2021年12月時点で、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）ワクチンは80億回分以上接種されており、そのうち約2億1700万回分が「ブースター」接種です。これらのワクチンの主な標的は、ウイルスが宿主細胞に侵入する際に重要な役割を果たす必須のウイルス性タンパク質である、いわゆる「スパイク（S）」タンパク質です。
ワクチンは極めて重要ですが、COVID-19治療薬の開発が進む中で、天然変性タンパク質が病理学的に重要な役割を果たしている可能性が明らかになってきました。歴史的に、生物学者はタンパク質のアミノ酸配列がその立体構造を決定し、それが機能を決定すると考えてきました。しかし、固定された秩序ある3D構造を持たないにもかかわらず、依然として重要な生物学的活性を示すタンパク質や領域の大きなグループが存在します。これらは天然変性タンパク質および天然変性領域と呼ばれています（図1）。
このタンパク質の変性はアミノ酸配列にコードされており、すべての生物およびウイルスに豊富に存在します。SARS-CoV-2タンパク質の特性におけるこれらの注目すべき領域をより深く理解することで、COVID-19の治療薬開発を加速させることが可能になるかもしれません。
天然変性タンパク質の例
「天然変性タンパク質」（IDP）やタンパク質内の「天然変性領域」（IDPR）に見られる自然な多様性は、生物の全3ドメインで確認できます。これらは酵素触媒、アロステリック調節、細胞シグナル伝達、転写などの重要なプロセスに関連しています。
しかし、これらは疾患にも関与しており、神経変性疾患、糖尿病、心血管疾患、アミロイドーシス、遺伝性疾患、がんなどが含まれます。さらに、ウイルス性タンパク質にはこうした領域が含まれていることが多く、宿主タンパク質と容易かつ無差別に結合する能力をウイルス性タンパク質に与えるため、病原性と相関があるとされています。
タンパク質科学におけるIDP/IDPRへの関心は、CAS Content CollectionTMでの検索結果（図2）が示すように2000年以降急速に高まっており、COVID-19を含む創薬における役割の解明が始まっています。
SARS-CoV-2における天然変性タンパク質
SARS-CoV-2は、ゲノムRNAを内包したビリオンを形成しており、その粒子は以下のタンパク質で構成されています：宿主細胞への侵入に重要なSタンパク質、ウイルスの集合を促進する膜（M）タンパク質、イオンチャネルである小型エンベロープ（E）タンパク質、そしてウイルスRNAと集合してヌクレオカプシドを形成するヌクレオカプシド（N）タンパク質です（図3）。
IDP/IDPRはSARS-CoV-2のプロテオームにおいて一般的ではありません。実際、SARS-CoV-2のプロテオームは高いレベルの構造的秩序を示しています。ヌクレオカプシド（N）タンパク質を除き、SARS-CoV-2のタンパク質は高度に秩序化されており、天然変性領域はわずかしか含まれていません。しかし注目すべきは、存在する変性領域がウイルスの機能と病原性に大きく寄与していることであり、そのため抗ウイルス薬開発における有望な創薬標的となっています。このようなアプローチは、新規の薬物候補の特定においてすでに価値があることが証明されています。
ヌクレオカプシド（N）タンパク質
RNA結合能を持つNタンパク質は、ウイルス粒子内のゲノムRNAを安定化させ、ウイルスゲノムの転写、複製、パッケージングを制御しています。Nタンパク質は高度に無秩序な構造をしており、予測される内在性無秩序領域の割合は約65%に達します。これらの無秩序領域はヌクレオカプシドの維持に重要であると考えられ、創薬の標的となり得ます。また、Nタンパク質の無秩序領域は、「液-液相分離」と呼ばれるプロセスを介したタンパク質の凝集にも関与しており、これは宿主細胞の免疫において重要なストレス顆粒の自然な形成を阻害する手段となっている可能性があります。したがって、Nタンパク質の液-液相分離プロセスを阻害することは、抗ウイルス介入の有望な手段であり、COVID-19治療薬開発に向けた新たな標的と戦略を提供します。
