SARS-CoV-2の起源：その1
新種の出現
当然のことですが、新しい病気が現れたとき、"これはどこから来たのか？"ということを最初に疑問に思うことでしょう。この記事では、SARS-CoV-2の起源と、それがどのようにして人類に伝播したのだろうかということについてお話します。
すべての新興病原体で陰謀起源説というものが疑われます。SARS-CoV-2も例外ではありません。このショートシリーズの第1部では、このウイルスがどのようにしてヒトの集団に出現したのか、その証拠についてお話しします。第2部では、もう少し深く掘り下げて、なぜこのウイルスが人間に感染するのかを議論します。そして最後に、第3部ではSARS-CoV-2を取り巻く陰謀論を議論し、陰謀論を論破するために必要なすべての手がかりを手に入れることができます。
まず最初の疑問は、SARS-CoV-2の起源は何か？この質問に正しく答えるためには、ちょっとした背景の理解が必要です。
動物と変異ウイルス：
獣共通感染症の伝播と、さまざまなベクター（宿主）がどのようにして病気を広げるかを説明した図です（WHO提供).
新興のヒトの病原体の75％は人畜共通感染症に由来すると推定されています。"人畜共通感染症 "とは、動物から人間に伝染する病気のことを指します（上の画像参照）。すべての動物には、その動物に感染することに特化した微生物（ウイルス、細菌など）が存在します。例えば、Simian Immunodeficiency Virus（SIVcpz；サルの免疫不全ウイルス）はチンパンジーに感染します。しかし、マウスへの感染性は非常に低いです。SIVcpzはヒトへの感染性も低いですが、科学者たちはSIVcpzがヒト免疫不全ウイルス（HIV-1）の祖先であると考えています。。SIVcpzが種を飛び越えていく際、ウイルスがヒトで効率よく増殖するような突然変異を獲得し、最終的にHIVとなりました。人畜共通感染と突然変異のこの過程は、SARS-CoV-2の起源を理解する上でも重要です。
微生物は感染する動物で最適に増殖できるよう作られています。しかし、自然界では、これらの微生物は先見の明をもって自らを設計しているわけではないことを覚えておいてください。その代わりに、彼らは無作為に動き回り、その都度わずかな違いで何兆もの複製を作り出してます。その変異の大半は全く役に立たないどころか自身の増殖に不利益なものとなりますが、最終的には変異が（ウイルス側にとって）利益のあるものとなり、その結果より効率的なものに進化します。この過程は自然淘汰と呼ばれています。ウイルスは高速かつ雑な方法で複製（すなわち、自分自身をより多く作る）を行い、間違いを犯しながらも、他のすべてのものを凌駕する有利な突然変異を獲得できるよう工夫しているのです。
上の画像では、初期のウイルスの集団を見ています。これらのウイルスは数が少なく、あまり多様性に富んでいません（色の違いで示されています）。しかし、これらのウイルスは複製を繰り返すうちに、間違いを犯し始めます。集団が大きくなるにつれて、ウイルスの多様性が増していくのがわかります。しかし、次の図ではオレンジ色のウイルスに有利になるようなことが起こります（オレンジ色のウイルスは新種に変異した）。このシナリオでは、オレンジ色のウイルスが集団を乗っ取ります。このような拡大と選択のプロセスは、ウイルスの進化に不可欠です。
多くの人は自然淘汰について以前に学んだことがあると思いますが、以上の点を強調しておきます。ランダムな突然変異の結果、宿主にさらに適応したウイルスが生まれるというこの過程は、ウイルスがどこから来たのかを解明しようとする際に私たちが考えていることです。SARS-CoV-2の設計図、そのRNAゲノム（遺伝情報）を評価し、その起源についてのヒントを得ることができます。ウイルスが存在した場所はどこであっても、その遺伝子の歴史の中にそのヒントが書かれています。
最初のヒント：
