophus 起源と一致しています。

系統解析と感染確認研究により、家畜や家畜を含む幅広い哺乳類のACE2オルソログがSARS-CoV-2感染をサポートすることが示されており、多くの動物が中間宿主としても機能する可能性があることが示唆されています。


追加のホストエントリ要素

ACE2 に加えて、いくつかの分子が SARS-CoV および SARS-CoV-2 の代替受容体として機能することが示唆されています。
これらには、C タイプ レクチンであるDC-SIGN および L-SIGN が含まれます。
レクチンは広範囲の病原体の認識に関与し、細胞間接着を媒介します。
それらはビリオン表面のグリカンを認識することによって広範囲のウイルスに結合し、ウイルスが標的細胞に付着できるようにすることでウイルスの侵入を促進することがよくあります。

同様に、TIM1 と AXL も代替の SARS-CoV-2 受容体であることが示唆されました。
ホスファチジルセリン受容体ファミリーのメンバーであるそれぞれ TIM および TAM は、ビリオン膜上のホスファチジルセリンに結合することにより、広範囲のエンベロープウイルスの侵入を強化します。

レクチンとホスファチジルセリン受容体はウイルスの侵入を増加させますが、それらは非特異的であり、ACE2の非存在下ではSARS-CoVまたはSARS-CoV-2による効率的な感染をサポートしないため、これらの分子を「付着因子」と呼ぶ方が適切です。

同様に、上皮細胞や免疫細胞に遍在的に発現する膜貫通型糖タンパク質である CD147 は、SARS-CoV および SARS-CoV-2 感染の代替受容体であると提案されています。
CD147のレベルが高くなるとウイルス侵入のわずかな増加が観察され、重篤COVID-19の潜在的な危険因子である肥満や糖尿病ではその上方制御が観察されましたが、 SARS-CoV-2感染におけるCD147の役割は、CD147がSタンパク質に結合できないことに基づいて議論されています。

2つのグループは、SARS-CoV-2の宿主因子としてニューロピリン1（NRP1）を特定しました。
NRP1 は嗅覚上皮細胞と呼吸上皮細胞で発現しますが、気道の SARS-CoV-2 の主な標的細胞である繊毛細胞では発現が低く、 一方、SARS-CoV-2の影響を受けにくい杯細胞には多く含まれています。
それにもかかわらず、NRP1は野生型SARS-CoV-2のTMPRSS2媒介侵入（次のセクションを参照）を増強するが、多塩基性フリン切断部位を欠く変異ウイルスの侵入は増強しないことが示されました。
NRP1 は、多塩基性フリン切断部位を介して S1 に結合し、S1 脱落を促進し、S2' 部位を TMPRSS2 に曝露することも示されました。

最近、中性アミノ酸輸送体である B0AT1 と複合体を形成した ACE2 の構造が、SARS-CoV-2 S タンパク質の存在下および非存在下でクライオ EM によって分析されました。
ACE2 は、小腸における B0AT1 発現に必須であることが以前に示されています。
B0AT1 は胃腸管と腎臓で発現しますが、肺には存在しません。
ただし、肺内の B0AT1 ホモログが SARS-CoV-2 感染に寄与する可能性があります。

SARS-CoV-2 感染における NRP1 と B0AT1 の役割を確認するには、追加の研究が必要です。


SARS-CoV-2 entry process

SARS-CoV-2 の侵入プロセス

ウイルス侵入タンパク質は、エネルギー的に安定した状態に折り畳まれなければなりませんが、ウイルスと細胞膜の間の自然な反発を克服するのに十分なエネルギーを提供するために、その後の構造転移を経る必要があります。
したがって、Sタンパク質は膜融合の前に、いわゆる準安定状態、つまりより低いエネルギー状態に変化しやすい状態に移行します。

SARS-CoV や他のコロナウイルスと同様に、この S タンパク質の移行は、ACE2 結合後の 2 つのタンパク質分解切断ステップによって可能になります。
これらの 1 つ目は S1-S2 境界に局在し、2 つ目は S2 サブユニットの S2' 部位に局在します。

