COVID-19治療薬開発の競争において、ウイルスがどのように細胞へ侵入するかを科学者が明確に理解することは不可欠なステップです。この知見は、その経路を遮断することに焦点を当てた標的型抗ウイルス薬の開発を後押しします。
2002年に流行を引き起こした最初のSARSコロナウイルス、および現在COVID-19の原因となっている関連コロナウイルスであるSARS-CoV-2の研究から、いずれの場合もウイルス膜から突き出たスパイク（S）タンパク質が、ヒト細胞表面の少なくとも1つのタンパク質であるアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）に結合することが明らかになっています。結合後、他のタンパク質を切断するヒト酵素であるプロテアーゼがスパイクタンパク質を切断（プライミング）し、外側のS1セグメントを除去して、内側のS2セグメントを露出させます。その後、スパイクタンパク質のS2セグメントがウイルス膜とヒト細胞膜の融合を引き起こし、ウイルスの遺伝物質が細胞内に侵入して複製を開始します。最近の投稿では、ACE2の役割に焦点を当ててこのプロセスをまとめました。本稿では、ウイルスが細胞に侵入する際にヒトのプロテアーゼが果たす役割について詳しく解説し、その相互作用を標的とした抗ウイルス治療について紹介します。
SARS-CoV-2のスパイクタンパク質：2つのセグメントの物語
SARS-CoV-2のスパイクタンパク質は、大きな頭部と長く細い柄を持つネジのような形状をしています（図1）。3つのスパイクタンパク質が結合して三量体を形成しており、その形状は予想通り、より大きなネジのようになります。柄の部分はウイルス膜に挿入され、頭部をウイルスの外側に向けて保持しています。大きな頭部領域と柄の一部は、スパイクタンパク質のS1領域と呼ばれます。ウイルス膜に近い柄の残りの部分は、S2領域と呼ばれます。
ウイルスが体内に侵入し、表面にACE2を発現している呼吸器系、消化管、血管などの細胞と接触すると、スパイクタンパク質のS1領域が細胞表面のACE2に結合し、ウイルスをヒト細胞の外側に繋ぎ止めます。これがウイルス複製プロセスの最初のステップです。
SARS-CoV-2の細胞侵入経路
ウイルスが細胞に結合すると、侵入には2つの異なる経路が存在します（図2）。どの経路が使用されるかは、スパイクタンパク質を「プライミング」するヒトプロテアーゼが存在するかどうかによって決まります。プロテアーゼの存在は、ウイルスが侵入するヒト細胞の種類や、その細胞の特定の状況に依存します。膜貫通型セリンプロテアーゼ2（TMPRSS2）、フリン、エラスターゼ、トリプシンなど、いくつかのヒトプロテアーゼがスパイクタンパク質を切断可能です。TMPRSS2はヒトの肺細胞で発現しているため、呼吸器系細胞へのウイルス侵入において重要な役割を果たしていると考えられています。
これらのプロテアーゼがスパイクとACE2の結合界面付近に存在する場合、スパイクタンパク質を切断して、S2領域、特に融合ペプチド領域を露出させます。スパイクのこの融合ペプチド領域は疎水性（脂質に近い性質）のアミノ酸で構成されており、脂質を含む細胞膜に挿入されることで、ウイルス膜と細胞膜の融合を誘導し、その結果、ウイルスゲノムが細胞内に侵入します（図2a）。この切断は、スパイクとACE2の結合後に起こる必要があります。結合前に切断が起こると、ウイルスの細胞感染能力は低下します。
スパイクとACE2の結合界面付近にプロテアーゼが存在しない場合、ウイルスはエンドサイトーシスと呼ばれる別の経路で細胞に侵入します（図2b）。このプロセスでは、細胞外のACE2タンパク質に結合したコロナウイルスが、細胞膜の小さな領域の陥入によって取り込まれ、それが切り離されてエンドサイトーシス小胞を形成し、細胞外の物質を細胞内に運び込みます。その後、エンドサイトーシス小胞は、エンドソームと呼ばれる細胞内の膜で囲まれた小胞と融合します。エンドソーム内にはカテプシンLなどのプロテアーゼが存在し、スパイクタンパク質を切断して融合ペプチド領域を露出させることができます。この融合ペプチドがウイルス膜とエンドソーム膜の融合を媒介し、ウイルスゲノムの細胞内への侵入を誘導します。
最近の知見によると、SARS-CoV-2が細胞に侵入する第3の経路が存在する可能性があります。ウイルスが細胞内で複製され、新しいウイルス粒子が形成される際、一部のスパイクタンパク質は、新しいウイルスの組み立て過程でフリンと呼ばれるヒトプロテアーゼによってあらかじめ切断（プレプライミング）されている可能性があります。つまり、ウイルスが細胞から放出されると、プレプライミングされたスパイクタンパク質を持つウイルスは、前述の2つの「通常の」スパイクタンパク質切断経路に必要なプロテアーゼが少ない細胞であっても、それらの細胞と融合して感染できることを意味します。
反撃の計画
研究者は、COVID-19を阻止するために、スパイク・ACE2・膜融合・エンドサイトーシスという感染ライフサイクルの一部を標的とする薬剤の開発に懸命に取り組んでいます。前回の投稿では、治療薬の候補として組換え可溶性ACE2を紹介しました。これは、SARS-CoV-2が細胞表面のACE2に結合する前にスパイクタンパク質を不活性化する仕組みです。しかし、他にも多くの薬剤候補が検討されています。
ナフォマスタットとMI-1851は、スパイクタンパク質の切断に関与するプロテアーゼであるTMPRSS2およびフリンをそれぞれ阻害し、試験管内においてSARS-CoV-2の感染を抑制する可能性が示されています。スパイクタンパク質の一部に類似した非常に短いタンパク質であるペプチドは、ウイルスとヒト細胞の膜融合を阻害することが明らかになっています。これは、膜融合の過程で形状が変化するウイルスのプライミングされたスパイクタンパク質を「塞ぐ」ことで、ウイルスの侵入を防ぐ仕組みです。最後に、PIKfyve阻害剤もSARS-CoV-2の感染を阻止することが知られています。PIKfyveはヒトの脂質キナーゼであり、特定の脂質にリン酸基を付加する酵素です。PIKfyveはウイルスの侵入経路であるエンドサイトーシス経路のエンドソーム代謝に関与しているため、その阻害剤は抗ウイルス活性を示します。
これらは、SARS-CoV-2のウイルス侵入阻害剤として研究されている数多くの候補薬のほんの一部に過ぎません。COVID-19の治療法を模索する研究者にとって、標的となる候補は数多く存在します。スパイクタンパク質、ACE2、スパイクタンパク質を切断するプロテアーゼ、そしてエンドサイトーシス経路の構成要素などが研究対象となっており、それぞれの標的に対して抗ウイルス活性を持つ物質が多数確認されています。科学者がこれらの候補をより迅速に特定できるよう、CASはCAS REGISTRY®から収集したオープンソースのデータセットを公開しました。これには、既知の抗ウイルス薬や、それらと構造的に類似した関連化合物が含まれています。詳細およびその他のCASのCOVID-19オープンアクセスリソースのダウンロードはこちらから行えます。
