Coronaviruses and stress: from cellular to global
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7474501/
要旨
2019年末近く、系統的に関連する新規の高伝染性コロナウイルスであるSARS-CoV-2が、致死的な結果を伴ってヒト集団に侵入した。結果として生じた疾患COVID-19に専念するこの特集号は計画されたものではなく、細胞ストレス応答分野の研究者がCOVID-19感染症の病態生理とウイルス感染とは無関係の文脈で研究した応答の間に類似点があることに気づいたため、論文が有機的に蓄積されていった。
我々は、SARS-CoV-2の構造と生物学の簡単なレビューから始まる入門的な論文で本号を前置きする。COVID-19の論文を収集して比較すると、いくつかの共通のテーマが浮かび上がってきた。
序論の第二部では、各論文を簡潔に要約し、それぞれの論文を自然発生的に生じたアイデアや仮説の連鎖に結びつける共通のテーマを強調している。これらのテーマには、ウイルスタンパク質と患者のタンパク質の間に分子模倣の証拠が増えていることが含まれている。このような免疫模倣の結果の多くが血管内皮細胞の形質膜上で再生される可能性があるという認識は、複数の臓器で自己免疫誘発性の血管内皮障害が発生する可能性を浮上させた。
新しい治療法の提案は、血管内皮の保護を誘導するというテーマを中心にまとまってきている。提案されている新しい化学的治療法には、塩化スタンナス、チオ硫酸ナトリウムのようなガス伝達物質である硫化水素の誘導剤、および細胞保護ストレスタンパク質であるヘムオキシゲナーゼの誘導剤が含まれている。
人工呼吸器によって送達される酸素は、重度のCOVID-19を有する患者のための生命維持を提供するために既に広範に使用されている。2つの論文では、高気圧チャンバー内で高圧力下で酸素を送達することにより、感染した患者のウイルス検出の初期段階で、酸素の使用を治療的治療のレベルまで進歩させることを提案している。血漿中の血漿濃度が高くなると、高気圧酸素は、誘導性細胞防御システムの確立を制御する転写因子の活性化を促進するため、人工呼吸器の能力をはるかに超えた結果を達成することが可能である。
ウイルスは私たちを驚かせ続けている。ウイルス学者の注目が西アフリカでのエボラウイルスの大発生と、新しい高病原性（HPAI）鳥インフルエンザ株に集中している間に、新しいタイプのコロナウイルスが出現した。
コロナウイルス（CoV）は、コロナウイルス科およびニドウイルス目のメンバーであり、多数のエンベロープされたポジティブセンス一本鎖RNAウイルスから構成され、家畜および野生動物、ならびにヒトにおいて、重症度の異なる呼吸器疾患、腸疾患、腎疾患、および神経疾患を引き起こす（Cui er al)。 コロナウイルスは、構造遺伝子および付属遺伝子に先行する大きな複製トランスクリプターゼ遺伝子を含む最大の同定されたRNAゲノム（典型的には、27kbから32kbまでの範囲）を有する。すべてのCoVゲノムは、5′末端内にコードされたレプリカーゼ遺伝子座と、3′末端内にコードされた構造タンパク質とで、同様に配置されており、遺伝子の順序は不変である。5′・S (スパイク) ・E (エンベロープ) ・M (メンブレン) ・N (ヌクレオカプシド)-3′; 構造遺伝子の間には、付属タンパク質をコードする多数の小さなオープンリーディングフレームが分布している。いくつかのCoVはまた、追加の構造タンパク質であるヘマグルチニン・エステラーゼ（HE）をコードしている（Fung and Liu 2019）。
Nタンパク質はゲノムRNAと複合体を形成し、ウイルスエンベロープに囲まれたらせん状のカプシド構造を形成する。スパイクタンパク質のホモトリマーは、エンベロープに埋め込まれ、ウイルス表面を越えて伸びて宿主受容体に結合し、ウイルスに王冠のような形態を与えている。MおよびEタンパク質は膜貫通型のタンパク質であり、HEタンパク質は一部のCoVではより小さなスパイクを形成している。
