The vaccinologist’s “dirty little secret”: a better understanding of structure-function relationships of viral immunogens might advance rational HIV vaccine design
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7892722/
2021年2月19日オンライン公開
Gregor P. Greslehnercorresponding author1,2
narcsite.com/2017/06/29/dirty-little-secret-3/
要旨
本稿では、ウイルス免疫原の構造と機能に関するさまざまな概念、および構造と機能の関係の違いを概念的に分析する。次に、望ましい免疫応答が誘導されるメカニズムに焦点を当て、なぜ分子抗原の3次元構造とその合理的な設計に基づく戦略では、望ましい免疫原性を誘導する能力に限界があるのかを説明する。
私は、アジュバントの作用機序を見てみたいと思う（そのため、ジェインウェイの「免疫学者の汚い小さな秘密」という言葉が使われている）。アジュバントを含む戦略やその他の（より成功した）予防接種戦略は、関係する構造（「誰がそこにいるか」）だけではなく、活動や機能（「何が起こっているか」）を考慮し、「鍵と鍵」のように結合することに依存している。機能パターンだけでなく、その他の組織的・時間的パターンも、望ましい免疫反応や免疫原性を誘発するためには極めて重要であると主張する。
この哲学的な分析によって強調したいのは、構造と機能の関係の重要性を指摘することである。抗原性、免疫原性、免疫性などの異なる機能的側面は、別々に考える必要があり、ワクチンの3次元構造に還元することはできない。構造と機能の異なる概念とその関係を考慮することで、免疫系の理解が進み、合理的なHIVワクチンの設計が可能になるかもしれない。
はじめに
免疫学の重要人物であるチャールズ・A・ジェインウェイ・ジュニアは、1989年に発表した重要な論文の中で、「免疫学者の汚い小さな秘密」[1]という言葉を作り、「ランドシュタイナーの誤謬」と呼んだ。彼は、免疫原性のためには、抗原の存在に加えて、宿主細胞からのシグナルが必要であると確信していた。病原体の存在や活動を伴わない環境で、これらの追加的なシグナルを提供する一つの方法は、いわゆる「アジュバント」を加えることであった。アジュバントとしてアルミニウム塩などを添加することが一般的になったが、その作用機序は必ずしも正確にはわかっていなかった。あれから数十年の間に、特にToll様受容体[3]やその他のパターン認識受容体の発見以降、免疫学において多くの詳細がはるかによく理解されるようになったが[2]、免疫系の理解において「漸近線に近づく」[1]にはまだほど遠く、多くの未解決の問題が残っている。
この論文では、構造と機能の関係をより深く理解することで、合理的な設計によるHIV-1ワクチン開発の難しさの背景にあるいくつかの概念的な問題を明らかにできるのではないかと考えている。私の主張によれば、限られた視点の原因となっている基本的な考え方の1つは、前の冒頭の段落で取り上げたいくつかの問題を無視していることであり、これを私は「ワクチン学者の汚い小さな秘密」と呼ぶことにする。私は、合理的な予防接種の設計において、抗原の3次元的な分子形状にほぼ独占的に焦点を当ててきたために、先にジェインウェイが表明したような困難が生じやすくなっていると主張する。そして、ワクチン開発やHIV/AIDS治療のための免疫学的ターゲットとして、構造と機能のそれぞれの概念の範囲と限界を理解するために、構造と機能の関係の枠組みを提案する。
ワクチン接種は、天然痘の場合のように、しばしば大きな成功例となる。一方で、風邪や季節性インフルエンザなどに対するワクチン接種の取り組みは、時間との戦いであり、絶え間ない努力が必要である。現在進行中のCOVID-19の危機においては、大規模な予防接種活動により短期間で有望な結果が得られている。この記事を書いている時点では、ワクチンの普及はまだ少なくとも数カ月先のことであるが、ワクチン開発の進展の速さには目を見張るものがある。しかし、他の分野では、数十年にわたる大規模な努力にもかかわらず、ワクチン接種の試みは成功していない。HIV-1は、いまだにワクチン開発に成功していないウイルスとそれに伴う病気の代表的な例である。その理由はいくつかあるが、本特集ではそれらを紹介する（参考文献[4,5]も参照）。本論文では、生物学全般の中心的な謎であり、特にHIV-1に対するいわゆる「合理的なワクチン設計」にとって大きな課題となっている、ある特定の側面に焦点を当てたいと思う：構造と機能の関係である。
