たった一つの感染がパンデミックの進路を変えたかもしれない

COVID-19のウイルスは、感染したそれぞれの体内で変化する可能性があります。より致死性が高く、より感染力が強く、あるいは私たち皆が大きな期待を寄せているワクチンへの耐性が強くなる可能性があります。幸いなことに、SARS-CoV-2の生物学的特性上、こうした変化はゆっくりと起こり、ほとんどの場合、流行には至りません。

しかし、パンデミックと同様に、変異は数のゲームです。新たな感染者が一人増えるごとに、ウイルスが新たな形態をとる機会が生まれます。SARS-CoV-2はこれまでに世界中で少なくとも1億600万人に感染し、数千もの変異を起こしています。これらの変化のほとんどはゆっくりと進行し、取るに足らないものです。進化の行き止まりであり、誰もその存在に気づくことはないでしょう。しかし、一部の人々にとっては、ウイルスは大当たりを出します。

2020年9月にケントで起こったのは、まさにそれだったようです。通常、SARS-CoV-2はゆっくりと変異します。約3万文字からなるウイルスゲノムにおいて、一文字ずつ変化していく様子を観察することができます。しかし、英国変異株は、一回の大きな変化で、そのうち17個の変化を獲得しました。そのうち8個は、ウイルスがヒト細胞に付着して侵入するために使用するフックであるスパイクタンパク質をコードする遺伝子に発生しました。SARS-CoV-2のゲノムが3万文字の詩だとすると、英国変異株は最初の行を書き換え、その過程でその意味を劇的に変化させたのです。

英国変異株の出現は、科学者たちに喫緊の課題を突きつけた。ウイルスはどのようにして、一見何の前触れもなく、このような遺伝的飛躍を遂げたのだろうか？ 有力な仮説は、たった一人の人間がSARS-CoV-2ウイルスに長期間感染したため、新たな変異株が、より感染力の高い新たな形態へと進化したというものだ。この人間圧力鍋から、新たな変異株が突如出現し、世界は慌てて対応に追われた。国境は閉鎖され、各国は再びロックダウンされ、ワクチンの再試験が行われた。

しかし、英国で発生した変異株に与えられた学名であるB.1.1.7の蔓延を食い止めるには、これら全てが不十分でした。この新たな変異株は現在75カ国で確認されており、ブラジル、カナダ、中国、米国、そしてヨーロッパの大部分で地域的に広がっています。他のコロナウイルス変異株よりも最大70%も感染力が高いB.1.1.7は、現在イングランドにおける新規感染者の大半を占めています。1月22日、英国の最高科学責任者であるパトリック・ヴァランスは、新たな懸念事項を発表しました。予備データによると、この新たな変異株の致死率は他の変異株よりも30%高い可能性があるということです。

慢性感染は稀な事象ですが、ウイルスが感染できる十分な数の宿主を獲得する可能性があり、こうした稀な事象はほぼ確実に発生します。現在、懸念される新たな変異株が世界各地で蔓延する中、科学者たちは慢性感染が新たな変異株の出現にどのような役割を果たし、次の変異株が定着する前にどのように阻止できるかを解明しようと、奔走しています。

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SARS-CoV-2は、歴史上最も監視されているウイルスかもしれない。ウイルス学者の張永振とエドワード・ホームズがウイルスの全ゲノム配列を発表してから13ヶ月で、36万個以上のSARS-CoV-2ゲノムが解読され、ウイルスゲノム共有プラットフォームであるGISAIDにアップロードされた。これらのゲノムのほぼ半分は英国から提供されたもので、英国はCOVID-19の陽性検査の約10%をゲノム配列解析しており、新たな変異株の検出において炭鉱のカナリアのような存在となっている。

B.1.1.7が示したように、変異株の検出速度はパンデミックの次の段階で鍵となるが、ゲノム監視ではウイルスがどのように変化しているかを部分的にしか把握できない。英国で最初の変異株は9月20日にケントで発見され、その翌日にはグレーター・ロンドンのサンプルで別の変異株が見つかった。ゲノムデータベースに新しい変異株が出現しただけでは、ウイルスの今後の動向について多くはわからない。「それは毎週何千ものゲノムの中のたった1つに過ぎない。必ずしも目立つとは限らない」と、オックスフォード大学の進化・感染症教授オリバー・パイバス氏は言う。SARS-CoV-2の新しい変異株は常に生成されているが、その大部分はまったく行き着かない。

