分子生物学における還元主義と複雑性

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ワクチン統合医療・精密医療

Reductionism and complexity in molecular biology

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1299179/

2004年11月

概要

科学者は今、生物学的複雑性を解明し、還元主義の限界を克服するためのツールを持っている。


生物系を構成要素に分解する還元主義的な方法は、多くの生命現象の化学的基盤を説明する上で有効であった。しかし、多くの生物学者は、この手法が限界に達していることに気づいている。生物系は非常に複雑で、個々の部分を研究しても説明できない、あるいは予測できないような性質を持っている。還元主義的アプローチは、分子生物学の初期には成功していたものの、この複雑さを過小評価していたため、創薬やワクチン開発を含む生物医学研究の多くの分野に悪影響を及ぼしていた。

フランシス・クリック(1966)が「生物学における近代的な運動の究極の目的は、すべての生物学を物理学と化学で 説明することである」と主張したことは、半世紀にわたって分子生物学に浸透してきた還元主義的な考え方を体現している。この理論は、生物学的システムは原子と分子だけで構成されており、「異質なもの」や 「精神的なもの」の影響を受けていないため、原子レベルに至るまで、個々の構成要素の物理化学的性質を用いて説明すること が可能であるはずだというものである。還元主義的な考え方の中で最も極端なものは、意識や精神状態を脳内で起こる化学反応に還元することができるという神経科学者の考えである(Bickle、 2003; Van Regenmortel、 2004)。

還元主義者は、より大きなシステムを断片的に分解し、その部分の間のつながりを決定することによって分析する。彼らは、分離された分子とその構造が、システム全体の理解を提供するのに十分な説明力を持っていると仮定する。方法論的論理的還元主義の価値は分子生物学の分野では特に顕著であるため、近年、生物学者が、生物学的システムは物理学や化学で十分に説明できるという考えに批判的になってきているのは奇妙に思われるかもしれない。このような状況は、ミケランジェロのダビデ像の意義を問う美術学生が、1504 年に彫られた大理石の一片に過ぎないと言われたのと似ている。これは確かにその通りだが、この像の解剖学的構造、フィレンツェ・ルネサンスの初期に制作されたものであること、ヨーロッパ美術史におけるその意義、さらには1527年の反メディチ派の反乱の際に三箇所を骨折した後に左腕に残った漆喰の傷跡についての適切な質問を回避しているのである。同様に、人間の生物学、発達、生理学、行動、運命などは、化学組成のみを考慮した還元主義的な 考え方では十分に説明できない。したがって、反還元主義者は、生物学を、化学や物理学にはない独自の語彙や概念を必要とする自律的な学問であると考えている。双方の立場は、最近の国際会議でも何度か議論されているが(Bock & Goode、 1998; Van Regenmortel & Hull、 2002; Van Regenmortel、 2004)、主な意見の相違は、何が良い科学的説明を構成するのかという点にある。

還元主義の最も極端な現れは、意識や精神状態が脳内で起こる化学反応に還元されうるという一部の神経科学者の信念である。

今日では、複雑な生物学的活性の特異性は、これらの構成要素が多くの異なるプロセスで頻繁に機能しているため、関与する個々の分子の特異性から生じるものではないことが明らかになっている。例えば、ミバエの記憶形成に影響を与える遺伝子は、記憶に特異的ではないサイクリックAMP(cAMP)シグナル伝達経路のタンパク質をコードしている。遺伝子産物がユニークな効果を発揮することを可能にするのは、cAMPなどのセカンドメッセンジャーが放出される特定の細胞コンパートメントと環境である。生物学的特異性は、これらの構成要素がどのように組み合わされて機能するかに起因する(Morange、 2001a)。部品間の相互作用や環境からの影響は、分離された部品には存在しないネットワーク行動(Alm & Arkin、 2003)のような新しい特徴を生み出す。

