北海道大学(北大)は5月12日、ヒト肺および気管支上皮細胞において、細胞質におけるウイルス由来RNAセンサーである「レチノイン酸誘導遺伝子-I」が、細胞内に侵入してきた新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)のプラス鎖RNAを感知することを見出したと発表した。

同成果は、北大 遺伝子病制御研究所の高岡晃教教授らの研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の免疫学を扱った学術誌「Nature Immunology」に掲載された。

新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の世界規模での流行は一向に終息する気配がなく、ウイルスに対する根本的な生体の防御、いわゆる免疫応答の仕組みを明らかにすることが、感染制御の重要な課題の1つとなっている。

通常、感染防御としてのヒト免疫応答は、まず「自然免疫システム」が働き、続いて「適応免疫システム」が活性化され、病原体の排除が行われる。感染防御の第1ステップである自然免疫システムの活性化は、病原体の体内への侵入を感知することで始動する。

この感知は、タンパク質「パターン認識受容体」が病原体微生物由来の特有な分子を認識することによって行われる。例えば、ウイルス感染時において多くの場合、ウイルス由来のDNAやRNAが認識の標的となるのである。

それを認識する生体側のパターン認識受容体である「核酸センサー」が下流に細胞内シグナル伝達を誘導し、抗ウイルス活性のあるインターフェロンなどのサイトカインやケモカインの遺伝子発現が行われ、自然免疫応答が誘導されるという仕組みだ。

このような強力な自然免疫応答は、そののちのリンパ球による特異的な病原体排除を効率よく行うためにも重要な役割を担う。しかしSARS-CoV-2が感染した際に、どのような仕組みで自然免疫システムによって感知されるのかについては、十分に明らかにされていなかったという。

そうした中、研究チームは今回、ヒト肺や気管支の初代上皮細胞を用いた実験で、レチノイン酸誘導遺伝子-I(RIG-I)がSARS-CoV-2の自然免疫センサーであることを発見した。

RIG-Iは、これまではインフルエンザウイルスなどの自然免疫のRNAセンサーとして知られていた。ウイルスRNAを感知すると、RIG-I下流にシグナル伝達を誘導し、インターフェロンなどのサイトカインを誘導。それにより、自然免疫の抗ウイルス防御応答を行うことがわかっていた。しかし今回、RIG-IがSARS-CoV-2の認識に関与はするものの、通常は行われる下流へのシグナル伝達が誘導されないことも発見された。

ヒト肺や気管支由来の複数の初代上皮細胞を用いて、SARS-CoV-2の感染実験が実施されたところ、いずれの場合も細胞への感染は起こるものの、ウイルスは増殖しないことが確認された。またI型およびIII型インターフェロンやそのほかの自然免疫サイトカインの誘導も認められなかったという。

一方、RIG-Iの発現が低下あるいは欠損させたヒト肺細胞では、SARS-CoV-2が増殖することが判明。またSARS-CoV-2の研究でよく使われるヒト肺がん細胞株Calu-3は、研究チームが用いた肺や気管支の初代上皮細胞と比較して顕著にRIG-Iの発現レベルが低く、SARS-CoV-2の増殖やサイトカイン応答が認められることがわかったとする。

これは、肺・気管支上皮細胞でのSARS-CoV-2感染に対する抗ウイルス防御にはRIG-Iの発現レベルが重要であり、RIG-Iはこれまで知られてきたI型およびIII型インターフェロンやそのほかの自然免疫サイトカインの誘導を行う下流のシグナル伝達を引き起こすことなく、SARS-CoV-2の複製を抑制できることが示唆されたとしている。

また詳細なメカニズム解析により、RIG-Iは通常のRIG-Iリガンドとなる「5’」に「三リン酸」を持つRNAの認識に関わる「C末端ドメイン」ではなく、「ヘリカーゼドメイン」を介して直接的にSARS-CoV-2を認識し、この結合の場合、RIG-I下流のアダプター分子「MAVS」への結合をはじめ、下流のシグナル経路の誘導が起こらないことが明らかとなった。

次に、どのような機序でRIG-IがSARS-CoV-2の複製を阻害できるのか、さらなる解析が続けられた。すると、まずSARS-CoV-2は「プラス鎖RNA型」のウイルスで、このプラス鎖RNAの「3’非翻訳領域」がRIG-Iの認識の主要なターゲットとなっていることが明らかとなったのである。

このウイルスRNAの領域は、プラス鎖RNAから「マイナス鎖RNA」を転写する際にウイルスのRNA依存的RNAポリメラーゼがリクルートする部分であり、この複製プロセスの最初のステップをRIG-Iが競合的、直接的に阻害していることが見出された。

加えて、RIG-Iの発現レベルが低下し、ウイルス複製の最初のステップが進行した場合に転写されてくるウイルスのマイナス鎖RNAは、RIG-Iではなく、「MDA5」がその認識に関わっていることも明らかにしたという。

これらの意義についてさらなる調査が進められ、「慢性閉塞性肺疾患(COPD)」の患者由来の肺細胞では、RIG-Iの発現レベルが顕著に減少しており、SARS-CoV-2が複製されてしまうことが観察された。一方、ビタミンAの誘導体である「オールトランス型レチノイン酸(ATRA)」投与により、有意にRIG-Iの発現レベルが回復し、SARS-CoV-2の複製を十分に抑制することにも成功。このことは、ATRAなどを投与してRIG-Iの発現を高めることが治療や予防という点で意義があることが示された形だ。

今回の研究によって、通常のヒト肺および気管支上皮細胞の場合、SARS-CoV-2の感染後、最初にRIG-Iによってウイルス由来のプラス鎖RNAを認識し、これは通常のRIG-Iを介するシグナル経路を介したサイトカイン誘導を起こすことなく、直接的にウイルス複製を阻害することが示された。

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    今回の研究がまとめられた模式図 (出所:北大プレスリリースPDF)

一方で、半数近くの感染者が無症状であり、インターフェロンや炎症性サイトカインが顕著に増加しないことが報告されており、その点がまだよくわかっていない。しかし、今回の研究成果はその病態の一部を説明していると考えられるとした。

これらの結果から、細胞のRIG-Iの発現レベルと感染するウイルス量のバランスが、細胞内でのウイルス複製の進行を決定するものと予測されるという。今後、肺細胞でのRIG-Iの発現量を高めることがCOVID-19の予防や治療の戦略の上で、切り口の1つになることが期待されるとする。またRIG-Iの発現量が、COVID-19の重症化の予測の観点でも重要な因子の1つである可能性があり、今後、さらなる研究が期待されるとしている。