「構造」と「機能」という2つの用語には複数の意味があるが、これらの概念の間に意味のある関係を築くためには、まずこれらを区別する必要がある。この用語とそれぞれの意味を概念的に分析した後、これらの用語の間に存在すると主張できる、あるいは主張できない関係の種類について説明する。合理的なワクチン設計に限らず、一般的な概念や理論上の問題は数多くあるが、この分野では、構造と機能の関係についての誤解が、ワクチンを合理的に設計しようとする際のいくつかの大きな障害の根底にある可能性がある。これらの理由がこの論文の主な焦点となる。
「構造」と「機能」は多義的な用語である
ほとんどの生物学の教科書には、「構造が機能を決める」というスローガンが書かれている。しかし、その正確な意味と範囲は明確ではない。構造と機能の関係を取り上げる前に、この用語自体を詳しく見てみよう。タンパク質やその他の分子、特に免疫系の構成要素を考える上で、「構造」とは通常、分子の3次元的な形状（str3D）を指す。このstr3Dは、もう一つの構造であるアミノ酸の配列によって決まると言われている（strseq）。アミノ酸の配列は、対応するヌクレオチドの配列（strseq）に依存している。まずDNAがあり、それがRNAに転写され、さらにタンパク質に翻訳される。単純な還元主義的な見方をすれば、本来は「情報」という言葉で表現されるものであるが、これはいわゆる「分子生物学のセントラルドグマ」に属する[6]。
DNA→RNA→たんぱく質
次の段階では、タンパク質の構造がその機能を決定するという考えが広まっている。したがって、還元主義的な理想によれば、遺伝暗号を知ることで、ゲノムにコード化されているタンパク質の構造と機能のすべてを予測することができる。しかし、残念ながら、strseq→str3D→functionという決定関係の線形連鎖は成り立たない。ヌクレオチドがどのように翻訳・転写されてタンパク質になるのかという複雑さに加えて、タンパク質の折り畳み問題はいまだに大きな課題となっているし、本質的に構造化されていないタンパク質[7]や多機能な「ムーンライティング」タンパク質[8]は、この線形連鎖的な決定をさらに困難にしている。
このような大きな期待は様々な理由で裏切られていたが、残された一つの根本的な問題は、「機能」という言葉の実際の意味と、ゲノムのどの程度を機能的と考えるべきか、あるいは「ジャンク」と考えるべきかということだ[9, 10]。この文脈では、機能の異なる概念を区別することが非常に役に立つ。哲学者たちは何十年もの間、「機能」という言葉の異なる概念や意味について議論していた[11, 12]。代替的な説明の2つの大きなクラスは、Robert Cumminsの「因果的役割」の説明[13]とLarry Wrightの「選択された効果」の機能の概念[14]にまで遡る。これらの陣営間の論争は今日まで続いているが、私ができる限り簡潔に言うと、因果的役割の説明は、何かがそれを行うことができる理由を説明することを目的としているのに対し、選択的効果の説明は、生物の形質、能力、または特徴がそれを行うことができる理由を明らかにすることを目的としている。私は、この2つは全く異なる説明目標であり、機能について異なる概念を持つことが正当化されると考えている。しかし、この2つの概念が混同されると、重大な誤解を生むことになる。このような誤解を避けるためには、哲学的なツールを用いた概念的な分析が有効である。
Arno G. Wouters[15]は、4つの異なる概念の非常に便利な区別を提案している。一方では，生化学的活動としての機能（fctact）があり，他方では，より高い組織レベルでの複雑な能力への機能的貢献としての生物学的役割（fctrole）がある。これらは，単一の実体や活動に結びつくものではなく，実体や活動の機構ネットワーク全体に結びつき，それらが一体となって問題となっている生物学的役割の機能的側面を生み出している。つまり、fctroleはstr3Dやfctactのレベルでは説明できず、別の種類の組織的ネットワーク構造（strorg）を参照しなければ説明できない。これら、2つの機能の因果的役割の概念に加えて、機能(fctevol)の進化的考察には、生物学的優位性と選択された効果という2つの区別がある。この論文では進化的な考察には関心がないので、これらの側面の両方を「fctevol」と呼ぶことにする。特に、構造と機能の関係については、進化論的な質問は、他の概念の構造と機能の生理学的な側面を超えたものになる。むしろ、なぜそれらのうちのいくつかが自然淘汰によって異なる持続性を示すのかということが問題になる。しかし、生理学的なスケールでは、より高いレベルのストローグが容易に想像できる。細胞内・細胞間のシグナル伝達ネットワークや生理学的メカニズムから、コミュニティ構造を持つネットワークで病気の制御に大きな役割を果たしている集団の社会的ネットワークまで、そのダイナミクスは多岐にわたる。
