赤ちゃんレベルの「ウイルスの話」その1 ~ ウイルスって何だろう
簡単に基礎医学のところから医学・医療について書くシリーズを続けています。この記事もマガジンに含んでいます。
今回はウイルスとはなんなのかということの基本について少しお話をしたいと思います。
いずれ、昨今問題になっている、子宮頸癌について少し触れたいのです。そこで、そこにたどり着くために何をお話すればいいのか考えてみました。
子宮頸癌というのは女性の子宮頸部に生じる癌 (carcinoma) です。この疾患についてお話しするには、まず、腫瘍というのがどういうものか、悪性腫瘍とはどういうものか、子宮頸癌とはどういうものでどういう特徴があって、どういう治療があるか、ということを話したい。
腫瘍学の基礎は大事だと思うのです。と同時に、子宮頸癌の原因のほとんどはHPVというウイルスによって生じます。ですから、HPVの話もしたい。HPVはワクチンで防げますので、ワクチンの話もしたい。
ワクチンというのは免疫を利用するある意味では薬の一種です。免疫については少し今までに述べましたが、ワクチンの解説をするのに十分な領域は述べていません。なので、免疫の部分もまた補強したい。
というようにたくさん関連する基礎事項というのはありまして、一つのことをしっかり理解するにはかなり広範な基礎的な知識がいる、これは医学・医療の特徴でもあります。
そこで考えたところ、①ウイルス→HPV→子宮頸癌、②腫瘍学→癌→子宮頸癌、③免疫→ワクチン→感染・癌予防、④感染症→性感染症→HPV というようにいくつかのルートをつくりつつお話しようかなと思い立ったわけです。
それらがある程度終わったら、ワクチンや薬について、治療についてお話し、反ワクチンの言い分を一つ一つつぶしていきたいと思います。
さて、いつも前置きが長いですね。よろしくない。今回はウイルスについて話をしたいのでした。ウイルスと細菌や真菌の違いもちょっと触れたいと思います。これは、風邪になぜ抗生物質を使うという発想が間違いであるかにも関わります。
生物とはなんだろうか
さて、生き物とはなんでしょうか。生物とはなんでしょうか。
はぁ？生きてるものでしょ。ということになりますよね。
生きているものが生き物。生物というのは生命をもっているもの、生命をもっているのが生きているもの…生き物？？
トートロジー(同語反復)になって定義できませんね。
意外に、この、生物を定義するのは難しいのです。では、生物に分類されるものはなにか。動物 (哺乳類、鳥類、爬虫類、両生類、魚類…)・植物・菌類・細菌・古細菌などです、さて、これらの特徴はなんでしょうか。
そうやって考えるときには「『無』生物」との対比で考えるといいですね。
生きていないものとの違いはなにか。
いろいろ挙げられますが、
① エネルギーを変換することができる、
② 自分の状態を維持することができる、
③ 自分自身と外とが明確に分かれている(独立している)、
④ 自分自身の子孫を増やして残すことができる、
などがあげられます。
なかなか難しい。
ではもう一度生物に分類されるものに共通することを考えてみます。哺乳類から菌まで。簡単な特徴が一つあります。それは、最小単位というべき「細胞」からなっているということです。
細胞
細胞というのは、外界とは区切られた一つの塊で、一つ一つが機能を持っています。エネルギーを変換して、自分を維持して、外とは明確に分けられていて、分裂して増えることができます。
そう、生物の特徴かな、として挙げた上の機能をだいたい持っていそうですね。
これは結論になってしまいますが、雑に分類すると、細胞はある意味で生物の最小単位といってもいいのです。「生物とは細胞からできている。」…？実は少々言い過ぎですが、まぁそんな感じです。
さて、ここで、最も小さい、細胞からできている生物ってなんだろう、と考えてみます。
ヒトというのは実は37兆個ぐらいの細胞でできているんじゃないかと見積もる研究があります (▶ EvaBianconi et al. 2013, Annals of Human Biology, 40:6, 463-471.)
