C型肝炎は世界中で約7,100万人に影響を及ぼし、毎年約40万人の死者を出しています。
ウイルスは肝臓に侵入し、瘢痕化を引き起こし、場合によってはがんにつながる可能性があります。
治療法は存在するものの、高額で、入手が困難であり、再感染を防ぐこともできません。
ここでは、科学者たちが、このウイルスに対する長年待ち望まれてきたワクチン設計への道を切り開くのに役立っている研究について解説します。
C型肝炎ウイルス（HCV）は、慢性的な肝臓感染症を引き起こし、肝臓の永続的な瘢痕化、深刻な場合にはがんにつながる可能性があります。世界中で約7,100万人が感染し、毎年約40万人の死亡を引き起こしています。一方、治療法は利用可能ですが、HCV関連の感染症に対しては、高額で、入手が困難であり、再感染を防ぐこともできません。HCVの感染予防を可能にするワクチンは、満たされていない重要な医療・公衆衛生上のニーズです。
C型肝炎ワクチンがまだ存在しない大きな理由の一つは、科学者がまだ適切な抗原、つまり体内で防御的な免疫反応を引き起こすウイルスの部分を特定できていないことです。
数十年にわたる研究により、HCV E1E2は、ウイルス表面に存在する唯一のタンパク質であり、最も有望なワクチン候補として特定されています。しかし、そのタンパク質に基づくHCVワクチンの開発は、その形状に関する不確実性によって制約されています。免疫系がウイルスにどのように反応するかを解明するには、そのタンパク質の構造を知ることが不可欠です。
研究者は、形状を変えるウイルス上の単一のタンパク質の構造を、どのようにして捉えるのでしょうか？
私たちは、顕微鏡法とワクチン設計を専門とする研究者です。新しい技術により、私たちは分子レベルの詳細を可視化することができました。このつかみどころのないタンパク質について、このウイルスの仕組みに関する重要な知見を明らかにし、将来のワクチンの潜在的な設計図を提供しています。
以下は、私たちがどのようにそれを実現したかです。
形状を変えるウイルスを捉える際の課題
HCV E1E2タンパク質の構造を捉えることがこれほど難しい理由の一つは、それが柔軟で、かつ脆弱である。その形状は非常に頻繁に変化し、非常に壊れやすいため、精製することが困難です。
例えるなら、トマトソースにまみれたスパゲッティの入ったボウルを想像してください。次に、そのボウルが揺れている間に、同じ位置にある個々のスパゲッティ一本一本の写真を時間をかけて撮ろうとすることを想像してください。実行するのは難しいですよね？それが、E1E2タンパク質全体を画像化する際の状況でした。
また、技術的な障壁がありました。最近まで、利用可能な画像化技術は、微小なタンパク質を観察する能力に限界がありました。X線結晶構造解析は、例えば、HCVのように頻繁に変化し形状を変える分子を捉えることができません。さらに、他の選択肢、例えば核磁気共鳴分光法は、タンパク質の大きな部分の切断、またはその生理的状態を変化させ機能に影響を与える可能性のある化学的操作を必要としました。
そのため、E1E2の構造を調べるには、形状を変えるタンパク質全体を抽出・精製し、安定化させ、1つの構造に固定する方法が必要でした。
タンパク質の写真を撮る方法
クライオEM、すなわちクライオ電子顕微鏡法は、試料を極低温で観察する画像化技術の一種であり、この場合の温度は窒素の沸点、すなわち華氏マイナス320.8度（摂氏マイナス196度）です。それほど低い温度では、氷が結晶化する時間もないほど速く凍結します。これにより、目的のタンパク質の周囲に美しいガラス状の枠が形成され、すべての構造の詳細を妨げられずに観察できます。また、クライオEMでは、精製が必要なタンパク質の量が非常に少なくて済むため、必要な材料の量を減らすことができます。
クライオEMは、2017年ノーベル化学賞およびNature誌の2015年「今年の手法」賞の受賞者であり、ヒトの血液の水性環境において、天然のまたは自然な状態にある生体高分子を画像化するのに優れています。また、COVID-19ウイルスの構造およびその変異株の解明においても、極めて重要な役割を果たしました。
では、タンパク質の写真はどのように撮影するのでしょうか？
まず、E1E2をヒト細胞で作らせる遺伝暗号をシャーレ内に導入し、研究に十分な量のタンパク質を確保しました。タンパク質を精製した後、私たちはそれを液体エタンに投入し、続いて液体窒素に投入しました。液体エタンは、液体窒素よりも沸点が高いため、タンパク質を凍結させるために使用されます。これにより、熱をより多く吸収してから気体に変わるため、液体窒素中よりもはるかに速くタンパク質を凍結させることができ、構造的な損傷を回避できます。
タンパク質がガラス状の氷の状態で固化（ビトリフィケーション）すると、その全体構造を観察できただけでなく、形状を変える際にとる複数の個別の構造、安定性の低いものも含めて捉えることができました。
これで、タンパク質はクローズアップ撮影の準備が整いました。私たちは、焦点を絞った高エネルギーの電子ビームを用いる顕微鏡を用い、電子がタンパク質表面で跳ね返る様子を検出する非常に高性能なカメラを使用しました。これにより2D画像が作成され、それを数学的に3Dモデルへと変換しました。こうして、HCVの表面タンパク質の待望の「クローズアップ」を得ることができたのです。
次のステップは、タンパク質の構成要素であるアミノ酸一つひとつの3D空間内での位置を特定することでした。すべてのアミノ酸は固有の形状を持つため、3Dマップ上で各アミノ酸を識別できるコンピュータプログラムを使用しました。これにより、タンパク質の高解像度モデルを、構成要素を一つずつ手作業で再構築することができました。
HCVワクチン設計のための新しいツール
HCV E1E2タンパク質の3Dマップとモデルは、その構造を記述した従来の研究を裏付けるとともに、このウイルスに対する長年待ち望まれたワクチン設計への道を切り開くのに役立つ新たな知見を提供するものです。
例えば、私たちの構造解析により、タンパク質の2つの主要部分の界面が、糖と疎水性パッチ（水分子を押し出す領域）によって安定化されていることが明らかになりました。これにより、タンパク質に沿って粘着性の結合ハブが形成され、タンパク質が崩壊するのを防いでいます。これは、防御抗体や新薬が標的とする可能性のある部位です。
研究者は現在、HCV感染に対する抗ウイルス薬およびワクチンを設計するためのツールを手にしています。
世界経済フォーラムは、ヘルスケアの現状をどのように改善していますか？
健康・ヘルスケアセンターは、アクセス、公平性、レジリエンス、そして備えを含む、世界中の保健システムが直面する課題を理解するため、リーダーをつなぎます。
信頼性の高い対話と官民連携を通じて、センターはパートナーが共通の優先事項に沿って連携し、健康の成果を改善するための共同行動を推進することを可能にしています。