スパイク（S）タンパク質
Sタンパク質は、王冠のようにウイルス表面を飾っています。これは宿主へのウイルス侵入に不可欠（図4）であり、そのためCOVID-19ワクチンの開発において頻繁に利用される創薬標的となってきました。感染の初期段階である受容体結合と膜融合は、いずれも実質的な内在性無秩序領域に関連しています。
Sタンパク質の解析から、Sタンパク質の成熟に関与する2つのSサブユニット切断部位とS融合ペプチドは、いずれもIDPR（内在性無秩序タンパク質領域）に関連していることが示されています。構造化されたタンパク質領域と比較して、無秩序な領域ではタンパク質分解が著しく速いことを考慮すると、SARS-CoV-2 Sタンパク質のこの構造的特異性は、高い機能的重要性を持つ可能性があります。
SARS-CoV-2ウイルス感染時、IDPRはスパイクタンパク質と、ウイルスが結合するヒト組織上の受容体であるACE2との界面で検出されます。スパイクタンパク質の主要な残基はACE2に対して強い結合親和性を持っており、これがSARS-CoV-2の高い伝播力の一因であると考えられます。
したがって、コロナウイルス感染の最初かつ重要なステップである受容体結合と膜融合は、どちらもSタンパク質における実質的な内在性無秩序領域に関連しています。これらはSARS-CoV-2感染を阻害するための主要な標的です。
膜（M）タンパク質
Mタンパク質は、ビリオン内に大量に存在する主要な膜貫通タンパク質です。SARS-CoV-2はコロナウイルスの中でも最も強固な外殻を持つウイルスの一つですが、これはMタンパク質の内在性無秩序性が低いこと（6%）に関連している可能性があり、ウイルスの高い回復力と伝播力の要因となっている可能性があります。実際、さまざまなウイルスの病原性とMタンパク質の内在性無秩序の割合との間には相関関係があることが示されており、無秩序性の低いMタンパク質を持つウイルスほど感染力が強い傾向があります。
今後の展望：創薬の最前線
世界中で新たなウイルスやそれに伴う流行が発生していることは、現在大きな懸念事項です。そのため、ウイルスタンパク質の構造と機能を解明することは、疾患の予防および治療のための新たな治療標的を特定する上で極めて重要です。
ACS Infectious Diseases誌に掲載された私たちの査読済み論文では、SARS-CoV-2プロテオームにおける内在性無秩序の発生に関する情報をまとめています。実際、SARS-CoV-2プロテオームはかなりの程度の構造的秩序を示しており、高度に無秩序なのはNタンパク質のみであることが認識されています。他のSARS-CoV-2タンパク質は無秩序の程度が低いものの、存在するIDPRはウイルスの機能や病原性に大きく寄与しており、抗ウイルス薬開発における有望な標的となります。
IDP（内在性無秩序タンパク質）は広く存在し、秩序あるタンパク質の機能を補完する数多くの重要な生物学的機能を担っています。しかし、機能不全（発現異常、プロセシング異常、調節異常など）が生じると、IDP/IDPRは望ましくない相互作用に関与し、さまざまな病態の発生に関与するようになります。実際、神経変性疾患、糖尿病、心血管疾患、アミロイドーシス、遺伝性疾患に関連する多くのタンパク質や、ヒトのがん関連タンパク質のほとんどは、IDPであるか、長いIDPRを含んでいます。
構造生物学の手法は創薬に活用できますが、合理的な創薬設計の現場では、これまで標的タンパク質における内在性無秩序の存在が過小評価されてきました。SARS-CoV-2やその他の病原性プロテオームにおけるこれらの領域の構造を理解することは、COVID-19以降の創薬に大きな利益をもたらし、創薬設計の限界を押し広げ続けることになるでしょう。