その結果、「創発」は、還元が失敗した場合に「還元」を補完する新しい概念として登場した(Van Regenmortel、 2004)。創発的な特性は、明示的な計算やその他の手段によって予測されたり、推論されたりしようとする試みに抵抗する。この点で、創発的な性質は、低レベルの情報から予測できる結果的な性質とは異なる。例えば、多成分タンパク質の集合体の結果的な質量は、各成分の質量の和に単純に等しくなる。しかし、私たちが塩化ナトリウムの塩味を味わう方法は、ナトリウムと塩素ガスの性質に還元されない。創発的性質の重要な側面は、それ自体が構成要素の力に還元できない因果的な力を持っているということだ。例えば、痛みの経験は人間の行動を変化させるが、痛みの知覚に関与するニューロンの低レベルの化学反応は、痛み自体が因果関係を持っているので、変化した行動の原因ではない。創発の原理によれば、自然界は進化の時間をかけて進化してきた階層に分かれている(Kim、 1999; Morowitz、 2002)。還元論者は、分子の状態が高次の現象をもたらす「上向きの因果関係」という考え方を提唱し、創発論者は、高次のシステムが低次の構成に影響を与える「下向きの因果関係」を受け入れる(Kim、 1999)。

したがって、反還元論者は、生物学を、化学や物理学にはない独自の語彙や概念を必要とする自律的な学問と考えている。

生物学は常に複雑系の科学であり続けていたが、複雑系自体が新しい概念となってきたのは最近のことだ。複雑系は創発的な性質を持っているので、構成要素の構造を分析するだけでは、その振る舞いを理解したり予測したりすることはできないことは、これまでの議論から明らかである。複雑なシステムの構成要素は、負のフィードバックやフィードフォワード制御を含む様々な方法で相互作用し、協調性や非付加的効果を無視した線形数理モデルでは十分に予測できない動的な特徴をもたらしている。情報経路やネットワークの複雑さを考慮して、これらのシステムをモデル化するためには、新しいタイプの数学が必要とされている(Aderem & Smith、 2004)。

複雑な生物学的システムのもう一つの本質的な特性は、そのロバスト性である(Csete & Doyle、 2002; Kitano、 2002)。堅牢なシステムは、適応能力があり、個々のコンポーネントが故障した場合にバックアップとして機能する冗長なコンポーネントを持っているため、環境の変化に影響を受けにくい傾向がある。サブシステムは物理的にも機能的にも絶縁されているため、あるモジュールの故障が他の部分に波及して致命的な結果を招くことはない。しかし、このモジュール性は、異なるコンパートメントが互いに通信することを妨げるものではない(Weng et al、 1999)。複雑な生物系のもう一つの特徴は、オープンであること、つまり、物質とエネルギーを環境と交換していることであり、熱力学的平衡状態ではないことである。過去には、分子生物学者の還元主義的なアジェンダは、創発、複雑性、頑健性に目をつぶってきたが、このことが過去50年間の生物学的・生物医学的研究に大きな影響を与えてきた。以下のセクションでは、創薬プログラムとワクチン学における還元主義的思考の弊害のいくつかを説明する。

米国食品医薬品局によって承認される新薬の数は、10年前には年間50種類以上あったものが、2002年には20種類以下にまで着実に減少している。業界では継続的なM&Aが行われ、年間約300億米ドルの研究開発費が投入されているにもかかわらず、この憂慮すべき傾向は続いている。コメンテーターは、この業績不振の原因として、非効率なプロジェクト管理、規制要件の増加、全生物を扱う臨床科学の衰退、技術主導型の研究への過度の偏重、少なくとも年間5億~10億米ドルの売上を上げられそうにない製品に集中しようとしないなど、様々な組織的原因を挙げている(Drews、 2003; Gershell & Atkins、 2003; Kubinyi、 2003; Miska、 2003)。さらに、ハイスループットスクリーニング、コンビナトリアルケミストリー、ゲノミクス、プロテオミクス、バイオインフォマティクスに基づく新しい創薬戦略では、期待されていたような新薬は生まれていないようである(Kubinyi、 2003; Glassman & Sun、 2004)。ヒトや様々な病原体のゲノム配列に関する知識は、限られた数の新規創薬標的の同定にしかつながっていない(Drews、 2003)。さらに、Glassman & Sun (2004)は、これまでのところ、遺伝子治療、幹細胞研究、アンチセンス技術、がんワクチンなど、期待に応えられなかったいくつかのバイオテクノロジープロジェクトを挙げている。これらの技術革新の多くに共通する問題は、遺伝子治療の場合のように、潜在的なリスクや望ましくない副作用が最初に見落とされる傾向にあるということである(Williams & Baum、 2003)。