SARS-CoV-2の最初の症例が報告される前、ヒトに感染するウイルスはベータコロナウイルス属（SARS-CoV-2が属するウイルス）の4種が知られていました。最初の2種、HKU1とOC43は風邪の原因となります。他の 2 つのウイルス、SARS-CoV と MERS-CoV-は、深刻な大流行を引き起こした極めて致死的なウイルスです（ただし、世界的なパンデミックは発生していません）。
左 - 最初のSARS発生時の2003年の記事の表紙。
右 - MERSが初めて発生した2012年のニュース記事のタイトル。ラクダからヒトへのMERSの伝搬は今日まで続いています。
2019年12月31日、中国政府は、中国武漢市でウイルス性肺炎の症例を報告しました。症例の多くは「華南海鮮卸売市場」に関連していた。最初は元のSARS-CoVが再発したのではないか、あるいは新型の致命的なインフルエンザが流行しているのではないかということが疑われました。その後1週間以内に、中国の科学者はウイルスの全ゲノム配列を公表し、これはSARS-CoVとは異なり新しいコロナウイルス（当初はnCoV-2019と名付けられた）であることが判明しました。
この時点で、世界はこのウイルスについて3つのことが分かっていました。
致命的なウイルス性肺炎を引き起こす可能性があること
SARS-CoVと密接に関連していた
初期の症例の多くは、華南海鮮卸売市場と関連していた。
Kalyan Varma氏とWikimedia Commons氏の提供。
これは2003年に発生したSARSの原型となったコウモリとヒトの中間宿主と推定されているハクビシン。Kalyan Varmaとウィキメディア・コモンズ提供。
2003年に発生したSARSでは、コウモリのウイルスが中間宿主を経てヒトへ感染したと推定されています。
当初のSARS-CoV発生時の研究では、ウイルスがカブトコウモリから中間宿主である仮面を被ったハクビシン（写真右）を経由して人間に感染した可能性が高いことが報告されており、したがって、科学者たちはnCoV-2019（別名SARS-CoV-2）もまた、コウモリからヒトに感染したのではないかと仮説を立てた。
有望な仮説ではあるが、それを検証する方法が必要である。ここで、次の重要な問題が浮かび上がってきます。
ウイルス探偵の道具：
ウイルスの起源を特定することは、ホームズの推理、論理パズルとも言え、興味深いものです。ウィルス探偵として私たちはまず、できるだけ多くのデータと証拠を収集します。残念ながら、決定的な証拠がないことも多いので、直接観察していない事象については推論を使って結論を出さなければなりません。
では、ウイルスが初めて人間に飛び移る瞬間を観察できない場合、ウイルスがどこから来たのかをどうやって見つけるのでしょうか？古典的な23andMe（DNA検査試薬）を用いて、その祖先を理解するためにゲノムを調べます。
大切なことは、このウイルスはそれ自身のコピーを作るので、間違い（変異）を犯す可能性があります。これらの変異の中にはウイルスを傷つけるものがあり、そのような変異を含むウイルスは増殖に失敗します。また、変異の中にはウイルスに利益をもたらすものもあり、それらのウイルスは効率よく成長します。さらに変異の中には、ウイルスに何の影響も与えないものもあります。これらは中性突然変異と呼ばれ、その結果、これらの変異の子孫であるすべてのウイルスは、その変異を含むようになります。これらの変異の保有の有無を確認することで使って家系図を作ることができます。
系統樹の図、提供：Khan Academy
系統樹のイラスト、Khan Academy提供
上で説明したように、関連する特徴（この場合は尾、耳、ひげ）を区別することで、最も共通の祖先に遡るという作業を行うことができます。これを系統樹と呼びます。ウイルスの場合は、これとは少し違います。まず、ウイルスのゲノムを読み取り、ウイルスの遺伝情報を一文字一文字にまとめた設計図を作成します。次に、2つのゲノムを隣り合わせにして、すべての場所の文字を比較して、同じかどうかを調べます。このプロセスは、シーケンスアラインメントと呼ばれています。
SARS-CoV-2の起源とは？