SARS-CoV の場合、両方の部位が標的細胞内のプロテアーゼによって切断されます。
SARS-CoV-2の場合、S1-S2境界はウイルスプロデュース細胞内のフリンによって切断されるが、S2'部位の切断には依然として標的細胞プロテアーゼが必要です。
したがって、両方のウイルスによる細胞侵入は標的細胞プロテアーゼに依存しており、TMPRSS2 とカテプシン L は S タンパク質の活性化に関与する 2 つの主要なプロテアーゼです。
TMPRSS2は細胞表面に存在するため、TMPRSS2を介したSタンパク質の活性化は細胞膜で起こり、カテプシンを介した活性化はエンドリソソームで起こります（図3）。

フーリンによる S タンパク質 S1-S2 境界の切断

フーリンによって切断されるS1-S2接合部に位置する多塩基性部位（Arg-Arg-Ala-Arg）の存在により (図 1)、SARS-CoV-2 は SARS-CoV および他のすべての既知のサルベコウイルス（それらの S タンパク質は、感染細胞内でのウイルス成熟中にフリン様プロテアーゼによって切断されない）と区別されます。

S1-S2 境界の切断は S2' 部位の切断の前提条件であり、両方の切断イベントは膜融合プロセスを開始するために不可欠です。

HIV-1 ウイルスや鳥インフルエンザウイルスを含む多くのウイルスの侵入糖タンパク質はフーリンによって切断されますが、そのような切断は侵入糖タンパク質を不安定にしません； 2 つのサブユニットは安定した相互作用を介して結合します。

対照的に、ヒトSARS-CoV-2武漢-Hu-1株のS1サブユニットは、S2サブユニットから容易に脱離し、その結果、Sタンパク質の非機能型であるS2三量体の早期融合後立体構造をとります。 (図2e)。

この不可解な観察は、SARS-CoV-2によるフーリン切断部位の獲得が最近の出来事であった可能性を示唆しています。

ウイルスがこのフーリン切断部位を除去し、SARS-CoV と同様に標的細胞のプロテアーゼに依存することは比較的簡単だっただろうが、 SARS-CoV-2はむしろ、Sタンパク質を安定化し、S1脱落を遅らせるために、異なる変異D614Gを獲得しました。
この不安定化フーリン部位の堅固な保持は、この部位がヒト宿主におけるウイルス適合性にとって重要であることを示しています。
実際、フーリン部位は、共同飼育されているフェレット間での SARS-CoV-2 感染の重要な決定要因であることが最近示されました。


ウイルス侵入におけるTMPRSS2の役割

S1-S2境界が切断された後、細胞表面のTMPRSS2またはエンドソーム内のカテプシンのいずれかによって融合プロセスを完全に活性化するには、S2'部位も切断する必要があります（図3）。

TMPRSS2 はセリンプロテアーゼ活性を持つ II 型膜貫通タンパク質であり、その主要な生理学的役割と基質特異性は十分に定義されていません。
それにもかかわらず、呼吸器ウイルス感染、特にインフルエンザウイルスやSARSコロナウイルスにおけるその役割は十分に確立されています。

TMPRSS2 は、胃腸、呼吸器、泌尿生殖器の上皮に存在します。
これらの組織のうち、3 つの主要な細胞タイプ (II 型肺細胞、回腸吸収性腸細胞、鼻杯分泌細胞) が TMPRSS2 と ACE2 を共発現していますー ただし、鼻の繊毛細胞はACE2を発現するが、鼻杯細胞は発現しないことが示された研究もあれば、両方の細胞が高レベルで ACE2 を発現していることが示された研究もあります。
下気道での ACE2 の発現は限られていますが、上気道では ACE2 の発現レベルが高く、実際、ACE2 を発現する多くの気道細胞は TMPRSS2 も発現します。

TMPRSS2はコロナウイルスの侵入において最も頻繁に研究されているプロテアーゼですが、 肺に存在する他のセリンプロテアーゼ（ヒト気道トリプシン様プロテアーゼ（HAT）、TMPRSS4、TMPRSS11A、TMPRSS11E、マトリプターゼ、および分泌型好中球エラスターゼなど）は、多くの呼吸器ウイルスによる感染に寄与しているようです。
in vivoでのウイルス感染へのそれらの関与に関する研究は、SARS-CoV-2の侵入経路とそのプロセスを阻害する手段についてのさらなる洞察を提供するでしょう。
どちらのウイルスも TMPRSS2 を利用しますが、SARS-CoV は SARS-CoV-2 ほど TMPRSS2 に依存しません。
決定要因の 1 つは、S1 と S2 の境界におけるフーリン部位の有無である可能性があります。