たくさんですね。一方、最小数の細胞からなる「生物」は何か、といいますと、これは細菌や真菌、古細菌などで、これは1個の細胞からなっています。
ですから、こういったものを「単細胞」生物というのですね。
この図は菌の概要ですが、これが一つの細胞です。細胞から毛のようなものも生えていますね。
さて、細胞というのはある意味で区切られた装置です。エネルギーを変換し、なんらかの機能を担い、自分を維持し、分裂して増える。
それを実施するために細胞内にはいろいろな仕組みが備わっています。
上の図の左側 Eukaryote というのは「真核生物」といって、「核」nucleus というものを持っている細胞の図です。我々ヒトの細胞もこれなんですね。
右側は Prokaryote 「原核生物」 といって、明確に仕切られた核はもっていない細胞で、細菌などがこれにあたります。
細胞はいろいろな仕組みをもっていますが、大事なことは、遺伝情報をDNAに書き込んで保持していること、エネルギーを変換する装置をもっていること、自分を維持するために自分の部品を作ったり壊したりする装置をもっていることなどがあげられます。
さて長ったらしく、生物ってなんなの、という話から始めてしまい、結局なんとなく細胞という「単位」がその定義をみたしてくるのかな、というところまで見てきました。
ウイルスってどんなもの？
ようやくですが、ウイルスに入りたいと思います。
まず言葉から。初めに言葉ありきです。
ウイルス(英語: virus)はラテン語の virus が由来です。この言葉は「毒液」といった意味合いですね。
日本語になってからはかなりいろんな書き方が歴史的にはされていて、ウイルス、ウィルス、バイラス、ビールスなどと書かれてきました。しかし、1953年に日本ウイルス学会が設立され、今では「ウイルス」(すべて大文字のカタカナ)が正式名称になっているんですね。
ウイルスって、どんなものなのか。ウイルスの概念図はこんな感じです。一見細胞と同じ感じに見えるかもしれないですね。周りと隔てられていて、中に遺伝物質がある。
形はいろいろあります。上の模式図に示したような形のものが有名で、多面体みたいなもの、らせん状のもの、まるで宇宙船のようなもの、などいろいろです。
重要なことは、繰り返しになりますが、これらの形の中に、それぞれ設計図である遺伝情報をいれているということがあげられます。細胞をもっている生物と一緒ですね。
遺伝情報の保持の仕方は、細胞を持っている生物とは違うところがあります。それは、かならずしもDNAに情報を書き込んでいるのではなく、RNAという別の物質に遺伝を書き込んでいることもある、というところです。
では細胞との違いはなんなのか…。遺伝子がRNAのこともあるということ以外に違いはあるでしょうか。あります。
ウイルスはまず「大きさが全然違います」。
細胞というのは、菌であれば小さくて 1μm(マイクロメーター) 程度の大きさです。人の細胞だと5μm以上の大きさです。これは1mmの 1/1000~1/200 程度の大きさですね。
一方、ウイルスは100nm(ナノメーター)程度のものが多いのです。100nmというのは0.1μmで、1mmの1/10000程度の大きさです。細胞の1/10程度の大きさなんですね。
ウイルスのなかでも大きさはいろいろなんですけど、どれもとても小さいんですね。
余談ですが、形はとても「美しい」ものや「面白い」ものが多いですね。
大きさを書いてみると、Electron microscope、すなわち電子顕微鏡というものを使わないと見えないレベルのものなんですね。
こんな小さいものなので、細胞にはあるものが「いろいろありません」。
核、ありません。
エネルギーを変換する装置、ありません。
自分の成分を作る装置、ありません。
自分を複製・増やす装置ありません
…あれれ、これは大変なことですね。
「生物」を定義するような特徴を保つ装置を持っていないのです。
遺伝情報と容れ物からなっている、けれど、生物の機能を担えません。
そう、「ウイルスとはそういうもの」なのです。
DNAまたはRNAという遺伝情報を書き込んだ成分と、それを入れる容れ物、そして少数の種類のタンパク質をもつ小さな小さな塊、それがウイルスです。
ウイルスは生物か…上でラフに考えたラフな定義のようなものからいうと、ノーです。決定的なのは、「自分では増えられない」という点とも言えます。
ウイルスの増え方
では、ウイルスはどうやって「自分を増やす」のでしょう。簡単に答えからいうと、細胞に入り込んで「機能をのっとって」、自分を増やしてもらうのです。侵入した細胞の装置をお借りする。
そう、ウイルスというのは他者(細胞)依存的に自分を増やすんですね。
ですから、ウイルスはただの情報の塊のような面もあるんですが、細胞を乗っ取る機能はもっている、ということになります。
自分を自分の装置だけでは増やせないのはウイルスだけ。というとウソになって、じつは細菌にちかいリケッチアというのも他の細胞なしでは自分を増やせません。これは今回は余談ですが。
細かいことは省きますが、ウイルスは増えてはいくわけです。自分自身でではなく、細胞も持ちませんが。そういう意味ではまるで「生物」のごとくふるまう面もありますね。そして、生物の進化や生物のもっている仕組みにはウイルスが大きくかかわってもいます。