構造と機能の概念の違いによる関係性
このように、構造と機能のさまざまな概念を区別した上で、それらの関係について述べてみよう。先にも少し触れたが、配列→構造→機能という直線的な決定の連鎖という還元主義的な理想は通用しない。タンパク質の折り畳み予測がかなり成功しているのは、折り畳み空間が、多くの折り畳みモチーフが繰り返される、かなりモジュール化されたものになっているように見えるからである[16]。通常，配列の類似性が高いことは，類似したストライブがあることを示している．あるタンパク質の生化学的な活性をうまく予測するには、通常、非常に類似したstr3Dを持つタンパク質の活性に関する知識に依存する。完全な代理ではないにしても、保存されたタンパク質ドメインが異なるタンパク質の中で類似した生化学的特性、つまり活性を持つかどうかは、通常、良い指標となる。しかし、その生物学的役割は、str3Dと類似のstr3Dとの比較だけでは予測できない。例えば、何百種類もあるキナーゼを考えてみよう。すべてのキナーゼは、リン酸化を触媒するという同じ基本的な生化学的活性を共有しているが、その生物学的役割は、それらが属する相互作用ネットワークstrorgとそのダイナミクスによって、まったく異なるものになる[17]。
抗原性と免疫原性の間にも同様の区別があるが，この区別が混乱していることが，構造に基づくHIV-1ワクチン開発の概念上の問題につながっている[4, 18]。ワクチンを開発したり、一般的な生物学的システムを理解して介入しようとする試みは、本質的にstr3Dからの予測のみに基づいて行われる。さまざまな構造と機能の関係が詳細に説明されれば、多くの問題や誤解が明らかになるだろう。分子の免疫反応を引き起こす能力や長期的な免疫を提供する能力を、str3Dと結合能力（fctact）だけで予測したいという希望は、構造に基づく逆ワクチノロジーの試みにおいて中心的な前提となっているが、無駄なことである。
表11は、さまざまな概念とその関係の概要を示している。これらの概念はすべて例外だらけで、「下位の」概念から決定されるという単純な還元主義の理想に反して、自明でない問題を抱えている。これらのレベルや概念を、より基本的なものとして互いに対立させることは、実りのない事業である。同じように、構造と機能の異なる側面や概念のすべてが、異なる現象を説明するために重要であり、分子やシステムの視点を持つことが重要なのである[19]。これは生物学の一般的な教訓であり、個人や集団における適切な免疫反応や長期的な免疫力を引き出すことを目的とした介入には特に重要なことである。
表1 意味のある関係を築くことができる、構造と機能に関するさまざまな概念。Δstr/fct」は、構造または機能の進化的変化を意味する。
| 構造または機能の概念 | に関し | 関係の種類 |
|---|---|---|
| str seq | str 3D | 遺伝暗号、タンパク質フォールディング |
| str 3D | fct行為 | 相関、タンパク質ドメインのモジュラービルド |
| str org | fctの役割 | ネットワークダイナミクス、システム生物学 |
| ∆str / fct | fct evol | 自然淘汰、適応度の利点 |
抗原性≠免疫原性≠免疫性
なぜ、このような構造と機能の複雑な関係が、予防接種の設計に重要なのであろうか？このような「ボトムアップ」の還元主義的な構造ベースのワクチンを開発しようとする試み [20, 21]における大きな障害の1つは、str3Dがfctactとfctroleに単純に結び付けられるという、単純で根拠のない仮定にある。生化学的活性（fctact）と、エピトープ結合や免疫原性などの生物学的役割（fctrole）の違いを認識していないと、誤解や免疫学的理論の軽視につながる[22]。Marc H. V. Van Regenmortelはこう言っている。
還元主義的な考え方により、免疫学者は、Abs（抗体）の生物学的活性はその立体構造で説明でき、ウイルスエピトープの免疫原性はその抗原性から推測できると認めてた。生物学的な免疫原性は、化学的な抗原性に還元される。これは、生物学は化学に還元できるという主張の変形である。このような主張は、ワクチン接種によって達成される防御は、生物学的現象であり、臓器、組織、分子はワクチン接種できないため、生物全体の文脈でのみ意味を持つことを認識していない。防御は常に、病原体、宿主、免疫系の間のダイナミックな相互作用の複雑なネットワークから生じるものであり、無数の個々の分子の相互作用を個別に分析しても満足に理解することはできない。[23]