SARS-CoV Sタンパク質のS1-S2接合部の配列はTMPRSS2の基質としては適切ではないが、カテプシンによってより容易に切断される可能性があります。
この説明は次の観察と一致しています。つまり、SARS-CoV-2のフーリン部位を、多塩基部位を含まないキクガシラコウモリ由来のSARS-CoVまたはRaTG13ウイルスの同等の配列に置き換えると、TMPRSS2+ヒト気道細胞への効率的なSARS-CoV-2感染が妨げられることがわかりました。

ウイルス侵入におけるカテプシンの役割

SARS-CoV-2はTMPRSS2による活性化を好みますが、S2'部位の切断はカテプシン、特にカテプシンLによって媒介されることもあります（図3）。

標的細胞のTMPRSS2発現が不十分な場合、またはウイルス-ACE2複合体がTMPRSS2に遭遇しない場合、ACE2結合ウイルスはクラスリン媒介エンドサイトーシスを介して後期エンドリソソームに取り込まれ、そこでS2’部位がカテプシンによって切断されます。

おそらく、ACE2への複数のライゲーションにより、SARS-CoV、SARS-CoV-2、または精製されたSタンパク質の結合がACE2エンドサイトーシスを誘導します。
S2'部位の処理におけるカテプシンの役割は、TMPRSS2+細胞におけるカテプシンL阻害剤によるシュードウイルス侵入の部分的阻害によって裏付けられています。

カテプシンは、後期エンドソームおよびリソソームでのタンパク質分解に関与するエンドペプチダーゼおよびエキソペプチダーゼ活性を持つ非特異的プロテアーゼです。
それらは、アスパラギン酸 (D および E)、セリン (G)、およびシステイン (B、C、K、L、S、および V) プロテアーゼの 3 つの触媒クラスに分類されます。
これらのうち、システイン プロテアーゼ (カテプシン B、L、および S) がウイルスの侵入に最も寄与します。
ウイルス侵入におけるカテプシンの役割は、主にレオウイルス、エボラウイルス、SARS-CoVに関する研究に由来しており、SARS-CoV-2に関する報告は限られています。
カテプシン B はエボラウイルスの侵入において重要な役割を果たしますが、カテプシン L は SARS-CoV および SARS-CoV-2 の侵入においてより大きな役割を果たします。

エンドソーム経路に対する SARS-CoV-2 の依存性が低いことは、標的細胞の SARS-CoV-2 感染の制限に対するヒドロキシクロロキンなどのエンドソーム酸性化阻害剤の効果が限定的であることを説明しています。
ある研究では、標的細胞がTMPRSS2を発現するとヒドロキシクロロキンの効力が劇的に低下したが、TMPRSS2阻害剤の存在下では部分的に回復したことから、TMPRSS2阻害剤とヒドロキシクロロキンの併用による潜在的な利点が示唆されました。


膜融合

最近の構造研究により、FPPR、630 ループ、CTD2 などの S 融合機構の主要なコンポーネントが特定されました。 これは、S タンパク質の融合性構造再配列を調節すると考えられます (図 2)。
FPPR と 630 ループは、RBD をダウン構造に維持するのに役立ちますが、隣接する RBD が跳ね上がるとその位置から移動します。

図4に要約されているように、RBDは固有のタンパク質の動態によりアップコンフォメーションをサンプリングすることができました。

ACE2がRBD-up立体構造を捕捉し、630ループとFPPRの両方を閉じたS三量体立体構造の位置から追い出す場合、FPPRのシフトは融合ペプチド近くのS2’部位をタンパク質分解切断のために露出させるのに役立つ可能性があります。