なので、ウイルスというのは、生物と非生物の非常に難しいはざまの立ち位置にあるような、そういう存在ということもできるんですね。
「生物学的存在」ということもあります。
ただ、生物の定義を狭めて「非細胞性生物」として位置づけることもあるんですが…。
なんだか概念的で、哲学的で、つまらーん、眠い話をしてきてしまいました。
ここからは具体的にウイルスってどんなものがあって、どんな仕組みなのかなということをお話したいと思いますが、その前にひとつ寄り道をします。
ウイルスと細菌(や真菌）の違いと抗生物質
細菌・真菌というのは細胞からできていました。できているんです。装置をもっているんでしたね。自分を外と分ける膜や壁のようなもの、自分自身をメンテナンスする装置、自分を増やす装置。
これらの装置のいろいろな部分に作用して、働かなくする薬が、「抗菌薬」「抗真菌薬」であり、ラフに使われる「抗生剤・抗生物質」というものになります。
これらの、「装置に効く」のです、
代表的な抗菌薬には、細菌の細胞の壁を壊すもの、細菌がタンパク質をつくるのを止めるもの、細菌の遺伝情報であるDNAが増えるのを防ぐもの、などがあります。
そして重要なのは、ヒトの装置には影響しない/しにくいこと。細菌は原核生物なので、原核生物にだけ作用するものであればいいのですが、カビの仲間はヒトと同じような細胞からなる真核生物なのですこし難しいのですが、そういった選択性のある物質が薬になっているんですね。
ですから、抗菌薬は菌の細胞の装置を止める薬なわけで、「ウイルスには効きません」。ウイルスは装置を持ちませんし、ヒトに病気を起こすウイルスは、「ヒトの装置を乗っ取ります」。抗菌薬はヒトの装置には作用しないのでした。
さて、「風邪」というのはライノウイルスなどのウイルスによっておこる(一般感冒・普通感冒と呼ばれる風邪ですね)んですね。
ですから「抗菌薬」「(ある意味の)抗生物質」はウイルスには効かないので、風邪には効きません。これは重要なことで、原理的に効かないのです。気休めにもならない。
抗生剤を、効かない風邪などに乱用すると、細菌は薬剤に対して耐性というものを持ってしまいます。この辺はまたいつかお話しますが、薬剤耐性(AMR)というんですね。
これは大変な問題なので、「抗生剤を風邪につかってはいけません」。
抗生剤の乱用の問題や、ウイルスには効かないよ、という話については以下がとってもよいです。
●FNN PRIME ブログにもよい記事があります
「4割が勘違い「抗生物質は風邪に効く」…危険な副作用に注意」
ウイルスの発見
さて、戻ります戻ります。大回りしました。どこまでいったかというと、ウイルスって情報と形だけあるようなものなんだよなぁ、というところ。
ウイルスについてちょっと見つかった経緯を書きます。
ウイルスはとても小さいのでした。細菌よりずっと。細菌は光学顕微鏡で見えますので、顕微鏡が発明されたのち、多くの感染症で見つかりました。
これは1674年にレーウェンフックという人が見つけたのですね。そして、1860年にはパスツールという人が細菌のはたらきの研究をし、1876年にはコッホが病原体としての細菌の意義を明らかにしています。
そしてたくさん研究がされて、感染症の多くはまずは細菌でおこっているんだ！ということが明らかになったのです。これは顕微鏡を使っているんですね。
ところが1892年になるとイワノフスキーという人が、顕微鏡では見えないうえに、濾過器という焼き物のフィルターを通して細菌を除いた後の液をつかっても、タバコモザイク病という病気が植物から植物へうつることを見つけたのです。
つまり、細菌よりずっと小さい何か、が感染症の原因になっているのではないか、と考えられたんですね。さらに1898年には口蹄疫についても同様に、濾過器を通しても感染性があることがわかり、「filterable virus」（濾過性病原体）と名付けられました。
ベイリングという研究者は「Contagium vivum fluidum」（生命を持つ感染性のある液体）と名付けています。
この、濾過性病原体は、より小さな細菌という説と、分子であるという説がありましたが、1935年にスタンリーがタバコモザイクウイルスを結晶化し、電子顕微鏡で観察することに成功しました。これはノーベル賞(1946年)につながります。
始めはこの結晶はタンパク質だけでできていると考えられていましたが、翌年1936年には、RNAも含まれていることも分かりました。ただ、このころはまだ遺伝子がRNAにあることはわかっていなかったんですね。
1952年になって、ファージというウイルスの一種ではDNAが遺伝をつかさどることがわかり、そして、ウイルスへの理解と同時にDNAが遺伝物質であることがわかったのです。
こういう経緯で、ウイルスは発見され、そして少しずつ理解されたのですね。ですから細菌とは全く違うのです。
さて、ではもう一度ウイルスの特徴を復習します。
1. 細胞はない。
核酸(DNAまたはRNA)を遺伝情報として入れた形をもつ。
2. 自分自身では増殖できない。細胞を利用する。
3. エネルギー変換をすることはできない。
こういった特徴があるのでした。これ以外にも遺伝の保持の仕方や増殖の仕方などで。生物との違いもありますが、割愛します。
