ウイルスからみた生命科学野本明男東大駒場授業 : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の再使用同著作物の二次的著作物の創作等については著作権者より直接使用許諾を得る必要があります

(1)

ウイルスからみた生命科学

野本明男

2005－12－4

東大駒場授業

「‡：このマークが付してある著作物は、第三者が有する著作物ですので、同

著作物の再使用、同著作物の二次的著作物の創作等については、著作権

者より直接使用許諾を得る必要があります。」

(2)

微生物

単独増殖

ゲノム

プリオン

非生物

×

ウイルス

非生物

×

○ リケッチア

原核生物

×

○ クラミジア

原核生物

×

○ 細菌

原核生物

○

○ 真菌

真核生物

○

○ 寄生虫

真核生物

○

(3)

ウイルスが非生物であり、単独増殖

出来ない理由

• 栄養を取り込む機能が欠けている。

• エネルギー（ATP）産生機能が欠けている。

• タンパク質生合成が出来ない。

(4)

真核細胞

hnRNA

DNA

↓

スプライシング

↓

キャップ付加

↓

ポリA付加

核外輸送

核

5’ Cap

mRNA

ポリA 3’

↓

Cap依存性

IRES依存性

原核細胞

DNA

RNA

5’

翻訳

真核細胞

原核細胞

RNAポリメラーゼ

_３

_１

mRNA

モノシストロニックポリシストロニック

(5)

ウイルス核酸

キャプシド蛋白からなるキャプソメア

A

B

C

エンベロープ蛋白

脂質２重膜

エンベロープ

キャプソメア

ウイルス核酸

ヌクレオキャプシド

エンベロープ蛋白

脂質２重膜

エンベロープ

キャプシド蛋白

ウイルス核酸

ヌクレオキャプシド

(6)

(7)

(8)

ウイルスとは（1）

化学物質の集合体（非生物）

（例）ポリオウイルスの構造

C

₃₃₁₁₀₇

H

₄₈₉₂₈₅

O

₁₃₀₇₂₅

N

₉₇₉₁₄

P

₇₄₄₁

S

₂₃₄₀

(9)

ポリオウイルス

吸着

脱殻

蛋白合成

複製複合体

VP0 VP4+VP2

エンカプシ

デーション

複製用蛋白質

（VPg,ポリメラーゼなど）

カプシド蛋白質

蛋白質の

プロセシング

pU

細胞膜

VPg

ポリA

ポリU

+鎖RNA

-鎖RNA

成熟ウイルス

(10)

ウイルスとは（2）

宿主との相互作用によって、

ライフサイクルを持つ（生物？）

Chemicals with life cycle

(11)

ウイルスを材料とした研究

複製機構

情報発現

形態形成

進化機構

遺伝子本体の構造

遺伝子工学

ウイルスを対象とした研究は、細胞のみを扱う研究に

比べ、生命科学を先取りすることができる

(12)

ウイルス複製研究から生まれた

生物学上重要な発見

逆転写酵素、トランスフォーミング遺伝子

（レトロウイルス）

キャップ構造（CPV）

RNAスプライシング（アデノウイルス）

IRES （ポリオウイルス）

(13)

ウイルス学とは

• ウイルスと生体の両方を学び、その相互作用

を研究する学問。

• 巾広い範囲を持つ（先端生命科学、疫学、臨

床、国際医療協力など）。

• 研究の感覚を会得するまで比較的時間の掛

かるAdvancedな学問。

(14)

ウイルス病原性研究へ

複製及び体内伝播の各過程における宿主分子群の同定

ウイルス特異的遺伝子産物による：

細胞変性効果

アポトーシスの阻害

Æ 不死化

宿主防衛システムからの回避

ウイルスと宿主の間に形成される

自然生態系の研究（感染現象の解析）

(15)

(16)

疾患発症

個体への侵入

複製

（最初の標的組織）

複製

（最終の標的組織）

疾患発症

体内伝播

疾患発症

(17)