ヒトの病気はヒトを対象とした研究が最も優れているということは、今でも事実である。

しかし、これらの失敗には、おそらくもっと根本的な理由がある。その結果、生物学的システム、生物全体、患者の複雑さが過小評価される傾向にある(Horrobin、 2001)。ヒトの病気の多くは、多くの遺伝子産物の相互作用に起因しており、特定の生物学的機能に関与している遺伝子や遺伝子産物のすべてを知っていることはほとんどない。それにもかかわらず、複雑な遺伝子ネットワークを理解するために、生物学者は単一の遺伝子の欠失を伴う実験に頼る傾向がある。個々の遺伝子の役割を推測するためには、必須と考えられる遺伝子を不活化または除去するマウスのノックアウト実験が広く用いられている。このような実験の多くでは、その遺伝子が必須と考えられているタンパク質をコードしているにもかかわらず、ノックアウトは全く効果がないことが判明している。また、ノックアウトが全く予想外の効果をもたらす場合もある(Morange、 2001a)。さらに、同じ遺伝子の破壊は、異なる系統のマウスにおいて多様な効果をもたらし得る(Pearson、 2002)。このような知見は、マウスで得られたデータを他の種に外挿することの賢明さを疑問視している。実際、遺伝子組み換えマウスを用いた実験が必ずしもヒトで起こる複雑な遺伝子相互作用についての洞察を提供すると仮定する理由はほとんどない(Horrobin、 2003)。

ワクチン接種は生物学的な領域にしっかりと固定されており、化学のレベルに還元することはできない。

ノックアウト実験の残念な結果は、遺伝子の冗長性と多元性、そして遺伝子産物が経路やネットワークの構成要素であり、並列システムで作用する遺伝子が欠落したものを補うことができるという事実によって一部引き起こされている(Morange、 2001b)。多くの要因が同時にシステムの挙動に影響を与えるため、ある部分が他の構成要素の存在下でのみ機能する場合がある。そのため、特定の機能を達成するための他の遺伝子の本質的な貢献が見落とされ、単一の遺伝子が十分な説明力を持っているという還元主義的な見方をさらに助長することになる(Van Regenmortel、 2004)。

創薬において期待外れの結果をもたらすもう一つの要因は、試験管内システムに過度に依存していることである。多くの研究者は、試験管内細胞培養やコンピュータモデルでさえも、無傷のヒトの機能を正確かつ確実に反映できるかもしれないと主張している。しかし、試験管内試験(in vitro)試験法とモデル化しようとしている生体内試験(in vivo)系との間には整合性がないことを示すかなりの証拠がある。全動物を用いた研究が不十分であることが、医薬品研究の妨げになっていることは疑いの余地がない。さらに、ヒトの疾患の動物モデルでさえ、しばしば不十分であり、ヒトでの臨床研究の代用としては不十分である。ヒトの病気はヒトを対象とした研究が最も優れているということに変わりはない(Horrobin、 2003)。

還元主義的思考のもう一つの欠陥は、複雑なネットワークの相互作用を単純な因果関係の連鎖や機械論的モデルの観点から分析することである。これでは、どのような臨床状態も多くの生化学的経路やネットワークの最終的な結果であるという事実を見落としてしまい、病気は複雑な恒常性システムの変化から生じるという事実を理解することができない。還元論者は、単一の要因に過度の説明責任を与える因果関係の説明を好む。対照的に、多くの生物学者は構造や細胞プロセスの機能的説明を支持し、進化の歴史の中でこれらの特徴が選択的に有利であることを強調している。機能的説明は、単一の要因に不当な重要性を与える因果関係の説明よりも、多くの相互作用を持つ複雑な生物学的システムを理解するのに有用である(Van Regenmortel、 2002)。Lewontin(2000)はまた、遺伝子と生物とその環境の間には、3つの要素が原因と効果の両方として作用する相互関係があることを強調している。

還元主義的思考の影響を強く受けている生物医学研究のもう一つの分野は、いわゆるワクチンの合理的設計であり、これは構造に基づいた薬剤設計の原則がワクチンにも適用可能であるという前提に基づいている。しかし、これは、薬物とその受容体や標的分子との関係がかなり特異的であるのに対し、抗原と抗体との関係はそれほど限定されていないという事実を無視している。免疫グロブリン分子の結合部位は、約50個の超可変残基で構成されており、これらの残基が相補性決定領域(CDR)を構成している。これらの残基のうち約10〜15個は通常、個々のエピトープとの相互作用に関与しているが、50個の超可変残基すべてを完全に補完しても、どのエピトープに対しても実際の結合部位を構成することはない。これは、約35個のCDR残基が、最初のエピトープとほとんど類似していない、または全く類似していない他のエピトープに結合する可能性があることを意味し、これは、免疫グロブリンの広範な多特異性、および各分子内の多くの異なるパラトープまたは結合部位の発生を説明するものである。免疫グロブリン分子が様々な抗原性構造に結合する能力は、結合部位が様々なコンフォメーションを採用することを可能にするCDRのかなりの柔軟性によってさらに強化される(Jamess et al 2003)。結合反応は、構造選択と誘導フィットの組み合わせ(Bosshard、 2001; Goh et al、 2004)を伴い、2つの相互作用パートナーの相互適応を伴う(Westhof et al、 1984; Tainer et al、 1985)。

