キャップスナッチング
キャップスナッチング（cap snatching）とは、インフルエンザウイルスをはじめとする一部の一本鎖マイナス鎖RNA（-ssRNA）ウイルスが、自身の遺伝子（RNA）からメッセンジャーRNA（mRNA）を合成する際に利用する、独特な転写開始メカニズムです。これらのウイルスは、自らのRNAゲノムには本来存在しない、宿主細胞のmRNAに由来する短いRNA断片を「盗み取り（スナッチング）」、これを自身のmRNA合成の出発点である「プライマー」として用います。この盗み取られる断片は、宿主mRNAの5'末端にある特徴的な「キャップ構造」を含む約10～20ヌクレオチドの長さを持つことが多いです。
この機構を採用する代表的なウイルスとしては、インフルエンザウイルス（オルソミクソウイルス科）のほか、ラッサウイルス（アレナウイルス科）、ハンターンウイルス（ハンタウイルス科）、リフトバレー熱ウイルス（フェニュイウイルス科）などが知られています。ウイルスによって、スナッチングするRNA断片の長さは多少異なり、多くのウイルスは15～20ヌクレオチドを利用しますが、アレナウイルス科や一部のオルソミクソウイルスはより短い断片を用いる傾向があります。
キャップスナッチングのプロセスは、一般的に以下の3つの段階を経て進行します。
1. 結合: ウイルスのRNA依存性RNAポリメラーゼ（RdRp）や特定のタンパク質（ハンタウイルスではNタンパク質など）が、宿主細胞mRNAの5'末端に存在するメチル化キャップ構造（cap-1またはcap-2）に結合します。
2. 切断: ウイルス由来のエンドヌクレアーゼ活性を持つ酵素が、キャップ構造から少し下流（約10～20ヌクレオチド離れた位置）の宿主mRNAを切断し、キャップを含む短いRNA断片を切り離します。
3. プライミング: 切り離されたキャップ付きRNA断片が、ウイルスRdRpによるウイルスmRNA合成のためのプライマーとして機能し、そこからウイルスのRNA配列に対応する新たな鎖の合成が開始されます。
インフルエンザウイルスにおける詳細な機構
インフルエンザウイルス、特にA型インフルエンザウイルスでのキャップスナッチングは最もよく研究されています。インフルエンザウイルスのRdRpは、PA、PB1、PB2という3つのサブユニットから構成されます。まず、PB1サブユニットがウイルスのゲノムRNA（vRNA）の5'末端に結合し、これによってPB2が活性化され、vRNAの3'末端と5'末端が近づいて二本鎖領域が形成されます。次に、PB2サブユニットが宿主細胞mRNAのN7-メチルグアノシン（m7G）キャップ構造に特異的に結合します。その後、PAサブユニットのN末端に存在するエンドヌクレアーゼ活性により、キャップ構造から下流10～13ヌクレオチドの長さの配列が切り取られます。正確な切断位置は、RdRp内のPB2とPAサブユニット間の距離や宿主mRNAの配列によって影響を受けます。切り取られたキャップ付きRNAプライマーは、PB1サブユニット内のトンネルを通って転写開始位置に運ばれ、vRNAを鋳型としたウイルスmRNAの合成がプライミングされます。転写は通常、キャップ付きプライマーの3'末端にあるGまたはC残基から開始されます。PB1サブユニットが5'から3'方向へ鎖を伸ばしていく過程でキャップは放出されますが、vRNAの5'末端はRdRpに結合したまま維持されます。転写が終了する際には、vRNAの3'末端にあるU配列でのRdRpの動き（スタッタリング）によって、ウイルスmRNAの3'末端にポリAテールが付加されます。こうして合成されたウイルスmRNAは、宿主細胞のmRNAと似た構造を持つため、細胞内の機構を利用して効率的に翻訳や細胞質への輸送が行われます。
このキャップスナッチングの結果、宿主細胞のmRNAは5'キャップを失い、分解されやすくなります。これにより、細胞全体のmRNA量が減少し、宿主の遺伝子発現が抑制されることになります。さらに、インフルエンザウイルスのRdRpは、宿主RNAポリメラーゼII（Pol II）とも相互作用し、Pol IIの存在量を減らすことで、宿主の転写を積極的に阻害することも示唆されています。
興味深いことに、ウイルスのゲノムRNAを複製する際には、キャップスナッチング機構は利用されません。複製時には、「prime and realign（プライム・アンド・リアライン）」と呼ばれる別の機構が用いられます。この機構では、ウイルスのRNA内部から合成が始まり、合成された短い鎖がその後ウイルスのRNA末端に移動（再配置）して、ゲノム全長にわたる複製が続けられます。