他の典型的なCoVの特徴は、リボソームフレームシフトによる多くの非構造遺伝子の発現、3′入れ子になったサブゲノムmRNAの合成による下流遺伝子の転写、および複製転写酵素ポリタンパク質内にコードされたいくつかの珍しい酵素活性の存在を含む。CoVのユニークな複製機構は、ゲノムの非連続転写を伴い、コロナウイルスの高い組換え率をもたらし、これはウイルスの進化および種間感染において役割を果たす可能性がある(Weiss 2020)。
それらの系統的関係とゲノム構造に基づいて、CoVは4つの属に細分化されている。アルファ、ベータ、ガンマ、デルタの4つの属に分類され、これらのうち、アルファおよびベータのCoVは哺乳類のみに感染するのに対し、ガンマおよびデルタのCoVは鳥類に感染し、時折哺乳類に感染するのみである。ヒトコロナウイルス（HCoV）は1960年代に発見され、歴史的には4つのウイルス（HCoV-NL63,HCoV-229E、HCoV-OC43,およびHCoV-HKU1）が含まれており、世界的に分布しており、免疫力のない宿主では軽度の上気道疾患（すべての一般的な風邪の10〜30%）を引き起こすだけである。また、乳幼児や幼児、高齢者に重篤な感染症を引き起こすケースも報告されている（Lim er al)。 しかし、今世紀に入ってから、3つの高病原性HCoVが出現した（Cui et al 2019,Tang et al 2020）。β-CoVであるSARS-CoV（重症急性呼吸器症候群コロナウイルス）は、2002～2003年に中国と香港で出現し、全世界で8000人以上の症例を引き起こし、死亡率は約10%（WHO;…www.who.int/csr/sars/country/table2004_04_21/en/同じくβ-CoVであるMERS-CoV（中東呼吸器症候群コロナウイルス）は、2012年にアラビア
2019年末近くに、ヒトに感染することが知られている、系統的にSARS-CoVクラッドの7番目のコロナウイルスが中国の武漢で出現した（Tang er al 2020）。この新規なHCoVはSARS-CoV-2と名付けられ、それに関連する疾患はCOVID-19（コロナウイルス疾患19）と呼ばれている。
SARS-CoV-2は、SARSやMERSのHCoVよりもはるかに深刻な公衆衛生上の脅威であることが判明した。その理由は、より効率的に拡散する能力にあり、世界保健機関（The World Health Organization）によると、2020年9月2日時点で25,602,665人の確定症例と852,758人の死亡が報告されており、世界的な封じ込めが非常に困難になっているからである。
COVID-19の臨床的特徴は様々で、無症状の状態から、一部の患者では悪化を続け、肺炎、ARDS（しばしば機械呼吸を必要とする多臓器不全、そして死に至る呼吸器症状に至ることがある（Wiersinga et al 2020）。この進行は、IL-6,IL-2,IL-7,IL-10,マクロファージ炎症性タンパク質1α（MIP1α顆粒球コロニー刺激因子（G-脳脊髄液IP-10,MCP1,および腫瘍壊死因子α（TNF-α）を含むプロ炎症性サイトカインおよびケモカインの極端な上昇と関連している（Tay er al 2020）。
COVID-19を倒すための努力は、SARS-CoV-2の生物学から宿主応答との相互作用に至るまで、この新しいウイルスのいくつかの重要な側面に関する情報の欠如によって妨げられている。
SARS-CoV-2の複製サイクルは、スパイクSタンパク質の細胞表面受容体への結合によって開始されるが、これは、SARS-CoVと同様に、ヒトアンジオテンシン変換酵素2（hACE2）である（Wiersinga er al)。 SARS-CoV-2 Sタンパク質は、広範囲にグリコシル化された、三量体、クラスI融合タンパク質である;各モノマーは、2つの機能的サブユニットから構成される。各モノマーは2つの機能的サブユニットから構成されている：受容体結合を担うS1と、融合機構を含む膜固定型S2である。SARS-CoVの場合と同様に、S融合能力の活性化は、異なる部位での逐次切断を必要とする;しかしながら、SARS-CoV-2の場合、S1/S2境界に位置する予想外の多塩基性フーリン様切断部位が最近同定されたが、これは、Sタンパク質の生合成中に処理され、Sタンパク質の「プライミング」に責任があると考えられている（Coutard et al 2020; Hoffmann et al 2020; Walls et al 2020）。重要なことに、類似の開裂部位の獲得は、鳥インフルエンザウイルスなどの他のウイルスにおける病原性の増加と関連しており、SARS-CoV-2の高い感染性および透過性に関与していることが示唆されている（Coutard et al 2020; Hoffmann et al 2020; Walls et al 2020）。