ケント州でのロックダウン措置が失敗していることが明らかになったときに初めて、イングランド公衆衛生局（PHE）は、アウトブレイクの原因が新しい変異株であることを認識しました。12月の第1週までには、新しい変異株が英国の特定の地域で急速に優勢な変異株になっていることは明らかでした。イングランド公衆衛生局のアウトブレイクに関する最初の報告書で特定された新しい変異株の症例915件のうち、9月に4件、10月に79件が記録されました。11月には828件でした。陽性症例のデータは、保健当局に新しい変異株の挙動に関する重要な手がかりを与えました。それは、既存の変異株よりも容易に伝染するようだということです。しかし、データからは新しい変異株がどこから来たのかは説明できませんでした。17の重要な遺伝子変化を伴う英国の変異株の出現は、コロナウイルスの進化に関する私たちの知識の論理に反しているように思われました。

進化論的に言えば、Sars-CoV-2は遺伝的に遅いウイルスだ。ウイルスは自身のコピーを作る際に遺伝コードの小さなエラーを拾って変異するが、コロナウイルスはこのコピープロセスをより正確にする特別な技術を進化させている。コロナウイルスはRNAの間違いを見つけて修正するタンパク質を持っており、ゲノムに蓄積されるエラーの数を遅らせる。Sars-CoV-2は月に1つか2つの変異を起こす傾向があり、インフルエンザやポリオよりは遅いが、麻疹よりは速い。「9月に突然、17個の［変化］を持つ［変異株］が出現したのは異例だった」と、ミシガン大学医学部の准教授で、Sars-CoV-2などのRNAウイルスの進化を研究しているアダム・ローリング氏は言う。「何か異常なことが起こったことを示唆している。」

一つの変異株が定着し、アウトブレイクの支配株となる可能性は極めて低い。SARS-CoV-2ウイルスは感染後数日以内に複製を開始し、遺伝的に異なる多数のウイルスを生成するが、これらの変異株のほとんどは、宿主の体内に存在するSARS-CoV-2ウイルス全体の大部分を占めるまでには成長しない。「それらのほとんどは行き止まりです」とローリング氏は言う。「どこにも行き着きません。体内で死滅し、私たちがその存在に気づくことはありません。」

ウイルスが変異する場合、変化をゆっくりと捉える傾向があるため、遺伝疫学者は新しい系統の出現をリアルタイムで観察することができます。英国で確認された変異株の特徴は、2つの起源の可能性を示唆しています。ウイルスが海外で変異し、英国に持ち込まれて初めて検出されたか、多くの変化が1人の人間の中で起こったかのいずれかです。ほとんどの国では英国のような高度なゲノム監視体制が整っていないため、この変異株がケント州で発生したのか、それとも初めて検出されたのかを断定することは不可能です。しかし、新しい変異株の影響を受けたほとんどの国は英国との強い渡航歴があるため、英国が起源国である可能性を示唆しているとピバス氏は述べています。

3つ目の可能性は、変異株が組み換えと呼ばれる現象によって出現したというものです。ウイルスはゲノムの一部を類似の系統に属する他のウイルスと交換することで、一連の変異を一度に引き起こすことがあります。しかし、進化生物学者は、英国で祖先株が融合して英国変異株が生まれたという証拠をまだ見ていません。そのため、残る有力な仮説は、英国変異株がたった1人の人間から出現したというものです。

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感染者のほとんどにとって、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の症状は2週間続きます。軽症の場合、症状が初めて現れてから10日後には通常、検査で陰性になります。重症の場合、最初の症状が現れてから最大20日間、ウイルスを拡散させ続ける可能性があります。運の悪い一部の患者の場合、COVID-19の感染ははるかに長く続きます。

