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発光ペプチドタグを付加した高感度かつ迅速定量型ウイルスベクターシステムの開発およびCOVID-19研究への応用

大園 誠也 山梨大学 DOI:info:doi/10.34429/00005150

2022.03.18

概要

ウイルス研究においてウイルス産生を定量することは不可欠である。これまでのHIV-1研究において、ウイルス量は主に逆転写酵素アッセイまたはp24抗原ELISAを用いて定量されてきた。しかし、これらのアッセイ系は多大なコストと時間を要することが研究者の負担になってきた。本論文では、HiBiTと呼ばれる短いペプチドタグを使用することで、この問題を解決する新しいHIV-1/レンチウイルス定量システムを確立した。さらにこの系をいち早く新型コロナウイルス研究にも応用し、欧州変異型の感染性を正確に評価することに成功し、その変異型の危険性について世界に先駆けて報告した。

第1章 HiBiTペプチドタグを利用した超迅速HIV-1定量系の樹立
HIV-1の研究では、通常、逆転写酵素法またはp24抗原捕捉ELISA法のいずれかによってウイルスの産生をモニターしている。しかし、これらのアッセイは、多数のHIV-1サンプルを日常的に取り扱うにはコストと時間を要する。例えば,ELISA法では検出可能な濃度の範囲が非常に狭いため、p24タンパク質レベルを測定するためには常にサンプルの希釈が必要となる。ここでは、HiBiTと呼ばれる最近開発された小さなペプチドタグを使用することで、前述の問題を解決する新しいHIV-1産生アッセイシステムを確立した。このペプチドは、NanoLucルシフェラーゼの断片であり、残りのサブユニットと相補的に結合すると強い発光シグナルを発生する。この技術を採用するために、インテグラーゼのC末端にHiBiTタグを付加した新規の完全長プロウイルスHIV-1DNAクローンと、レンチウイルスパッケージングベクターを構築した。インテグラーゼにHiBiTタグを付加しても、ウイルスの産生、感染性、インテグラーゼ阻害剤への感受性に影響はなかった。次に、抗ウイルス宿主因子APOBEC3G(A3G)を発現する初代培養細胞で複製アッセイを行うためには、Luc2-IN/HiBiTウイルスにおけるVifの機能が損なわれていないことを確認する必要があった。これは、INORFのC末端と重なるVifのN末端配列に、HiBiTタグ由来の無関係なアミノ酸配列が挿入されていたためである。A3Gを発現させると、Luc2-IN/HiBiTウイルスの感染力はNL-Luc2-F(-)ウイルスのレベルまで著しく低下した。これは、Luc2-IN/HiBiTウイルスのVifタンパク質が抗A3G活性を欠いていることを示している。HiBiTタグによって塩基配列が切断されたVifの失われた機能を救済し、このpNL-Luc2-IN/HiBiT-E(-)Finと名付けた構築物をトランスフェクションした細胞から産生されたVSV-GシュードタイプのLuc2-IN/HiBiT-Finウイルスの感染性を調べたところ、A3Gに対して完全な耐性を示し、結果として得られたウイルスが期待されたVif活性を獲得したことが示された。Env-intactの完全長バージョンのウイルスがCD4陽性T細胞へ感染させるために、pNL4-3ベースのIN/HiBiT-Finプロウイルスクローンを作成した。PHA-IL-2で刺激した初代CD4陽性T細胞に、WTまたはIN/HiBiT-Finのウイルスを感染させた後、上清中のp24産生レベルを測定することでウイルスの複製を比較したところ、IN/HiBiT-Finウイルスの複製動態は親株ウイルスに比べて遅れただけであり、IN/HiBiT-Finウイルスが複製能力を持つことが確認された。以上の結果から、INのC末端にN末端のvif配列を加えることで、抗A3G活性が付与され、その結果、初代CD4陽性T細胞において効率的にウイルスが複製されることが示された。最も重要なことは、ELISAとHiBiTルシフェラーゼアッセイを比較することで、p24濃度とHiBiTベースのルシフェラーゼ活性の間に優れた線形相関を得ることに成功したことである。以上のことから、HiBiTタグ付きウイルスは、親ウイルスであるHIV-1とレンチウイルスベクターから置き換えることができ、HIV-1/レンチウイルス産生のための、超高速、安価、簡便、高精度な定量的アッセイを行うことができると結論づけた。このシステムは、将来の抗ウイルス剤の候補をスクリーニングするとともに、様々なウイルス学的研究に広く応用することができる。

