ゲノム解読では、ウイルスの遺伝暗号を記録し、その配列を過去のサンプルと比較します。
この手法により、研究者はウイルスが人類にとって未知のものかを把握でき、ワクチン開発の方法も探ることができます。
ゲノム解読により、新型コロナウイルス感染症は、世界規模でリアルタイムに感染拡大が監視される初めてのウイルスとなりました。
もしパンデミックが10年前に起きていたら、どのような状況になっていたでしょうか。違いは数多くあったはずですが、おそらく最も顕著なのは、ゲノム解読が比較的ほとんど行われていなかったことでしょう。ゲノム解読とは、検査サンプル中のコロナウイルスの遺伝暗号全体、すなわち「ゲノム」を迅速に読み取り、解析することです。
パンデミックの初期、ゲノム解読によって、研究者はそれまで確認されたことのないウイルスに直面していると知りました。ウイルスの遺伝暗号を迅速に解読できたことで、ワクチンの即時開発も可能になりました。また、ワクチンが記録的な速さで利用可能になった理由の一端も説明できます。
それ以来、科学者たちはウイルスが広がる中で、繰り返しそのゲノムを解読してきました。これにより、変化を監視し、新たな変異株の出現を検知できます。
ゲノム解読自体は新しいものではありません。今日異なるのは、その実施量です。世界各地で変異株のゲノムが前例のないペースで検査されており、新型コロナウイルス感染症は、これまでで最も詳しく検査された流行の一つとなっています。
この情報を使えば、追跡できます。ウイルスの特定の型が、地域、国内、そして国際的にどのように広がっているかを調べられます。新型コロナウイルス感染症は、世界規模でほぼリアルタイムに追跡された初めての流行です。
これはウイルスの封じ込めに役立ちます。例えば、PCR検査と組み合わせることで、ゲノム解読は2020年冬のアルファ株の出現を明らかにしました。また、アルファ株が急速に拡大していることを示し、その理由も確認しました。感染力の上昇に関連する重要な変異が見つかったのです。こうした情報は、規制強化を決める際の判断材料となりました。
ゲノム解読は、オミクロン株についても同様の役割を果たし、懸念される変異を特定するとともに、感染がいかに速く広がっているかを確認しました。これを受け、英国では追加接種プログラムを大幅に加速する必要性が明らかになりました。
大規模なゲノム解読への道
ゲノム解読の重要性は疑いようがありません。しかし、どのように行われ、なぜこれほど普及したのでしょうか。
人間と同じように、コロナウイルスの複製体もそれぞれ独自のゲノムを持ち、その長さは約3万文字です。ウイルスが複製される際、コピー時の誤りによってゲノムにわずかな変異が生じることがあります。時間とともに変異が蓄積し、ウイルスの変異株を互いに区別する特徴となります。懸念される変異株のゲノムには、5～30個の変異が含まれる場合があります。
ウイルスのゲノムはRNAでできており、3万ある文字の一つひとつは、A、G、C、Uの4種類の構成要素で表されます。ゲノム解読とは、それらが並ぶ固有の順序を特定する作業です。そのためにさまざまな技術が使われますが、現在の状況を実現するうえで特に重要だったのが、ナノポアシーケンシングです。10年前には、この技術は今日のようには利用できませんでした。その仕組みを見てみましょう。
まずRNAをDNAに変換します。次に、布の小さな穴に長い綿糸を通すように、DNAを膜にある孔に通します。このナノポアは、ピンの頭の100万分の1ほどの大きさです。DNAの構成要素が一つずつナノポアを通るたびに、それぞれ固有の信号が発せられます。センサーが信号の変化を検知し、コンピュータープログラムがそれを解読して配列を明らかにします。
驚くべきことに、ナノポアシーケンシングの主力機器であるMinIONは、Oxford Nanopore Technologies（ONT）が2014年に発売したもので、ホチキスほどの大きさしかありません。IlluminaやPacific BioSciencesが開発したものなど、ほかのシーケンシング技術では、一般に大型の機器と設備の整った研究室が必要です。そのためMinIONは非常に携帯性に優れ、感染症の流行時に現地でゲノム解読を行えます。
これが初めて行われたのは、2013～16年のエボラ出血熱の流行の時で、その後、2015～16年のジカ熱の流行でも実施されました。科学研究の基盤が整っていない地域に臨時の研究室が設置され、科学者たちはそれぞれの流行がどこで始まったのかを特定できました。
この経験が、今日のコロナウイルスのゲノム解読の基礎となりました。この時期に、とりわけArtic Networkというゲノム研究グループが磨き上げた手法は、非常に貴重なものとなっています。これらの手法はすぐに新型コロナウイルス感染症向けに応用され、2020年以降、世界中で数百万件のコロナウイルスゲノムを解読する基盤となりました。ジカ熱とエボラ出血熱のナノポアシーケンシングによって、今日、かつてない規模でゲノム解読を行うための手法が確立されました。
とはいえ、Illumina、Pacific Biosciences、ONTの卓上型装置が持つはるかに大きな処理能力がなければ、ナノポアシーケンシングで得られた知見を活用できません。現在の規模でゲノム解読を行うには、こうしたほかの技術が必要です。
ゲノム解読の次は？
新型コロナウイルス感染症では、研究者が流行を監視できるようになったのは、流行が始まってからでした。しかし今では、ほかの新興感染症に向けた迅速検査・スクリーニングプログラムの構築と、広範なゲノム解読を実施するための基盤整備が始まっています。これらは、次のパンデミックに不意を突かれないための早期警戒システムとなります。
例えば将来、下水を監視するサーベイランスプログラムが導入され、集団内に存在する病気の原因微生物（病原体として知られるもの）を特定することになるかもしれません。ゲノム解読により、研究者は新たな病原体を特定でき、次の流行が手に負えなくなる前に、その理解と追跡に着手できます。
ゲノム解読は、将来の医療や医学にも役割を果たします。希少な遺伝性疾患の診断や、個別化医療への情報提供、そして増大し続ける薬剤耐性の脅威の監視に役立つ可能性があります。
5～10年前、科学者たちは小規模なウイルス流行でシーケンシング技術の試験を始めたばかりでした。この2年間の影響を受け、病気の広がりを追跡するためのシーケンシング利用が大幅に増えました。これは、時間をかけて発展してきた技術、スキル、インフラによって可能になりました。
新型コロナウイルス感染症は世界中に甚大な被害をもたらし、何百万人もの生活に影響を与えましたが、その影響の全容はまだ明らかになっていません。しかし、近年の進歩、とりわけシーケンシング分野の進歩によって、そうでなければ直面していた状況より確実に改善しています。