数ヶ月以上続く慢性COVID-19感染症の症例が複数記録されています。ミシガン大学の同僚と共同で、ローリング氏は、少なくとも119日間複製ウイルスを保有していた男性の感染を記録しました。患者の感染期間中に採取されたウイルスサンプルのゲノムを解析することで、ローリング氏はウイルスが着実に遺伝的変化を蓄積していく様子を観察することができました。これは、SARS-CoV2-2が世界中の人々の中でどのように変異するかを示す縮図ですが、今回はすべてが1人のヒト宿主内で起こっています。

人体内で異常に長期間潜伏できるウイルスは、SARS-CoV-2だけではありません。エボラウイルスのRNAは、ウイルスから回復した男性の精液から1年後にも検出されています。ノロウイルス（嘔吐と下痢を引き起こす一般的な胃腸炎）に感染した人の中には、6ヶ月以上も感染状態が続く人もいます。英国では、感染性ポリオウイルスを少なくとも28年間排出していた男性がいます。この男性は変異ウイルスを長期間排出していたため、彼の感染について論文を執筆した研究者たちは、彼をはじめとする慢性的なウイルス排出者は「[ポリオ]根絶計画にとって明らかなリスク」をもたらすと述べています。

慢性感染者には共通点があります。それは、免疫システムが何らかの形で弱体化し、感染を完全に排除することが不可能になっていることです。ローリング氏が研究した男性はリンパ節癌の化学療法を受けており、そのことが新たなウイルスに反応する免疫細胞の生成を阻害していたと考えられます。少なくとも28年間ポリオウイルスを排出していたこの男性は、多型性免疫不全症と呼ばれる疾患を患っていました。この疾患は血液中の抗体の数を減少させ、体が感染症と戦うのを困難にします。

免疫力が低下している人は、SARS-CoV-2のようなウイルスにとって特別な環境を提供します。免疫力が低下した人は、感染を迅速に排除する代わりに、部分的にしか排除できず、遺伝的に耐性のあるウイルス集団を残し、それが再び増殖し、同じサイクルを繰り返す可能性があります。このような人の中では、ウイルスは驚くべき速さで進化する可能性があります。「彼らの免疫システムは、その間ずっと（ウイルスを）効果的に打ち負かしています。そのため、ウイルスは人間の免疫システムと共存する方法を学ぶ機会を得ているのです」と、スイスのベルン大学の博士研究員で、SARS-CoV-2などの病原体の遺伝的変化を追跡するオープンソースプロジェクト「Nextstrain」に取り組んでいるエマ・ホドクロフト氏は述べています。

これは世界規模で起こっていることと似ています。自然淘汰によってゆっくりとウイルスは感染しやすくなったり、免疫反応に耐性を持つようになったりするかもしれませんが、人間の体という過酷な環境下では、こうした変化が加速する可能性があります。ケンブリッジ大学の臨床微生物学教授であるラヴィ・グプタ氏は、化学療法を受け、死亡するまで102日間にわたりウイルスに慢性感染していたリンパ腫の男性におけるSARS-CoV-2の進化を研究しました。

男性は新型コロナウイルス感染症から回復した患者の血漿を投与された後、発症63日目に体内のSARS-CoV-2ウイルスの遺伝子構造が変化し始めました。82日目には、スパイク遺伝子の6文字が欠失したウイルスが優勢な集団となりました。この欠失（ΔH69/V70Δ）は、ウイルスが宿主細胞に侵入しやすくなるため、B.1.1.7変異株の感染拡大の一因にもなっているようです。同じ変異は、サンクトペテルブルクの病院に入院し、4ヶ月以上にわたり罹患している別の慢性感染患者、47歳の女性にも確認されています。

グプタ氏らが研究対象としたヒトの体内では、ウイルス集団の構成が変化し続けた。86日目には、ΔH69/V70Δ集団は、スパイク遺伝子に異なる変異を持つSARS-CoV-2のサブセットに取って代わられた。1週間後、これらの以前の集団はほとんど見られなくなり、新たな変異株が最も多く存在する株となった。

グプタ氏にとって、この遺伝子の綱引きこそが、英国変異株の出現の有力な説明となるだろう。「人体内で生物学的に何が起こっているかが、おそらくこの説明になるだろう。なぜなら、非常に異なる淘汰圧が働いているからだ」と彼は言う。SARS-CoV-2は比較的速く細胞に感染するため、ほとんどの場合、宿主に入り込み、複製した後、急速に他の個体に感染する。そのため、ウイルスが多くの遺伝子変化を獲得する時間はほとんど残されていない。免疫不全状態の人の体内にウイルスが侵入すると、その人の体は常にウイルスに進化圧力をかけ続け、新たな、そして場合によってはより感染力の高い形態へと進化するよう促される。