口

呼吸器

消化管

泌尿生殖器

蚊などの昆虫

毛細血管

皮膚

結膜

傷

肛門

竹田美文・野本明男（編）、1997、『感染：ウイルス・細菌感染論の最前線』メジカルレビュー社、３ページ

‡

(18)

毛細血管

核

Basal surface

からのbudding

上皮細胞

基底膜

結合組織

apical surface

からのbudding

(19)

微生物

感染

血液

choroid plexus

感染血液細胞

血管内皮細胞

中枢神経系

取込み

放出

通過

(20)

核

神経細胞体

軸索輸送

マイクロチューブル

小胞体

末梢神経

ウイルス

竹田美文・野本明男（編）、1997、『感染：ウイルス・細菌感染論の最前線』メジカルレビュー社

‡

(21)

ウイルス核酸

キャプシド蛋白からなるキャプソメア

A

B

C

エンベロープ蛋白

脂質２重膜

エンベロープ

キャプソメア

ウイルス核酸

ヌクレオキャプシド

エンベロープ蛋白

脂質２重膜

エンベロープ

キャプシド蛋白

ウイルス核酸

ヌクレオキャプシド

竹田美文・野本明男（編）、1997、『感染：ウイルス・細菌感染論の最前線』メジカルレビュー社

‡

(22)

ウイルスゲノムの構造と遺伝情報発現様式による分類

Group I

ds DNA

DNA virus

↓

m RNA

↑

ds DNA

↑

ss DNA

Group II

RNA virus

Group IV

Group III

Group V

Group VI

ds RNA

ss(

＋

) RNA

ss(

ー

) RNA

ss(

ー

) RNA

m RNA

ds DNA

ss DNA

↓

↑

ss(

＋

) RNA X 2

→

←

(23)

949 1765

2480

3833

_{5372 5987}

743 4124

5438

7370

3386

5110

7441

capsid

P1

P2

_P3

non-capsid

poly (A)

60 ± n

VPg-pU

initiation of

translation

5’

termination of

translation

polyprotein(247)

● P1(97)

P2(65)

P3(84)

● VP0(37)

VP3(26) VP1(34)

2A

2BC(48)

3AB(12)

3CD(72)

● VP4(7) VP2(30)

2C(38) VPg(2)

3C

pro

(20)

3D

pol

(52)

3C’(36.4)

3D’(35.6)

2B

(24)

1a

1b

HE

_S

_E

_M

_N

IS

AAA

IS

Cap

AAA

Cap

AAA

Cap

AAA

■ ; putative nonstructural protein

(25)

感染から発症までの過程（氷山説）

症状

(Symptom)

組織傷害

(tissue disfunction,etc)

免疫病

(immunopathogenesis)

獲得免疫

(acquired immunity)

自然免疫

(innate immunity)

物理的バリアー

(physical barrier)

その他

(others)

定着

(localization)

ターゲティング

(targeting)

拡散

(spreading)

侵入

(entry)

遺伝的多型

(genetic polymorphism)

(26)

ウイルス

病原性

ウイルス

病原性

生体防御

ウイルス疾患発症

健

康

ウイルス病原性と生体防御

(27)

‡

http://hogle.med.harvard.edu/

(28)

‡

http://hogle.med.harvard.edu/

(29)

‡

http://hogle.med.harvard.edu/

(30)

‡

http://hogle.med.harvard.edu/

(31)

(32)

ポリオウイルス

吸着

脱殻

蛋白合成

複製複合体

VP0 VP4+VP2

エンカプシ

デーション

複製用蛋白質

（VPg,ポリメラーゼなど）

カプシド蛋白質

蛋白質の

プロセシング

pU

細胞膜

VPg

ポリA

ポリU

+鎖RNA

-鎖RNA

成熟ウイルス

(33)

949 1765

2480

3833

_{5372 5987}

743 4124

5438

7370

3386

5110

7441

capsid

P1

P2

_P3

non-capsid

poly (A)

60 ± n

VPg-pU

initiation of

translation

5’

termination of

translation

polyprotein(247)

● P1(97)

P2(65)

P3(84)

● VP0(37)

VP3(26) VP1(34)