CTD2 の疎水性表面から 630 ループが離れると、このドメインが不安定になり、S2 の N 末端セグメントが S1 から解放され、S1 が完全に解放される可能性があります。 これは、前述したように、フューリンによる SARS-CoV-2 S タンパク質の S1-S2 境界の事前切断によるものです。

S1 の解離は、準安定融合前 S2 における再折り畳みイベントのカスケードを開始し、安定な融合後構造への融合性移行を可能にします (図 4)。
これらの移行に伴い、HR1 のアンフォールディングの推進力により、標的細胞膜への融合ペプチドの挿入が促進されます。
HR2 を折り返すと、融合ペプチドと膜貫通セグメントが分子の同じ末端に配置されます；この近接により、それらが相互作用する膜が互いに向かって曲がり、効果的に膜融合が引き起こされます。

このモデルは、HIV エンベロープタンパク質によって触媒される膜融合について提案されたモデルとも非常によく似ており、gp120 の解離が gp41 のリフォールディングを引き起こして融合プロセスを完了させます。

ウイルスの侵入を制限する細胞タンパク質

Toll 様受容体 (TLR) は、病原体に関連する分子パターンを認識し、I 型インターフェロンの産生を誘導します。
これらのうち、TLR3、TLR7、TLR8、および TLR9 は抗ウイルス免疫応答を開始します：TLR3 は二本鎖 RNA ウイルスを認識し、TLR9 はウイルス DNA 内の非メチル化 CpG を認識し、コロナウイルスに関してはTLR7 と TLR8 は G/U に富んだ一本鎖ウイルス RNA に結合します。

TLR7 と TLR8 はエンドソームに存在し、SARS-CoV および SARS-CoV-2 RNA に応答して炎症誘発性サイトカインを誘導することが示されています。
TLR7 と TLR8 は両方とも肺組織で発現されます。
TLR7 は肺よりも脳、皮膚、リンパ組織でより高いレベルで発現されますが、TLR8 は肺およびリンパ組織で主に発現されます。

多くのインターフェロン刺激遺伝子産物が SARS-CoV-2 複製に重要であることが確認されていますが、侵入ステップに関与しているのはそのうちの少数、インターフェロン誘導性膜貫通タンパク質 (IFITM) とリンパ球抗原 6 ファミリーメンバー E (LY6E) だけです。

ヒト IFITM ファミリーの 4 つのメンバー (IFITM1、IFITM2、IFITM3、および IFITM5) は構成的に高レベルで発現されますが、I 型および II 型インターフェロンによって強く誘導されます。 そして、A型インフルエンザウイルスおよびフラビウイルスに対する細胞抗ウイルスタンパク質として同定され、その後、フィロウイルスおよびSARS-CoVに対する細胞抗ウイルスタンパク質として同定された。
最近、IFITM2 が SARS-CoV-2 の侵入を制限することが示されました。

IFITM タンパク質は、ウイルスがエンドソーム膜を通過して細胞質にアクセスすることを、不明なメカニズムによって阻止します。
SARS-CoVが原形質膜のみから細胞に侵入するよう指示されていれば、このような制限は回避されるかもしれません。
この制限は、フーリン部位が SARS-CoV-2 から除去されると増幅され、TMPRSS2 の過剰発現によって補われます。
さらに、原形質膜での融合のみを介して宿主細胞に侵入するウイルスには影響しません。

これらの観察は、膜融合部位が IFITM タンパク質の抗ウイルス活性にとって重要であることを示しています。

LY6E はグリコホスファチジルイノシトールアンカー型細胞表面タンパク質であり、水疱性口内炎ウイルスおよびマウス肝炎ウイルスの複製を阻害することが示されていますが、黄熱ウイルスの複製、HIV-1 侵入、フラビウイルス内部移行、およびインフルエンザ A ウイルス侵入を促進することも確認されています。
提案されている侵入増強機構には、エンドサイトーシスされたウイルスを細管に沿って誘導する可能性が高い微小管様ネットワークの形成や、膜融合後の脱コーティング段階の促進などが含まれます。
最近、LY6E は S タンパク質媒介膜融合を阻害することにより、SARS-CoV、SAR-CoV-2、および MERS-CoV による感染を阻害することが示されました。 そして、免疫細胞にLY6E発現が欠如しているマウスは、同じくコロナウイルスであるマウス肝炎ウイルスに非常に感受性が高かった。
IFITM 媒介制限とは異なり、LY6E 媒介阻害は TMPRSS2 発現によって克服されませんでした。
SARS-CoV-2 やその他のウイルスの感染制御における LY6E の明確な役割を明らかにするには、さらなる研究が必要です。