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英国変異株がどのように出現したかは確実には分からないかもしれないが、慢性疾患を抱える患者の中でウイルスがどのように変異するかを追跡・理解するために、より多くの研究ができるはずだ。「理想的な状況であれば、誰が長期間ウイルスを排出しているかを把握し、その遺伝子配列を解析して何が起こっているのかを突き止めることができるでしょう」とグプタ氏は言う。それは、回復期血漿の使用を、重度の免疫抑制状態にある患者を隔離・監視できる場合にのみ制限することを意味するかもしれない。グプタ氏の研究では、回復期血漿はウイルスの変異を促進すると考えられていた。

しかし、真の問題は慢性感染ではなく、パンデミックが制御不能な状態にあり、ウイルスが新たな変異株へと変異する機会が尽きないという状況です。これは、英国をはじめとする、感染率が危険なほど高い数十カ国で現実となっています。「これらはすべてエッジケースですが、長期間にわたり十分な数の感染者がいると、エッジケースに陥るリスクがあります」とホドクロフト氏は言います。ブラジル、南アフリカ、英国で発生した、最も懸念される新たな変異株のいくつかが、感染率が比較的高い地域から発生したことは驚くべきことではありません。「数百万人が感染し、それぞれに数百万個のウイルスが複製されている場合、ウイルスが新たな変異や組み合わせを模索する機会は数多くあります」とローリング氏は言います。「もし私たちがウイルスを制御できていれば、これほど多くの変異株が出現することはなかったでしょう。なぜなら、進化が起こる機会もそれほど多くないからです。」

新たな変異株の出現を阻止するには、感染拡大を阻止する効果が分かっている対策をさらに強化する必要があります。例えば、マスクの着用、ソーシャルディスタンスの確保、在宅勤務、感染経路の追跡などです。イスラエルのデータは、ワクチンが入院や感染拡大を阻止する強力な手段であることを示していますが、ワクチンだけでは新たな変異株の出現を防ぐことはできません。疫学者たちは、広範な感染拡大とワクチン接種が不十分な集団が組み合わさることで、SARS-CoV-2がワクチンの効かない変異を獲得する可能性があることを懸念しています。

我々の味方と言えるのがゲノム配列解析だ。英国で変異株が確認されてから数週間のうちに、グプタ氏らは、その遺伝子変異がスパイクタンパク質をHIV粒子に結合させることで感染力を高めたことを実証した。そして、改変されたウイルスがヒト細胞にどれほど感染力を高めたかを測定することができた。ワクチンが新たな変異株に対してどれほど効果的かを検証する試験も、猛烈なスピードで結果を発表している。「通常の状況下での科学の進歩のスピードと比べると、これは驚異的です」と、ウェルカム・サンガー研究所のCOVID-19ゲノミクス・イニシアチブ所長、ジェフリー・バレット氏は語る。

1月中旬、ゲノム監視により、英国で発生した変異ウイルスの一部に新たな懸念すべき変異が見つかりました。それはE484Kと呼ばれる変異で、南アフリカの変異ウイルスにも見られ、ウイルスが体内の免疫系を回避するのに役立ちます。ワクチン接種や感染によってSARS-CoV-2に対する免疫力が高まるにつれ、ウイルスは感染と拡散を継続するための新たな適応を迫られます。私たちはウイルスの進化をリアルタイムで観察していますが、観察するだけでは不十分です。「ウイルスが新たな安定した形態に変異する機会をこれ以上与え続けるわけにはいきません」とバレット氏は言います。「感染拡大を真に抑制するまで、現在の制限を維持することが非常に重要です。」

2021年2月11日13時15分（GMT）更新：この記事の以前のバージョンでは、「HIV細胞」という表現が誤っていました。修正されました。

マット・レイノルズはWIREDの科学編集者です。@mattsreynolds1からツイートしています。

この記事はWIRED UKで最初に公開されました。