nCoV-2019（現在はSARS-CoV-2と呼ばれている）が患者から分離され、完全に配列が決定されると、科学者たちはそのゲノムを以前に同定された他のコロナウイルス種とアラインメントし、比較しました。彼らは、SARS-CoV-2の最も近い親戚がコウモリ由来のコロナウイルスであることを発見しました。具体的には、コウモリCoV RaTG13は、カブトコウモリの種であるRhinolophus affinisというコウモリで発見されたコロナウイルスです。
さて、これらのウイルスがゲノム上のどこで最も類似しているか、また最も類似していないかを見てみましょう。まず、SARS-CoV-2ゲノムのマップを見てみましょう。
SARS-CoV-2ゲノムを模式的に表示したものです。スパイクタンパク質の3D構造を見ることができ、ハイライト表示されているのは、受容体結合ドメイン（RBD）と呼ばれる特定の領域である。これは、ヒト表面タンパク質であるACE2に結合していることが報告されています。
以下を見るときは、上記のマップを念頭に置いてください。
上のグラフを見ると、青い線（Bat CoV RaTG13）が目立ちます。これはコウモリのコロナウイルスですが、90～100％の塩基相同性（y軸）を示していることがわかります。つまり、このコウモリCoV RaTG13を新しいSARS-CoV-2と並べてゲノムに沿って配列を比較してみると、ほとんどの場所で非常によく似ているということです。一方、オリジナルのSARS-CoV（赤で示したSARS-CoV BJ01）は、SARS-CoV-2と比較して50-80％の一致率で推移しており、かなり関連性はあるものの、Bat CoV RaTG13ほどではありません。
しかし、塩基相同性マップをもう一度注意深く見てみると、おかしなことに気づくかも知れません。スパイクタンパク質をコードする領域（23,000塩基付近）では、すべてのウイルスの類似性が急に低下しています。これはBat CoV RaTG13ではあまり目立ちませんが、ゲノムの他の場所と比較すると最も急な低下です。
コロナウイルスの表面にあるスパイクタンパク質が、これらのウイルスがそのように（コロナ：太陽光の放射）見える理由です。下はSARS-CoV-2ウイルスの画像です。ウイルスから突き出た小さなスパイクは、太陽のような「コロナ」を形成しており、スパイクタンパク質で構成されています。このタンパク質は、ウイルスが人間の細胞に入ることを可能にします。これは、特定の鍵にのみ作用する鍵のような働きをします。その鍵とは、肺をはじめとする体内の多くの細胞の表面に見られるタンパク質のことです。このタンパク質はACE2と呼ばれております。
画像1：患者から分離されたSARS-CoV-2ウイルス粒子の透過電子顕微鏡写真。メリーランド州フォートデトリックにあるNIAID統合研究施設（IRF）で撮影された画像。画像提供：NIAID
画像2：SARS-CoV-2ウイルス粒子、細胞表面のACE2への結合（鍵と鍵穴のような関係）。BioRenderを用いて改変。
コロナウイルスにとってスパイクタンパク質は非常に重要であることを考えると、ゲノムのスパイク領域におけるRaTG13とSARS-CoV-2の配列の違いは極めて重要であると考えられます。興味深いことに、ある研究室がスパイクの受容体結合部位（RBD）がSARS-CoV-2と類似した配列を持つ唯一のウイルスを発見しました。興味深いことに、このウイルスはマレーのセンザンコウ由来のものでした。
Firdia Lisnawati: マレーのセンザンコウの画像
下のグラフは、別の塩基相同性のグラフです。しかし、今回はグラフの一番上がSARS-CoV-2との類似性ではなく、マレーのセンザンコウに見られるコロナウイルスとの類似性を示しています。注目すべき2つのウイルスは、赤が SARS-CoV-2 緑が Bat CoV RaTG13です。