分子構造レベルでは、インフルエンザウイルスのPB2サブユニットにあるキャップ結合ドメインは独特な形状をしていますが、他の多くのキャップ結合タンパク質と同様に、芳香環のアミノ酸のスタッキング（積み重ね）によってm7Gキャップに結合します。PAサブユニットのエンドヌクレアーゼはPD(D/E)XK型ヌクレアーゼファミリーに属し、二価の金属イオン（特にMn2+）を触媒として核酸を切断します。その活性部位には、Mn2+イオンを結合するための特徴的なヒスチジン残基が存在します。
関連する治療法
このキャップスナッチング機構は、抗ウイルス薬のターゲットとなり得ます。2018年に承認されたインフルエンザ治療薬であるバロキサビル マルボキシル（ゾフルーザ）は、インフルエンザウイルスのPAサブユニットが持つエンドヌクレアーゼ活性を特異的に阻害します。これにより、キャップスナッチングによる転写開始がブロックされ、ウイルスの増殖を抑制します。バロキサビルは、A型およびB型インフルエンザウイルスの両方に有効です。
ブニヤウイルス目における機構
ブニヤウイルス目のウイルスも分節型の-ssRNAウイルスであり、キャップスナッチングを行います。彼らのエンドヌクレアーゼ活性は、より大きなLタンパク質のN末端に位置することが確認されています。このN末端ドメインは、ブニヤウイルス目の様々な科で類似性が高く、進化的な関連性を示唆しています。例えば、ラッサウイルス（アレナウイルス科）では、Lタンパク質のエンドヌクレアーゼに加えて、NPタンパク質にもヌクレアーゼ活性が存在することが報告されており、キャップスナッチングにおいてLタンパク質と協調して機能する可能性が提唱されています。ハンタウイルスでも同様の2ドメインモデルが示唆されています。
特にハンタウイルス（ハンタウイルス科）では、Nタンパク質が宿主mRNAの5'キャップに結合し、細胞内の分解機構から保護する役割を担っていることが示されています。Nタンパク質は細胞質のP-bodyと呼ばれる構造に集まり、キャップ付きmRNAを隔離・保護することで、RdRpがウイルスmRNA合成を開始する際に利用可能な「キャップの貯蔵庫」として機能していると考えられています。ハンタウイルスは、宿主mRNAを特定の部位（通常、キャップから約14ヌクレオチド下流のG残基）で選択的に切断します。また、活発に翻訳されているmRNAよりも、ナンセンス変異導入による分解経路（NMD）の標的となるような品質管理の対象となっているmRNAのキャップを優先的に利用する傾向があることも報告されています。ハンタウイルス科のRdRpも、インフルエンザと同様に複製には「prime and realign」機構を利用します。宿主由来のオリゴヌクレオチドをプライマーとして転写を開始し、合成された短い鎖をvRNAの末端配列上で再配置させて伸長を継続します。
キャップスナッチングは、ウイルスが宿主細胞の翻訳機構を乗っ取るための巧妙な戦略の一つであり、ウイルス複製における重要なステップであると共に、抗ウイルス薬開発の有効な標的となっています。
この機構を採用する代表的なウイルスとしては、インフルエンザウイルス（オルソミクソウイルス科）のほか、ラッサウイルス（アレナウイルス科）、ハンターンウイルス（ハンタウイルス科）、リフトバレー熱ウイルス（フェニュイウイルス科）などが知られています。ウイルスによって、スナッチングするRNA断片の長さは多少異なり、多くのウイルスは15～20ヌクレオチドを利用しますが、アレナウイルス科や一部のオルソミクソウイルスはより短い断片を用いる傾向があります。
キャップスナッチングのプロセスは、一般的に以下の3つの段階を経て進行します。
1. 結合: ウイルスのRNA依存性RNAポリメラーゼ（RdRp）や特定のタンパク質（ハンタウイルスではNタンパク質など）が、宿主細胞mRNAの5'末端に存在するメチル化キャップ構造（cap-1またはcap-2）に結合します。
2. 切断: ウイルス由来のエンドヌクレアーゼ活性を持つ酵素が、キャップ構造から少し下流（約10～20ヌクレオチド離れた位置）の宿主mRNAを切断し、キャップを含む短いRNA断片を切り離します。
3. プライミング: 切り離されたキャップ付きRNA断片が、ウイルスRdRpによるウイルスmRNA合成のためのプライマーとして機能し、そこからウイルスのRNA配列に対応する新たな鎖の合成が開始されます。
インフルエンザウイルスにおける詳細な機構