侵入後、SARS-CoV-2の複製は、いくつかの非構造性ウイルスタンパク質（nsp）を含むマルチサブユニット複製／転写機構によって媒介される。この複合体の主要な構成要素は、RNA依存性RNAポリメラーゼ（RdRp）であり、nsp12としても知られている。nsp12は、そのC末端部分にウイルスの標準的なRdRpモチーフを含み、プライマー依存性の開始機構を採用して、RdRpはウイルスRNAの合成を触媒する。効果的に機能するために、nsp12は、RdRpテンプレート結合およびプロセス性を増加させるnsp7およびnsp8を含む付属因子を必要とする（Kim et al 2020年;Gao et al 2020年;Weiss2020）。nsp12-nsp7-nsp8複合体がヌクレオチド重合に必要な最小限の複合体を表すのに対し、しかしながら、転写／複製活性の完全なレパートリーを遂行するためには、ウイルスの追加のnspサブユニットが必要である可能性が高い。宿主の転写機構とは異なるSARS-CoV-2 RdRpは治療の主要なターゲットと考えられている。CoV感染症に対するヌクレオシド系治療薬の開発は、RNA配列の誤りを訂正する「校正」酵素として働き、類似体の効果を制限する可能性のあるエキソリボヌクレアーゼ（ExoN, nsp14）の存在によって妨げられてきたことに留意すべきである。 …fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-COVID-19-update-fda-issues-emergency-use-authorization-potential-COVID-19-treatment）は、この校正を et al 2018）。
ウイルスとヒートショック応答（HSR）との関係を探った大量の文献（Santoro et al 2010およびその結果としてのHSRと炎症反応との関連性（Morimoto and Santoro 1998,Santoro et al 2003）にもかかわらず、コロナウイルス感染症の場合はほとんど知られていない。最近、COVID-19患者における致死的転帰への主要な危険因子、すなわち既往の代謝性疾患や心血管疾患は、年齢に加えて、欠陥HSRと関連した炎症性の慢性変性疾患であるという特徴を共通に持っていることが指摘されている（Heck er al)。 したがって、COVID-19のHSR-病原体生物学を理解することは、本疾患の効果的な治療や管理に翻訳可能な重要な洞察を得るために緊急の必要性がある。
今回の重症COVID-19に関する特集号は、細胞ストレス応答分野の研究者が、COVID-19感染症の病態生理と、全く関係のない文脈で研究していた応答の特徴との間に類似点があることに気付き始めたことから、論文が有機的に蓄積されたという点で、異例のものである。研究者たちは、自分たちの観察と仮説を、その分野の同僚や興味を持っている他の読者と共有するために、Letters、Perspective articles、Short Communicationsを投稿した。Springer Online Firstに掲載されたCell Stress & Chaperonesの論文数が増えるにつれ、特別号が必要であることが編集者に明らかになった。記事を比較していくうちに、いくつかの共通のテーマが浮かび上がっていた。