Natural evolution of the S protein

Sタンパク質の自然進化

Sタンパク質配列の比較は、SARS-CoV-2がコウモリとセンザンコウのコロナウイルス間の組換えから出現した可能性を示しています。
人獣共通感染症の間に、SARS-CoV-2 は S1 ドメインと S2 ドメインの境界にフーリン切断部位を獲得しました。
ウイルスはパンデミックの間中この切断部位を保持していましたが、S タンパク質の不安定性を補うために D614G 変異を獲得しました。
最近では、感染者またはワクチン接種者の数が増加するにつれて、SARS-CoV-2 は中和抗体から逃れるために S タンパク質の変異を獲得するように進化しました。

保有種のサルベコウイルスの S タンパク質

センザンコウ (Manis javanica) から採取された検体は、SARS-CoV-2 と同様の配列で、侵入に ACE2 を利用できるコロナウイルスに感染していることが判明しました。
しかし、感染したセンザンコウのほとんどは重度の呼吸困難を示し、数週間以内に死亡したため、センザンコウがSARS-CoV-2の長期保有種である可能性は低いです。
さらに、センザンコウコロナウイルスは、コウモリ分離株であるRaTG13よりもSARS-CoV-2との配列相同性が低いため、特定のセンザンコウコロナウイルスが現在のSARS-CoV-2の発生に直接関連している可能性は低いです。
興味深いことに、センザンコウ分離株は RBD 内で RaTG13 よりも SARS-CoV-2 と高い相同性を示すのに対し、RaTG13 は RBD 外で分離されたセンザンコウよりも SARS-CoV-2 とはるかに高い相同性を共有します。

これは、センザンコウコロナウイルスRBDが、組換え現象を通じてRaTG13またはSARS-CoV-2の別の近祖先のS遺伝子に導入された可能性を提起します。
この組換え事象が存在する場合、どの種で起こったのかは依然として不明です。
他の分析では、SARS-CoV-2はセンザンコウのコロナウイルスからRBDを取得したのではなく、コウモリの中で進化し、ヒトやセンザンコウに感染する能力を獲得したことが示唆されています。
さらに、他の研究では、SARS-CoV-2は2019年よりずっと早く、気づかれない感染によってヒトに忍び込み、その独特の特徴であるRBDとフーリン切断部位を獲得したことが示唆されています。


人間への適応

SARS-CoV-2 Sタンパク質におけるフーリン切断部位の獲得は、人獣共通感染症のヒトへの感染に不可欠であることが示唆されました。 そして実験データにより、Sタンパク質のこの切断部位を欠くSARS-CoV-2シュードウイルスはヒトの気道細胞への侵入を促進できないことが確認されました。
特に、フーリン部位は、Vero細胞（アフリカミドリザル腎臓上皮細胞）においてウイルスが数回継代されると失われるため、一般に哺乳類上皮細胞の感染には必須ではありません。
しかし、最近の予備研究では、TMPRSS2 を過剰発現する Vero 細胞またはヒト肺細胞におけるウイルスの継代により、この部位の欠失または変異が防止されることが示されています。
したがって、フーリン切断部位の獲得は、人類の最初の適応事象の 1 つであると考えられます。

SARS-CoV-2 が最初に世界中に蔓延した数か月間、S タンパク質変異の 1 つである D614G だけがポジティブセレクションの明確な証拠を示しました。
SARS-CoV-2によるフーリン部位の獲得とその結果として生じるSタンパク質の切断はヒトへの感染に必須であると思われるが、 また、前述したように、S タンパク質を S1 脱落しやすくすることで、ウイルスの感染力を SARS-CoV よりも低くします。
この欠点を補うために、SARS-CoV-2 S タンパク質は、D614G 変異によって S1 サブユニットと S2 サブユニットの間でより強力な分子間結合を獲得したようです。
多くの研究は、D614G 変異ウイルスの感染力増強の様式としてそのような安定化効果を裏付けています。