予想通り、赤と緑の線（相同性）はほぼ完全に一致していますが、オレンジの領域になると突然、一致しなくなります。重要なことは、オレンジ色の領域は、スパイクタンパク質の重要なRBD（ここでは受容体結合モチーフと呼ばれる）であるということです。ここにSARS-CoV-2がマレーのセンザンコウからで見つかったコロナウイルスに最も似ている理由がここにあります。
Xiao氏らの図を引用。
何を意味しているのでしょうか？私たちは、人間とコウモリの中間種であるセンザンコウについての仮説を立てました。
SARS-CoVでは、中間種はハクビシンでしたが、SARS-CoV-2の中間種は、うろこを持つ哺乳類であるセンザンコウの可能性があります。重要なことに、センザンコウのコロナウイルスはSARS-CoV-2の全ゲノムとは一致せず、RBD（Receptor Binding Domain）と呼ばれるスパイクタンパク質の領域とのみ一致している。このことから、パンゴリンコロナウイルスの一部がコウモリのコロナウイルスに移って、新しいウイルスができたのではないかと考えられています。
コロナウイルスは、「相同組換え」と呼ばれる現象を起こすことができます (Lai et al 1990 and Lai et al. 1997)。2つの異なる、しかし関連性のあるウイルス株が、同時に同じ細胞に入ったとします。Aが自分自身のコピーを作り始めると、そのゲノムのある小さな部分で、偶然にもウイルスBの相同領域、または類似領域をコピーしてしまう可能性があります。それは、ある人がコピー機を使っていて、もう一人の人が自分の紙を途中で入れ替えてしまい、ホチキスで留められてしまったようなものです。私たちの場合、出てきたウイルスは元のウイルスAとほぼ同じですが、ウイルスBと同じように見える小さな部分が1つあり、これはSARS-CoV-2で起こったことかもしれません。ほとんどがコウモリのコロナウイルスに似ていますが、スパイクタンパク質の小さなRBD領域だけはセンザンコウのコロナウイルスに似ています。
これまでの仮説：
多くのウイルスゲノムを互いに比較するシーケンスアラインメントという手法を用いることで、SARS-CoV-2がどこから来たのかを知ることができました。SARS-CoV-2の大部分はRaTG13に関連するコウモリコロナウイルスに由来していると思われますが、中間宿主で別のコロナウイルスとの相互作用によってスパイクタンパク質の一部を獲得したのではないかと考えられます。第一容疑者は？センザンコウでしょう。
新しいコロナウイルスがコウモリやセンザンコウを介して移動した後、人間に飛来したということが考えられます。 しかし、まだ決定的な証拠は見つかっていません。科学者たちは、これらの断片を全て含むセンザンコウのウイルスをまだ見つけてません。現在の仮説が間違っている可能性もあります。しかし、より多くのウイルスの配列が決定され、データが収集されれば、SARS-CoV-2の出現について、より正確な情報が得られるようになることでしょう。
SARS-CoV-2の起源についての最初の記事をお楽しみいただけたでしょうか。次の記事では、SARS-CoV-2に含まれる特定の成分が、どのようにしてこのウイルスを人間に感染させることができるのかを説明します。引き続きご期待ください。そして、手を洗ってください！
Satoshi Ikegame
執筆：Christian Stevens
現在、Mount Sinai School of MedicineでMD/PhDコースの大学院生として研究に従事。Harvey Mudd College卒業。
2018年にBenhur Lee Labで研究活動を開始。現在、2つのプロジェクトに取り組んでいます。
一つはSendaiウイルスをVectorとして用いて遺伝子改変するというもの、もう一つはnext-generation sequence (Illumina, Oxford Nanopore等)の解析パイプライン構築。
また世界規模の臨床研究の成果（特に感染、ウイルス領域の）を幅広くすべての患者に提供することにも興味を持ってます。
christian.stevens@icahn.mssm.edu
Twitter: @csstevens91