構造、機能、およびそれらの構造と機能の関係についての異なる概念を区別することが提案されているため、根本的な誤りが機能の異なるカテゴリーの混同であることは容易に理解できる。また、構造のレベルについても同様で、分子にはワクチンが打てないことも正しく指摘されている。ワクチン接種の対象であり、免疫原性が起こりうるレベルは、strseqでもstr3Dでもなく、strorgなのである[20, 24]。
問題は、根本的なプロセスではなく、モノに焦点を当てることで、さらに深いところにあるかもしれない。抗原性、免疫原性、防御免疫をもたらすのは、活動と機能だけである。これらを抗原性に還元することはできないし、ましてや特定の種類の構造の固有の特性であったり、それだけで説明したりすることはできない。このような理由から、免疫学におけるこれらの問題を考えるには、おそらくプロセスオントロジーの視点 [25] の方が適しているであろう。同様のケースとして、ウイルスをモノではなくプロセスとして考えることが挙げられる[26]。しかし、今回の問題では、構造と機能の関係と、私たちが関心を持っている抗原性、免疫原性、および免疫の機能（プロセス）は、いかなる構造にも還元できないという一般的な教訓にこだわる。構造は機能よりも基本的なものと考えるべきではない。また、これらの異なる機能をお互いに混同してはならない。
さらに、免疫原性の概念自体も、概念的に再考する価値があるものである[27]。免疫学的な区別を自己と非自己の概念に基づいて行うのではなく、実体とその活動の時空間的なパターン（その不連続性が免疫反応の引き金となる） [28, 29]の方が、我々が「異物」や「危険」と分類するような分子3Dの単なる存在よりも、免疫原性のより良い基準となるかもしれない。そして最後に、免疫原性、すなわち免疫反応をうまく誘導することは、ワクチンが最終的に目指す防御免疫とはやはり同じではない。これらの問題は、個々の免疫系と集団、つまり組織の異なるレベルのストローグとその機能の両方の複雑な状況の中で対処する必要がある。
fctactとfctrolesの区別により、なぜstr3Dが抗原性などのfctactに（不完全ながら相関関係で）リンクできるのかがよくわかる-自明でない問題もあるが。しかし、ワクチンを開発する際に最終的に関心のある、免疫原性や防御免疫などのfctroleは、fctactやstr3Dだけでは意味のあるリンクにはならない。むしろ、免疫系の働きを複雑な相互作用ネットワークのレベルで理解するためには、ストローグを考慮する必要があるであろう。システム免疫学やシステムワクチン学がまだ初期段階にある現在、そのようなアプローチに踏み切るには、知識や理解の範囲がまだ不十分である。複雑な免疫系の相互作用について必要とされる完全な知識が、これらのネットワークとその構成要素や活動のストローグに基づいてワクチンを設計することはおろか、理解するのに十分な品質になるかどうかは疑わしいところである。
すべてをストローグのみに基づいて考えることとは異なる還元主義であるが、近い将来、HIVワクチンの開発にこのような試みが成功することを楽観視する理由はあまりない。その方向に向かって大きな一歩を踏み出す可能性がないわけではないが、それは「偶然」、つまり、これらの免疫系の原始的な構造的・機能的構成要素を知った上でのことではなく、試行錯誤による経験的なことであろう。このような区別や異なる関係性を認識することは、このような誤解を避け、本質的に失敗する可能性の高い研究の道に踏み出すための有用な概念的ツールとなる。このように、過去にうまくいかなかったことや、構造と機能の関係という根本的な概念上の問題を考えると、どのような代替手段が有効なのであろうか。また、構造と機能の関係をよりよく理解することは、これらの試みにどのように役立つのであろうか？
経験的なアプローチはより成功するか？
HIV-1の構造と機能は、ワクチン設計のターゲットとしては、回避的な性質を持っているため、特にstr3Dに重点を置いて「ボトムアップ」で合理的に設計された場合、他の代替案の方がワクチン開発への近道となるかもしれないし、治療や治癒を想定した場合、より成功が期待できるかもしれない。一方で、HIV/AIDSのパンデミックを食い止める最も効率的な方法は、やはりワクチンであろう。HIV感染症の予防や治療のための他のアプローチが魅力的で心強い結果を示している一方で、ワクチンを見つけることは依然として中心的な課題となっている。成功させるためには、3Dに基づいた「合理的」な設計ではなく、経験に基づいたアプローチがより効果的であるかもしれない。構造と機能の関係に関する還元主義的で単純な仮定は、誤解を招く恐れがあり、過去に失敗した多くのアプローチの根源となっている[20, 30]。分子生物学、特に構造生物学が成功しているにもかかわらず、理論的な限界がいくつもあり、「すべての生物学を物理学と化学で説明する」という還元主義的な理想を実現することはできない[31]。