完全長 S 三量体のクライオ EM 研究により、S タンパク質の安定性増加の原因が明らかになりました： D614G 変異は 630 ループをより規則的にし、NTD と CTD1 を確保し、その結果 S1 脱落が減少します。
生化学的研究では、S1 脱落の減少の結果として、G614 含有変異体での機能的 S タンパク質密度の増加が明らかに示されました。

他の研究者は、G614 含有 S タンパク質の中で 1-RBD-up 立体構造のより大きな割合がウイルス感染力の増加と関連していると説明しています。
しかし、そのような研究のほとんどは、フューリン部位を欠く、および/または融合前立体構造を安定化させることが示されているジプロリン変異を有する非天然のSタンパク質を用いて実施されました。

感染力強化のメカニズムに関係なく、D614G ウイルスのより速い伝播が実証されました。
現在流行しているSARS-CoV-2分離株のほとんどがD614G変異を保有しているという事実は、それが間違いなくヒトへの適応にとって有益な変異であることを示しています。

ヒト宿主へのさらなる適応が進行中です。
それぞれ英国、南アフリカ、ブラジルで最初に確認された SARS-CoV-2 変異体のアルファ (系統 B.1.1.7)、ベータ (B.1.351)、およびガンマ (P.1) は、D614G 変異に加えて、共通の N501Y 変異を保有しています (表 1)。
残基501はACE2結合に関与するRBD内の重要な部位の1つであり、最近の予備報告では、N501Y変異がRBDとhACE2の相互作用を強化し、変異を含む変異体の感染力と病原性を高めることが実証されています。
興味深いことに、データは、N501Y 置換により S タンパク質にマウスおよびラットの ACE2 オルソログを利用する能力も与えていることを示しており、新たなげっ歯類の保有源の可能性についての懸念が生じています。

インドで最初に確認された最近の変異体であるデルタ (B.1.617.2) には、この N501Y 変異はありませんが、それでも未知のメカニズムにより伝達率が大幅に増加しています。
フーリン切断部位の P681R 変異による S1-S2 境界での切断の増加は、伝達率の増加にさらに寄与する可能性があります。


免疫逃避

ウイルスは、中和抗体によって認識される残基を変異させることによって免疫を逃れます。
免疫エスケープは免疫圧力が存在する場合にのみ必要であるため、パンデミックの初期には、蔓延が低く、ワクチン接種がなかったため、エスケープ変異体は出現しませんでした。
しかしここ数カ月で、中和耐性を持たない変異体がいくつか出現しました。
前述のアルファ、ベータ、ガンマ、デルタ変異体とイプシロン変異体（B.1.429、カリフォルニア系統）は、COVID-19回復期患者またはワクチン接種を受けた人に由来する免疫血漿による中和に対する感受性の低下を示します。
これらの最近の変異体が、以前に感染した個体またはワクチン接種を受けた個体の感染から出現した可能性は、中和抗体、回復期血清、またはワクチン接種個体に由来する血清の存在下でエスケープ変異体を実験的に生成した研究によって裏付けられています。
これらの研究では、アルファ、ベータ、ガンマ変異体の特徴である、RBD の K417N、E484K、N501Y などの同じ変異が特定されました。
これらの変異株は、治療用モノクローナル抗体バムラニビマブ (Eli Lilly) および/またはカシリビマブ (Regeneron) に対しても完全または部分的に耐性があります。
他の亜種であるイータ (B.1.525、英国)、イオタ (B.1.526、ニューヨーク)、カッパ (B.1.617.1、インド) も中和に対する感受性が低いと考えられます。 Lys または Gln への Glu484 変異 (E484K/Q) によるものです。
急速に蔓延するデルタ株には E484K/Q はありませんが、中和耐性を付与する追加の変異 L452R があり、その変異はイータ株とイオタ株にも存在します。