2A

2BC(48)

3AB(12)

3CD(72)

● VP4(7) VP2(30)

2C(38) VPg(2)

3C

pro

(20)

3D

pol

(52)

3C’(36.4)

3D’(35.6)

2B

(34)

(35)

‡

Haruka Toyoda, Michinori Kohara, Yutaka Kataoka, Toshiyuki Suganuma, Toshiko Omata,

Nobumasa Imura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, Vol.174, 4, pp561-585, 1984

(36)

VPg

poly (A)

ゲノム RNA

感染効率

(pfu / µg)

1 × 10

6 1 × 10

3 1～ 3 × 10

5 GG

試験管内で合成したRNA

プラスミド cDNA

T7 プロモーター

(37)

‡

Haruka Toyoda, Michinori Kohara, Yutaka Kataoka, Toshiyuki Suganuma, Toshiko Omata,

Nobumasa Imura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, Vol.174, 4, pp561-585, 1984

(38)

(39)

949 1765

2480

3833

_{5372 5987}

743 4124

5438

7370

3386

5110

7441

capsid

P1

P2

_P3

non-capsid

poly (A)

60 ± n

VPg-pU

initiation of

translation

5’

termination of

translation

polyprotein(247)

● P1(97)

P2(65)

P3(84)

● VP0(37)

VP3(26) VP1(34)

2A

2BC(48)

3AB(12)

3CD(72)

● VP4(7) VP2(30)

2C(38) VPg(2)

3C

pro

(20)

3D

pol

(52)

3C’(36.4)

3D’(35.6)

2B

3’

IRES

(40)

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology vol.207, 1, pp175-182(179 Fig.3), 1989

(41)

PL72

VPg

670

743

702 _{72b polylinker}

54b

GGC

AUG

C

ATAAUGGGU・・・

Met Gly・・・

G

UG

A

C

G

AU

A

L203

L201

L202

polyprotein

coding region

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.207, 1, pp175-182(178 Fig.2), 1989

(42)

pVS(1)IC-PL72

Transfection

AGMK cells in a plastic dish

Virus recovery

PV1(Sab)IC-PL72

Infection

AGMK cells

Pick up small plaques

Pick up only one large plaque per dish

Medium

Infection

AGMK

cells

Medium

L201

L202

L203

L204

(43)

Nucleotide substitutions

Initial

sequence

Altered sequence

G

A

U

C

A

U

G

20

0

7

0

1

0

16

0

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.207, 1, pp175-182(179 Table. 1), 1989

(44)

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.207, 1, pp175-182(178 Fig.1), 1989

(45)

Shusuke Kuge, Noriyuki Kawamura and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biolo vol.207, 1, pp175-182(181 Fig.6), 1989

(46)

Virion RNA

5’

AGCUUGAACCCAGUGCUUUCCACUAUGUGUUUGAAGGGGUGAAGGAACCAGCAGUCC

CCCCACTTCCTTGGTCGTCAGG

TCA

SERINE

Sequencing Primer

UAG

ATC

AMBER

UCG

AGC

SERINE

2.5 × 10

-6

revertants/ PFU

(47)

Transversion

Transition

Transversion

Transition

_＝

1 ×

10 -4

＝

2.5 × 10

-6

＝

50

(48)

Defective Interfering (DI) Particle

of Poliovirus

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(481 Fig.1), 1986

(49)

(50)

(51)

5'

3'

VP3 VP1 2A 2B 2C 3A

3C

3D

VP2

3B

VP4

VPg

Capsid

Non-capsid

P1

P2

P3

pSM1(T7)0

pSM1(T7)1

pSM1(T7)1a

++

+

-R

e

p

lic

a

tio

n

P

a

c

k

a

g

in

g

pSM1(T7)1b

_{++ +}

pSM1(T7)1c

_-

-4 bases

4 bases

12 bases

(52)

(53)

Supporting sequence-loop Model

Shusuke Kuge, Izumu Saito and Akio Nomoto, Journal of Molecular Biology, vol.192, 3, pp473-487(483 Fig.７), 1986