Cell Stress & Chaperonesに掲載された私たちの最初のCOVID-19論文、Francesco Cappelloからの編集者への手紙が登場した（Cappello 2020）。そこでは、著者は “COVID-19はタンパク質状疾患を誘発する分子模倣現象も起こすのか？”という疑問を投げかけている。臓器への関与の多様性と患者特異的な症状の範囲は、SARS-CoV-2がCOVID-19患者を治療しようとする医師の手から逃れる方法のメタファーである、捕獲から逃れるために形を変えることができる海の神、プロテウスから派生したproteiformという用語を示唆した。Cappelloは、ウイルスが分子模倣を用いて患者の免疫システムを騙し、自己タンパク質と交差反応することができるウイルスタンパク質エピトープに対する抗体を生成することを提案した。血管壁が関与していることが明らかになっていることから、この分子模倣の舞台はストレスを受けた内皮細胞の血管血漿膜ではないかと彼は提案した。このような自己免疫反応は、一部の患者が経験する血栓症、播種性の血管内凝固、全身性炎症、そして最終的には多臓器不全を説明する可能性がある。GammazzaおよびFrancesco Cappelloを含む共著者は、この疑問を拡大し、本号に掲載されたShort Communication（Marino Gammazza er al 2020）で回答を提供し始めた。彼らは、SARS-CoV-2タンパク質の連続セグメントが、最小長が6アミノ酸のヒトタンパク質セグメントと完全に一致するものをタンパク質データベースで検索した。その結果、ウイルス性タンパク質にも見られるペプチドを共有する17の分子シャペロンを発見した。重要なことに、これらのペプチドはすべて、免疫エピトープデータベースとBまたはTリンパ球の解析リソースを使用して予測された免疫原性エピトープの中に含まれている。この分子模倣に関する彼らの議論では、内皮細胞の形質膜に局在するそれらのシャペロンに焦点を当てていた。このようにして、自己免疫誘発性血管内皮障害という共通のテーマに戻ってきた。
独立した研究において、LuccheseとFlöelは、急性および慢性の免疫介在性神経障害にリンクしたヒトタンパク質のライブラリーを検索した（Lucchese and Flöel 2020）。彼らは、SARS-CoV-2がそれぞれHSP90B、HSP90B2,およびHSP60と2つのヘキサペプチドを共有していることを発見した。細胞ストレス応答タンパク質のこのグループの歴史的名称であるこれらのヒト熱ショックタンパク質のエピトープは、ギラン・バレー症候群および他の自己免疫疾患と関連している。著者らは、これらの共有ペプチドが、ヒトで実験的に検証された免疫反応性エピトープ内に位置しているという重要な観察を強調した。著者らは、SARS-CoV-2とギラン・バレ症候群の関連の背後にある可能性のある病原性メカニズムとして、ヒトHSPとの分子模倣を提案した。
O’BrienとSandhuは、COVID-19関連の高炎症と血管内皮機能障害を治療するための免疫療法のテーマを進めた（O’Brien and Sandhu 2020）。彼らは、COVID-19患者の死亡率が男性が女性の2倍であるという性差のデータに注目した。HSP27がエストロゲン応答性タンパク質であることは、その発見時から実質的に知られていた。このことは、COVID-19の治療に役立つ可能性があることを示唆している。以前、O’Brien研究室は、HSP27タンパク質とその抗体の組み合わせが、動脈硬化を減少させ、抗炎症作用を促進するという治療上の利益を生み出すことを発見した。COVID-19患者における内皮機能障害の臨床的証拠がある。これらの状態には、血管血栓症、手指や足指の血行低下、さらには驚くほど若い患者における大動脈脳卒中などが含まれている。研究者らは、これらの血管への影響や炎症反応の他の合併症は、HSP27のワクチン接種や抗HSP27抗体による受動免疫によって減少する可能性があることを提案した。