ウイルスの分類
さて、ウイルスについては構造や仕組みなど説明すべきことはたくさんあるのですが、今回はたくさん触れるのはあれなので、ウイルスの分類や実際にあるウイルスってどんなものなのかだけをラフに見ていきたいと思います。
ウイルスを分類している国際組織が実はあります。International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) というところで、日本語では「国際ウイルス分類委員会」というのです(https://talk.ictvonline.org/)
このICTV のサイトに、ほぼすべての既知のウイルスの学名のリストと分類(https://talk.ictvonline.org/taxonomy/)が公開されています。
(Excelリストもあります https://talk.ictvonline.org/files/master-species-lists/)。
うーん！複雑かつ細かく、膨大…これは理解が難しい…。となりますが、実はこれはきれいに群と階層で分けていて、かつ、そのもとになった考え方というか分類があるのです。
それを、ボルチモア分類といいます。
ウイルスは遺伝情報をDNAまたはRNAに書き込んで持っているのでした。
ボルチモア分類というのは、この遺伝子情報を保持している核酸(DNAまたはRNA)の種類と、その鎖が1本であるか2本であるか、さらに、遺伝子の書き込まれている方向がどっちの方向であるか、で分類するのです。
具体的には、①2本鎖DNA、②1本鎖DNA、③2本鎖RNA、④1本鎖RNA +鎖、⑤1本鎖RNA -鎖、⑥1本鎖RNA逆転写、⑦2本鎖DNA逆転写 でわけるんです。
このように分けて考え、分けたのちに、似たものをまとめて生物のものと似た学名を付けています。すなわち、目 (order; -virales)＞科 (family; -viridae)＞亜科 (subfamily; -virinae)＞属 (genus; -virus)＞種 (species) という階層にしているのですね。
ちょっとだけ具体例を表にだします。下の図です。
ds (= double strand = 2本鎖) DNA の中にはヘルペスウイルスやパピローマウイルスがありますね(一番左)。パピローマウイルスは子宮頸癌の原因になります。二本鎖DNAを遺伝情報に持っているのですね。
ss(=single strand=一本鎖)RNAウイルスで遺伝情報が書き込まれている方向が(-)には Orthomyxoviridae = オルトミクソウイルス科というのがありますね。これはインフルエンザウイルスがここに含まれています。
あ、脱線しますが、「インフルエンザ菌」(Haemophilus influenzae)という「細菌」もいるので注意です。これはインフルエンザの患者から見つかった菌ですが、インフルエンザを起こすのではありません。名前だけが残ってしまったのでややこしいですが。今は触れませんが、インフルエンザウイルスとは全く違うので注意です。
さて、戻りますね。ウイルスの分類については、まぁこんな感じなんですが、…とにかく細かすぎる！難しすぎる！そうですね。この用語・分類の最新バージョンは論文で読めますので、興味のある方だけ踏み込んでもらいましょう！
さて、なんとなく、わかっていただければいいのです。ウイルスは「細胞にあるような種々の機能は持っていない」のですが、「遺伝情報は核酸(DNAまたはRNA)に保持しています」。その「核酸の種類で分類」し、「そののちにさらに細かく分けている」、そういうことなんですね。
ウイルスはいろいろな核酸の持ち方をしているのですが、細胞を乗っ取った後には、そこからメッセンジャーRNA (mRNA) というものを写し取って(一部はそのままｍRNAとして機能して)、タンパク質を作り出します。
そして、そのタンパク質をつかって、さまざまな機能を発揮するのです。
細胞を乗っ取るのも実はそうですし、自分たちを増やしたり、自分たちを潜ませたり、細胞を黙らせたりいろいろです。(実際にはタンパク質だけではなく miRNA なども使いますので単純ではありません)。
さて、今日は導入の概要だけでおわります。ウイルスの概要でしたね。
今日のまとめ
今日の話をまとめます。「生物の最小単位は細胞」と言っていいのでした。細菌も細胞からなり、自分で増えて自分で代謝をします。一方、ウイルスは細胞よりはるかに小さく、そういった機能を欠いているところがほとんどで、生物といっていいのかわかりません。
細菌の細胞の装置に対して用いる薬が「抗生物質」でした。細胞だから効くのですね。ウイルスには細胞がありませんので、抗生物質は効かないのでした。
ウイルスの分類はどうやって行うのか、というと、ウイルスの遺伝情報が書き込まれている核酸(DNAまたはRNA)の種類によってまずわけるのでした。これがウイルスの分類の基本でした。
というわけで、今回はあくまでも導入でしたが、少しずつまたウイルスについてもお話をしていきたいと思います。
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