免疫学者やワクチン学者にとっての「汚い小さな秘密」に話を戻すと、水酸化アルミニウム（略してミョウバン）などのアジュバント[32, 33]や、抗原の立体化に加えてその機能を考慮しなければならない。また、さまざまなレベルの組織における複雑な相互作用ネットワークのストローグも考慮しなければならない。繰り返しになるが、fctactとfctroleのプロセスが結果に責任を負うのであって、関係する構造だけが責任を負うわけではない。
興味深い観察1は、アジュバントなしで機能するナノファイバーワクチンが最近開発されたことである[34]。根本的なメカニズムはまだ完全には解明されていないが、抗原の送達方法が免疫の誘導に重要な役割を果たしていると考えられている。同じことが、一部の季節性インフルエンザワクチンなど、他のアジュバントフリーのワクチンにも当てはまると思われる。繰り返しになるが、これは、免疫系に認識され、免疫反応を引き起こすためには、構造だけでなく機能も重要な要素であるという概念的な枠組みで解釈することができる[35]。
ワクチンアジュバントの作用メカニズム [36, 37]、つまり、アジュバントが何のために必要なのか、あるいは必要でないのか、また、構造と機能の関係についての理解が深まれば、予防接種のデザインは、経験的なアプローチと合理的なアプローチを組み合わせることができるようになる。アジュバント以外にも、免疫原性に重要な（未知の）要因が数多くあるかもしれない。アジュバントの事実と役割を認めてしまえば、アジュバントは「もはや汚い小さな秘密ではなく、未来のワクチンに欠かせないキープレイヤー」となる[38]。免疫学の理論を無視したり[22]、抗体の特異性という時代遅れの概念を用いたり[23]するのではなく、今後のワクチン接種の試みは、単なるstr3Dではなく、構造と機能の概念に焦点を当てるべきである。ワクチン接種に対するシステム生物学的アプローチは、この方向性における有望な第一歩である[39-41]。
このように、アジュバントとその機能のメカニズムの話を総合すると、免疫系にとっては、「誰がそこにいるか」よりも「何が起こっているか」の方が重要である可能性があること、つまり、免疫反応が引き起こされるかどうか、ワクチンが免疫を確立するのに成功するかどうかは、構造ではなく機能が重要な違いを生む可能性があることが明らかになった。言い換えれば、「モノ」ではなく「プロセス」である[25]。このような代替アプローチのすべてにおいて、また、関連するプロセスを切り離すためには、構造と機能の関係についての理解を深めることが役立つはずである。少なくとも、構造と機能について単純で還元主義的な見方をする、ある種の概念的な誤解に陥らないためには、そのような理解が必要である。
結論と展望
結合特異性は、科学哲学者が長い間無視してきた中心的なトピックであるが、現在、特にドラッグデザインやHIV治療に関して、ようやく注目を集めている[42]。これまでの免疫学やワクチンデザインでは、因果関係のある特異性の概念とともに、str3Dや立体的な相補性が重視されすぎてた。構造に基づくワクチン設計は、構造と機能の関係の複雑さ[44]や重要性を無視した、根本的な概念上の限界に直面している。現代の生命科学におけるこれらの課題やその他の中心的な課題に取り組む際には、「進化はあなたよりも賢い」というオルゲルの第2法則を思い出すことが有用である。ワクチンを合理的に設計したり、リバースエンジニアリングしたりするだけでなく、自然界の複雑な構造や機能を利用して、それらの関係や動作モードを研究することもおろそかにしてはならない。
このように、構造と機能の関係をよりよく理解することで、合理的なHIVワクチンの設計が可能になり、他の予防法や治療法の道が開けるかもしれないし、生物学や医学の他の分野で障害となっている理論的な誤解を避けることもできるであろう。必要とされる概念的な分析を提供することは，哲学がこのような科学的問題に貢献できる方法であり[45]，特に「パラダイム」の変更が求められている場合には，そのような方法が必要とされる[46, 47]．ワクチン学、そして一般的な免疫学にはまだ多くの「秘密」が残っているが、それらを概念的に扱うことで、新しい実験や経験的なアプローチで取り組むことができる。