血管内皮を保護するというテーマを継続して、PerdrizetとHightowerは、COVID-19患者を早期にスタンナス塩化物と高気圧酸素（HBOT）で治療することで、血管内皮への損傷を減少させることができると提案した（PerdrizetとHightower 2020）。彼らは、重症COVID-19に特徴的な圧倒的な免疫応答および関連する全身性炎症反応を誘発する全身性感染症に対して、HBOTおよびスタンナスクロリドの静脈内投与などの全身性の治療アプローチを適用する必要性を強調した。これらはいずれも、治療法が血管内皮を含む様々な組織において細胞保護を誘導することを示唆している。先行研究で発見されたボーナスの結果は、これらの治療法の両方が、組織における後天的な細胞保護の状態のバイオマーカーとして機能するHSPA1Aを誘導することである。
De Maio氏らはまた、COVID-19の症状と、急性呼吸窮迫症候群（ARDS）のような炎症反応を示す患者の症状との間に類似性があることにも気づいた。彼らは、ARDSの発生率と全身性の炎症反応、そして最終的には多臓器不全へと進行することが、呼吸器ウイルス感染症に特有のものではないことに気付いた。この研究室は、細胞ストレスとシャペロンの分野にしっかりと根付いている一方で、敗血症や外傷に対する創傷反応も研究している。De MaioとHightowerの論文では、敗血症と外傷の現在の理解からCOVID-19の病因とその治療についてより多くを学ぶことができるはずだという考えを詳しく述べている（De Maio and Hightower 2020）。ARDSは敗血症および敗血症性ショックの発症の構成要素である。この仮説は論理的にHBOTにつながるが、これは慢性的な非治癒性創傷患者の治療法としてすでにFDAに承認されている。動物モデルを用いた実験研究では、HBOTによる初期治療が敗血症の転帰を劇的に改善することが実証されている。De Maio氏とHightower氏は、特にHBOTの申請が早期に行われた場合には、COVID-19患者の入院期間と人工呼吸器の必要性を短縮するためにHBOTが有用なツールとなり得ることを主張している。
Evgen’evとFrenkelは、編集者への手紙の中で、硫化水素（H2S）ガス伝達物質は進化的に古くからある生物学的メディエーターであり、H2S合成酵素の欠陥は多くのヒト疾患と関連していることを読者に想起させている（Evgen’ev and Frenkel 2020）。低濃度では、それは、主に転写因子Hsf1とNrf-2の活性化を介して細胞保護を誘導するための細胞シグナルとして活性酸素種（ROS）の生産を引き起こす。ここでも共通のテーマである、脆弱な組織の細胞保護と全身性炎症に対抗するための全身治療に立ち返る。彼らは、チオ硫酸ナトリウム（耐容性の高いH2Sドナー）をCOVID-19のどの病期の患者の治療にも使用することを提案して締めくくっている。これは、必要に応じて、エアゾール吸入、静脈内注射、またはその両方のルートを介して投与され得る。
Philip Hooper（Hooper 2020）の論文で紹介されたヘムオキシゲナーゼ（HO-1）の細胞保護特性というテーマで締めくくるのは非常に適切である。COVID-19患者におけるヘム産生の阻害は、そのほとんどがヘムをビリベルジン、第一鉄、および一酸化炭素へと酵素的に切断する結果であるため、HO-1の細胞保護特性を低下させる可能性があるという証拠がある。これらの生成物は、炎症や酸化ストレスを軽減することで組織を保護する。SARS-CoV-2 感染およびそれに伴う COVID-19 疾患に対する脆弱性を高める条件には、メタボリックシンドローム、高齢、および男性性などがあるが、これらの条件はすべて、ストレス応答タンパク質のレベルが低下するという特徴を共有している。これらの個体は、最大の罹患率および死亡率を有する。これらのストレス応答タンパク質にはHO-1が含まれている。Hooperはまた、COVID-19病を予防または治療するためには、HO-1誘導剤を用いた対照試験が必要であり、そのリストは相当数存在することを指摘している。感染症のダメージを制限することに加えて、HO-1の細胞保護性と抗炎症性は、人工呼吸器誘発性の炎症をも減少させるはずである。
記事を通してその方法を編むことは、重度のCOVID-19のような全身性疾患は、成功した治療を達成するために全身療法を必要とするという統一的な概念である。重要な教訓は、うまくいけば私たちは次のウイルスのパンデミックと戦うためにより良い準備をする私たちの医療システムのすべてのレベルで学ばれている。