Conclusions and perspective


過去 20 年間に、ヒトに重篤な疾患を引き起こす 3 つの人獣共通コロナウイルス、SARS-CoV、MERS-CoV、SARS-CoV-2 が出現しました。
これまで荒らされていなかった生息地への人間の侵入が増加することでこうした人獣共通感染症の頻度が加速していることは、新規のコロナウイルスやその他の新興病原体が今後も人間の健康を脅かし続けることを示唆しています。
SARS-CoV および MERS-CoV の流行による警告の兆候にもかかわらず、SARS-CoV-2 によって引き起こされる規模のパンデミックを予想した人はほとんどいませんでした。
幸いなことに、以前の流行から学んだ教訓のおかげで、SARS-CoV-2 の生物学に関する私たちの理解とワクチンおよび治療薬の開発は前例のないペースで進歩しました。
これらの成果にもかかわらず、これらのウイルスを制御するための新しいツールの開発に役立つ可能性のある未解決の疑問が数多く残されています。

1つ目の疑問は、ウイルスがその自然史の中でいつフーリン部位を獲得したのかということです。

すでに述べたように、SARS-CoV-2 S タンパク質が S1 サブユニットと S2 サブユニットに切断されると、不安定な S タンパク質が生成されます。
さらに、このフューリン部位はフェレットの感染にとって重要であることが示されました。
論理的な説明の 1 つは、TMPRSS2 などの標的細胞プロテアーゼによる S1-S2 接合部 (ウイルスがフーリン部位を獲得する前の配列) での祖先配列の切断が非効率的だった可能性があるということです。 したがって、ウイルスは、S タンパク質の不安定性を犠牲にして、その部位をあらかじめ切断することを選択しました。
一方で、研究では、SARS-CoV-2 がカテプシンよりも TMPRSS2 に依存していることが示されています。
IFITM タンパク質 (I 型インターフェロン誘導性エンドソーム ウイルス制限因子) に関する最近の研究は、この謎を解く 1 つの手がかりを提供します。
多塩基部位を欠く SARS-CoV-2 は野生型ウイルスよりも IFITM を介した制限に対してより感受性が高く、このウイルスがエンドソームにおける IFITM を介した制限を回避するために TMPRSS2 を使用して細胞に侵入することを選択したことが示唆されます。
あるいは、SARS-CoV-2 の TMPRSS2 に対するこの選好は、SARS-CoV S タンパク質の緊密なフォールディングにより、S2' 部位が基質特異性の低いプロテアーゼであるカテプシン L に正確に露出できる場合にも説明できます。 一方、SARS-CoV-2 Sタンパク質の折り畳みの違いにより、カテプシンの消化がS2'部位のみに限定されず、隣接する配列が過剰に消化され、融合ペプチドが機能しなくなってしまう可能性があります。
こうした状況では、SARS-CoV-2はカテプシンよりもTMPRSS2を優先することになります。
もしそうなら、SARS-CoV-2 のフーリン依存性と TMPRSS2 依存性は、それほど悪くない選択肢の選択を反映しているように見えます。
これらのうち、S タンパク質の不安定性は D614G 変異の獲得によって補われました。
TMPRSS2阻害剤が広く使用されるようになれば、ウイルスがIFITMタンパク質の阻害作用から逃れやすくなり、カテプシンのより正確な使用を可能にする変異を獲得する可能性があり、両方の経路を標的とする併用療法（カモスタットメシル酸塩とヒドロキシクロロキン）の使用の利点が示唆されます。

ウイルスが種内でよりよく適応するにつれて、病気の重症度は軽減される可能性がありますが、SARS-CoV-2の最近の変化により、伝染力と入院の両方が増加しています。
伝染力と入院との間に正の関係があることは、根底にある共通のメカニズムを反映している可能性があります。つまり、ACE2 に対する親和性が高いと、両方が増加する可能性があります。
ACE2 へのより効率的な結合は、上気道での複製を促進し、より効率的な伝達を促進する可能性があります。また、下気道および全身での複製も増加させ、重篤な疾患を引き起こす可能性があります。

未解決の疑問の 1 つは、S タンパク質が N501Y などの RBD 変異を通じて hACE2 に対する最大親和性に達したのか、それともさらに変異して感染性と病原性の両方を強化し続けるのかということです。
それとも、選択圧力に対抗することで伝染が増加しても、症状は軽度になる可能性があるでしょうか?