近年、ワクチン研究では、経験的発見とは対照的に、合理的デザインがパンデミックしている(Van Regenmortel、 2000)。「合理的」という用語は、研究が分子データや構造的な知識を幅広く利用することを意味するが、「デザイン」という用語は、開発された製品の生物学的活性が予測可能であることを意味する。したがって、合理的デザインは、経験的な「試行錯誤」による分子のスクリーニングや選択よりも、より科学的なアプローチとして提示されている。分子設計戦略が新しいワクチンの開発に成功すると考えるのは、感染症からの保護のような生物学的現象を化学のレベルに還元できると仮定しているため、還元主義的な考え方に典型的である。しかし、ワクチン開発に対する還元主義的なアプローチが成功する可能性が低い理由はたくさんある。

生物学を化学に還元することが不可能であることが、構造に基づいたワクチンの開発が成功しない原因となっている。

第一に、感染症の抗原性決定因子(エピトープ)は、その特異的な抗体パートナーによって定義され、免疫系の文脈の中にのみ存在する創発的な存在である。エピトープおよびパラトープは、それぞれ抗原および免疫グロブリン分子の固有の特徴ではなく、結合反応とは無関係に同定することはできない。さらに、抗原および免疫グロブリン結合部位は、複数の個々のエピトープおよびパラトープからなるファジーな認識部位である(Van Regenmortel,1999)。抗原性反応性を改善するための分子設計戦略は、単一のエピトープとモノクローナル抗体などの相互作用分子のペアには適用できるが、特定の病原体に対する防御免疫応答に関与する多数のエピトープには適用できない。

第二に、単に病原体に結合するだけの抗体を引き出すことは、ワクチン開発においてほとんど価値がない。必要とされるのは、機能的な活性を持つ抗体、すなわち、生体内で感染源を中和する能力を持つ抗体である。タンパク質の機能を予測する能力は限られており、抗体の中和活性を化学構造から予測する能力はほとんどない(Van Regenmortel、 2000、 2002)。ワクチン接種や防御免疫は、生物全体のレベルでのみ意味を持つ。分子、組織、臓器はワクチンを接種することができない。したがって、ワクチン接種は生物学的領域にしっかりと固定されており、化学のレベルに還元することはできない。

第三に、前例のない世界的な研究努力にもかかわらず、ヒト免疫不全ウイルス(HIV)に対するワクチンは存在しない(Burton & Moore、 1998)。HIVワクチン開発に対する還元主義的なアプローチが提唱され続けているが(Burton et al、 2004)、これが有効であるという証拠はない。このアプローチでは、HIVのエピトープの構造を解明することを目的として、X線結晶構造解析を用いてHIV抗原に対するモノクローナル抗体の原子構造を決定する。これは、中和抗体が認識するエピトープの構造を知ることで、効果的なHIVワクチンの設計に役立つと考えたからである。広範囲に反応性のあるHIV中和抗体のX線結晶構造解析は、確かに抗体結合ポケット内のエピトープの構造を決定するかもしれないが、同じ特異性を持つ抗体を誘導するために免疫を使用する方法を教えてくれるものではない(Van Regenmortel、 2002; Burton et al 2004)。複合体に存在するエピトープとパラトープの構造は、コンフォメーション選択、誘導適合、体細胞突然変異のダイナミックなプロセスの最後の最終的なコンフォメーションを表している。免疫原中のどのエピトープのコンフォメーションが最終的に中和抗体の出現に関与したかを推測することは不可能である。