第2章 HiBiTペプチドタグを有するレンチウイルスベクター系を用いたCOVID-19研究への応用
コロナウイルス2019(COVID-19)パンデミックの原因ウイルスである重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)は、ヒトの間で継続的に感染する間に着実に変異している。このような変異は、アンジオテンシン変換酵素2(ACE2)受容体に結合し、膜貫通型プロテアーゼセリン2(TMPRSS2)によって切断されるスパイク(S)タンパク質に生じる可能性がある。しかし、Sの突然変異がSARS-CoV-2の感染力に影響を与えるかどうかは、まだ不明である。本研究では、シュードタイプレンチウイルスの細胞侵入を定量化するために最近開発した新しい侵入アッセイシステムを採用した。このシステムでは、アッセイ中のHiBiTルシフェラーゼシグナルによって生成された高精度の標準曲線に基づいてウイルス投入量を正確に正規化することができるため、細胞侵入レベルを実験的に正確に決定することができる。
このシステムを用いて,まず,SARS-Sの主要な受容体であるACE2を発現している細胞において,SARS-CoV(Urbani株)SまたはSARS-CoV-2(Wuhan-Hu-1株)Sをシュードタイプしたレンチウイルスの細胞侵入活性を調べた。その結果、ACE2の発現だけでは、SARS-CoV-2の細胞侵入に寄与するには不十分であることを示唆した。次に、ACE2とTMPRSS2の共発現がSARS2-Sシュードタイプのレンチウイルスの293T細胞への効率的な感染を仲介できるかどうかを検証した。その結果、ACE2とTMPRSS2を同時に発現させると、SARS2-Sを介した細胞への感染が著しく促進される一方、SARS-Sシュードウイルスの感染は適度に促進された。それにもかかわらず、SARS-SとSARS2-Sのシュードウイルスの間には、細胞への侵入性に約25倍の差が見られたことから、SARS2-Sはレンチウイルス粒子との適合性が低いのではないかという仮説が立てられた。様々なウイルスエンベロープのレンチウイルス適合性は、その細胞質尾部(CT)ドメインによって決定されることが多くの文献で示されている。Sタンパク質のこのドメイン(および膜貫通ドメイン(TM))の配列を比較したところ、SARS2-Sでは、CTドメインとTMドメインに、それぞれ1つ(1247番目のアラニン-システイン)と2つ(1216番目のバリン-イソロイシンと1233番目のロイシン-メチオニン)のアミノ酸の違いがあることがわかった。そこで、SARS2-SC1247A変異体と、SARS-SのTM/CTドメインを保持したキメラ型SARS2-Sを作成した。すべてのSARS2-Sタンパク質は、同等のレベルの細胞侵入と実際のビリオンの取り込みを示した。これらの結果から、SARS2-Sシュードウイルスの細胞侵入率が著しく低かったのは、SARS2-Sとレンチウイルスベクターとの間の不適合によるものではなく、むしろSARS2-Sタンパク質の本質的な性質によるものであることが示唆された。SARS-SとSARS2-Sタンパク質の違いをさらに評価するために、これらのSタンパク質が、細胞表面に存在する一定レベルのACE2やTMPRSS2を利用する能力が異なるかどうかを調べた。一定量のACE2と様々なレベルのTMPRSS2を発現する293T細胞にSシュードタイプレンチウイルスを感染させたところ、SARS2-Sによる感染は、SARS-Sよりも高いレベルの細胞表面TMPRSS2の発現を必要とし、最大レベルの細胞侵入を達成した。したがって、SARS2-Sは本質的に十分なレベルのTMPRSS2の発現を必要としていると考えられる。S変異体の中では、欧州型D614G変異体が最も高い細胞侵入性を示すことが示唆された。この変異がSタンパク質の抗原性を変化させているのではないかと考えられた。SARS2-SのWTとD614G変異体は、シュードタイプウイルスを用いた中和試験の結果、確認されたすべての症例の原型ウイルスに対する血清に対して、同じように感受性を示した。この結果は、D614G変異体のSタンパク質に抗原性の変化がないため、抗SARS-CoV-2薬やワクチンの開発戦略に支障をきたさないという点で、公衆衛生上、特に重要であった。以上を含めた結果から、D614G変異体は、中和感受性を維持したまま、ウイルスの感染力を高めていることが明らかになった。

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参考文献

序章 緒論

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第1章 HiBiT ペプチドタグを利用した超迅速HIV-1 定量系の樹立

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