上気道と下気道の違いにより、ウイルスがたとえば鼻の上皮細胞に特異的に適応できる場合、伝染と疾患の重症度との関連性が崩れる可能性があります。
この記事の執筆時点では、パンデミックはギアをシフトしつつあるようで、ウイルスが新たな宿主であるヒトに適応する初期の期間から、免疫逃避がSタンパク質の進化を形作る長期の期間に移行しているようです。
ここで重要な問題は、将来のワクチン抗原がどうあるべきかということです。
S タンパク質は急速に多様化しており、現在のワクチン戦略はすぐに非現実的になる可能性があり、流行しているすべての主要な変異株に対するワクチンの導入が必要になります。
S タンパク質の主要な抗体中和エピトープは RBD で、すべての中和活性の 90% 以上を占めますが、NTD にもいくつかの中和エピトープがあります。
重要なのは、NTD は RBD よりも急速に変化しており、より多くの突然変異と欠失を獲得していることです； NTD はウイルスの侵入においてせいぜい二次的な役割しか果たさず、したがってその進化に対する制約が少ないため、これは当然のことです。
S2 サブユニットを含む S タンパク質の残りの部分は、有意な中和反応を誘発しないようです。
したがって、さまざまなエスケープバリアントに由来する複数の RBD を提示する RBD ワクチンは、将来のワクチンにとって優れた抗原となる可能性があります。

関連する疑問は、アクセス可能なウイルス逃避経路が本質的に無制限なのか、それとも特に RBD において制限されており、扱いやすい数の変異のみが出現する可能性が高いのかということです。

後者が真の場合、それらは予測され、先制的にブロックされる可能性があります。
これまでのところ、ウイルスの免疫血清に対する感受性を低下させる S1 サブユニット内の 4 つの主要な領域または残基が特定されています： NTD のスーパーサイト (残基 14 ～ 26、141 ～ 156、および 246 ～ 260)、および RBD の残基 417、484、および 501。
興味深いことに、いくつかの in vitro 研究で選択された免疫回避突然変異は、ヒトの感染から自然に出現したもの、および感染者またはワクチン接種者に由来するモノクローナル抗体または血清の存在下で選択されたものと重複しています。
これらの観察は、ウイルスが通ることができる回避経路の数が実際には限られている可能性があり、それらの経路が遮断される可能性があることを示唆しています。
あるいは、これまでウイルスが蓄積してきた変異は、ウイルスが利用できる最初の「容易に実現できる成果」である可能性があります。
実際、これまでの RBD のすべての主要な変異は、単一のヌクレオチドの変化によってアクセスされてきました。 したがって、悲観的なシナリオでは、複数の相乗的または代償的変異を並行して行うなど、より複雑な変異を介してウイルスがさらに進化する可能性があります。
さらに、いくつかの最近の突然変異により、ACE2 に対する RBD 親和性が増加しました。
残念ながら、この適応により、ACE2に対する親和性を低下させる可能性が高い免疫回避突然変異に対応するためのある程度の余地がウイルスに与えられます。
したがって、残念ながら、SARS-CoV-2 の変異種は、数年または数十年にわたって人類の中で適応し続ける可能性があります。

これにより、さらなる疑問が生じます。
コロナウイルスは他のコロナウイルスとの組換えが特に得意であるため、人間の間で定期的に流行するより穏やかなコロナウイルスの1つとの組換えイベントにより、まったく新しいウイルスが生成されるのでしょうか?
SARS-CoV-2 は、私たちが定期的に戦っているさまざまな型のインフルエンザ A ウイルスに似た、さらに明確な系統に多様化するのでしょうか?
SARS-CoV-2は家畜や害虫の中に安定して残り、おそらく新たな人獣共通感染症の保有源を生み出すのでしょうか？
おそらく最も重要な問題は、私たちが最終的にCOVID-19パンデミックから最も明白な教訓を学べるかどうかだ；つまり、ウイルス感染は私たち全員にとって大きな脅威であると同時に、現在の技術と確立された公衆衛生原則の効果的な実施によって完全に対処可能であることを十分に理解できるでしょうか?

この教訓をしっかり学べば、これが最後のパンデミックになることを願っています。




以下省略。


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