背景

エンテロウイルスは、ポリオ、手足口病、髄膜炎など、さまざまな疾患を引き起こすエンベロープを持たないRNAウイルスです。その約30ナノメートルの正二十面体キャプシドは、プラス鎖一本鎖RNAを保護しており、感染を開始するためには、このゲノムがキャプシドから放出され、細胞質に到達する必要があります。しかし、剛性の高いタンパク質殻が実際の細胞内でどの程度開口し、RNAがどのようにして放出されるのかは、これまで明確ではありませんでした。

以前の構造研究では、主に精製されたウイルスに酸性条件または熱を適用して、アンコーティングを誘導していました。これらの試験管内実験では、エコーウイルス18（E18）のキャプシドを構成する1〜3個のペンタマーが解離することが観察されました。しかし、同じ現象が感染細胞でも起こるのかは不明でした。また、正二十面体対称性を用いた平均構造解析には、各粒子に1か所でのみ発生する非対称的な開口を見逃す可能性があるという限界があります。

主な発見

研究者らは、クライオ電子断層撮影（cryo-ET）と単粒子クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）を用いて、E18に感染したアフリカミドリザルの腎臓由来のCOS-7細胞を観察しました。細胞内のRNAを含むウイルス粒子を4.3オングストロームの分解能で再構成し、完全な粒子、ゲノムが放出された空のキャプシド、および部分的に開口したキャプシドをすべて同定しました。

E18は、細胞表面の新生児Fc受容体（FcRn）に結合しました。このとき、キャプシドタンパク質VP1の内部にある疎水性ポケットを安定化する「ポケット因子」が部分的にシフトし、粒子がRNA放出に適した状態に変化しました。その後、隣接するキャプシドペンタマー1〜3が解離し、大きな開口部が形成され、RNAがこの隙間を通って放出されました。ゲノムを失った不完全なキャプシドが感染細胞内で直接見つかったという事実は、キャプシドの開口が、単純な試験管内での分解ではなく、生理的なアンコーティング経路であるという考えを支持しています。

一方、キャプシドが拡大したが、RNAが残っている「活性化中間体」は細胞内では検出されませんでした。これは、FcRn結合後のポケット因子の解離とキャプシドの開口のプロセスが、構造解析で捉えられるほど長くは続かないことを示唆しています。研究者らは、E18のゲノム放出は非常に迅速に進み、実際の現象は、以前に提案された、完全なキャプシドに小さなチャネルが形成され、RNAが1本ずつ移動するというモデルよりも、ペンタマーの大規模な構造崩壊によってより良く説明できると解釈しました。

意義と展望

本研究は、精製された粒子で提案された「ペンタマー解離モデル」を感染細胞内で検証した点で重要です。受容体結合、ポケット因子の放出、キャプシドの開口、RNA放出を単一の連続したプロセスとして関連付けることで、エンテロウイルス感染の初期段階の構造的概要も明らかにされました。特に、ポケット因子結合部位またはペンタマー間の界面を安定化することでゲノム放出を阻害できるという事実は、抗ウイルス薬の標的の範囲を広げます。

ただし、本研究は、培養されたCOS-7細胞におけるE18に限定されています。他のエンテロウイルスが同じ大きさの開口部を形成するか、アンコーティングがヒトの腸、呼吸器、および神経組織で同じ順序で進行するかはまだ不明です。活性化中間体が検出されなかったという事実は、それらが存在しないという証拠というよりも、寿命が短いことのより間接的な指標です。時間分解能を持つ構造解析と、ヒト由来のオルガノイドを用いた研究により、各ステップを薬剤で阻害できる時間的範囲を決定する必要があります。