実際、免疫原性は、免疫される宿主の生物学的潜在能力に依存し、言い換えれば、免疫グロブリン遺伝子のレパートリー、自己耐性、サイトカインの産生、および様々な細胞および調節機構などの外部要因に依存する。残念ながら、中和抗体を産生するように免疫系のこれらの側面を制御する方法は知られていない(Van Regenmortel、 2001、 2002)。さらに困難なことは、抗体が集団的に作用すること、および様々な抗体間の中和シナジーは、個々の分子の単純な相加効果に還元できないことである(Zeder-Lutz et al 2001)。ある抗体の結合が抗原の構造変化をもたらし、それが他の抗体へのアクセス性を高めるために、相乗効果が生じることもある。

ワクチン接種目的でウイルスタンパク質のペプチド断片を使用するという還元主義的アプローチもまた、ほとんど成功を収めていない(Van Regenmortel,2001)。使用されるペプチドは、ウイルスタンパク質の連続エピトープとして知られている短い配列(Van Regenmortel、 1999)、またはいわゆるミモトープであり、これは、ウイルスタンパク質のいずれとも配列類似性をほとんどまたは全く示さないが、ウイルスの不連続エピトープを模倣すると考えられているペプチドである(Meloen et al、 2000)。不連続エピトープは、ウイルスタンパク質の離れた領域からのアミノ酸残基で構成されており、ペプチド鎖の折り畳みによって結合している。抗体は多くのパラトープサブサイトを有しており、それぞれが関連するエピトープまたは関連しないエピトープに結合することができるが、ミモトープは抗体を誘導した不連続エピトープと相互作用する異なるサブサイトに結合する可能性がある。実際、ミモトープペプチドによって達成される擬態の範囲は、ウイルスを認識し、中和する抗体を誘発することができないほど限られているかもしれない(Van Regenmortel、 1999)。不連続なエピトープを合成またはファージ表示ペプチドの選択によって再構成する試みがなされてきた。しかし、そのような再構成エピトープはウイルス抗体と結合する可能性があるが、保護抗体を誘発することはほとんどない(Enshell-Seijffers et al、 2003; Oomen et al、 2003; Villen et al、 2004)。

すべてのものはつながっているという極端なホーリズムは、確かに方法論的な代替案を提供していない。

もう一度言うが、抗原性、すなわち抗原性反応性と免疫原性を区別できないのは、効果的なペプチドベースの合成 ワクチンを設計するのは比較的簡単であるはずだという不合理な期待を抱かせる原因となっている。生物学を化学に還元することが不可能であることが、構造に基づいたワクチンの開発が成功しなかった原因である。さらに、ワクチン開発は、過去に成功したのと同じ経験的アプローチに依存し続けると考えてもよいであろう(Van Regenmortel、 2001、 2002)。

このような失敗を踏まえて、生物系の研究に用いられる還元主義的アプローチ(Lewontin、 2000)を批判することが一般的になってきているが、その代わりに何をすべきかを判断することはより困難である。すべてがつながっているという極端なホリスムは、方法論的な代替案を提供していないのは確かである。そこで必要とされるのは、相互作用や制御ネットワークの多様性がもたらす生物系特有の複雑さを調べるための新しい実験技術である。最近のハイスループットマイクロアレイ、ナノテクノロジー、バイオインフォマティクス、システムバイオロジーの発展により、分子生物学者が複雑な生物学的ネットワークやシステムの挙動をシミュレーションするために必要なデータが得られるようになってきている(Kitano、 2002; Alm & Arkin、 2003; Aderem & Smith、 2004; Blake、 2004)。これらのシミュレーションによってシステムの反応を予測することが可能になれば、たとえ無数の因果相互作用が関与していることを特定できなくても、ある程度の理解が得られることになる(Berger、 1998)。

データ探索のための標準化された語彙を提供する遺伝子オントロジー(Blake、 2004)や、生物系を視覚的に表現するCytoscape(Aderem & Smith、 2004)などのソフトウェアプログラムにより、膨大な量のデータを扱い、複雑なシステムの現実的なモデルを構築することが可能になっている。現在の重要な限界は、タンパク質-タンパク質およびタンパク質-DNA相互作用の根底にある運動パラメータに関する定量的な情報が少ないことである(Alm & Arkin、 2003)。しかし、分子生物学者が生物学的複雑性を解明し、還元主義の限界を克服するために必要なツールを自由に使えるようになったことは否定できない。広範囲の衰弱性疾患に対する薬剤やワクチンの開発に失敗していることを考えると、還元主義的な視点とツールセットからの脱却は、生物学的および生物医学的研究の双方にとって高い優先度を持つものである。

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