インフルエンザウイルス、特にA型インフルエンザウイルスでのキャップスナッチングは最もよく研究されています。インフルエンザウイルスのRdRpは、PA、PB1、PB2という3つのサブユニットから構成されます。まず、PB1サブユニットがウイルスのゲノムRNA（vRNA）の5'末端に結合し、これによってPB2が活性化され、vRNAの3'末端と5'末端が近づいて二本鎖領域が形成されます。次に、PB2サブユニットが宿主細胞mRNAのN7-メチルグアノシン（m7G）キャップ構造に特異的に結合します。その後、PAサブユニットのN末端に存在するエンドヌクレアーゼ活性により、キャップ構造から下流10～13ヌクレオチドの長さの配列が切り取られます。正確な切断位置は、RdRp内のPB2とPAサブユニット間の距離や宿主mRNAの配列によって影響を受けます。切り取られたキャップ付きRNAプライマーは、PB1サブユニット内のトンネルを通って転写開始位置に運ばれ、vRNAを鋳型としたウイルスmRNAの合成がプライミングされます。転写は通常、キャップ付きプライマーの3'末端にあるGまたはC残基から開始されます。PB1サブユニットが5'から3'方向へ鎖を伸ばしていく過程でキャップは放出されますが、vRNAの5'末端はRdRpに結合したまま維持されます。転写が終了する際には、vRNAの3'末端にあるU配列でのRdRpの動き（スタッタリング）によって、ウイルスmRNAの3'末端にポリAテールが付加されます。こうして合成されたウイルスmRNAは、宿主細胞のmRNAと似た構造を持つため、細胞内の機構を利用して効率的に翻訳や細胞質への輸送が行われます。
このキャップスナッチングの結果、宿主細胞のmRNAは5'キャップを失い、分解されやすくなります。これにより、細胞全体のmRNA量が減少し、宿主の遺伝子発現が抑制されることになります。さらに、インフルエンザウイルスのRdRpは、宿主RNAポリメラーゼII（Pol II）とも相互作用し、Pol IIの存在量を減らすことで、宿主の転写を積極的に阻害することも示唆されています。
興味深いことに、ウイルスのゲノムRNAを複製する際には、キャップスナッチング機構は利用されません。複製時には、「prime and realign（プライム・アンド・リアライン）」と呼ばれる別の機構が用いられます。この機構では、ウイルスのRNA内部から合成が始まり、合成された短い鎖がその後ウイルスのRNA末端に移動（再配置）して、ゲノム全長にわたる複製が続けられます。
分子構造レベルでは、インフルエンザウイルスのPB2サブユニットにあるキャップ結合ドメインは独特な形状をしていますが、他の多くのキャップ結合タンパク質と同様に、芳香環のアミノ酸のスタッキング（積み重ね）によってm7Gキャップに結合します。PAサブユニットのエンドヌクレアーゼはPD(D/E)XK型ヌクレアーゼファミリーに属し、二価の金属イオン（特にMn2+）を触媒として核酸を切断します。その活性部位には、Mn2+イオンを結合するための特徴的なヒスチジン残基が存在します。
関連する治療法
このキャップスナッチング機構は、抗ウイルス薬のターゲットとなり得ます。2018年に承認されたインフルエンザ治療薬であるバロキサビル マルボキシル（ゾフルーザ）は、インフルエンザウイルスのPAサブユニットが持つエンドヌクレアーゼ活性を特異的に阻害します。これにより、キャップスナッチングによる転写開始がブロックされ、ウイルスの増殖を抑制します。バロキサビルは、A型およびB型インフルエンザウイルスの両方に有効です。
ブニヤウイルス目における機構
ブニヤウイルス目のウイルスも分節型の-ssRNAウイルスであり、キャップスナッチングを行います。彼らのエンドヌクレアーゼ活性は、より大きなLタンパク質のN末端に位置することが確認されています。このN末端ドメインは、ブニヤウイルス目の様々な科で類似性が高く、進化的な関連性を示唆しています。例えば、ラッサウイルス（アレナウイルス科）では、Lタンパク質のエンドヌクレアーゼに加えて、NPタンパク質にもヌクレアーゼ活性が存在することが報告されており、キャップスナッチングにおいてLタンパク質と協調して機能する可能性が提唱されています。ハンタウイルスでも同様の2ドメインモデルが示唆されています。
特にハンタウイルス（ハンタウイルス科）では、Nタンパク質が宿主mRNAの5'キャップに結合し、細胞内の分解機構から保護する役割を担っていることが示されています。Nタンパク質は細胞質のP-bodyと呼ばれる構造に集まり、キャップ付きmRNAを隔離・保護することで、RdRpがウイルスmRNA合成を開始する際に利用可能な「キャップの貯蔵庫」として機能していると考えられています。ハンタウイルスは、宿主mRNAを特定の部位（通常、キャップから約14ヌクレオチド下流のG残基）で選択的に切断します。また、活発に翻訳されているmRNAよりも、ナンセンス変異導入による分解経路（NMD）の標的となるような品質管理の対象となっているmRNAのキャップを優先的に利用する傾向があることも報告されています。ハンタウイルス科のRdRpも、インフルエンザと同様に複製には「prime and realign」機構を利用します。宿主由来のオリゴヌクレオチドをプライマーとして転写を開始し、合成された短い鎖をvRNAの末端配列上で再配置させて伸長を継続します。
キャップスナッチングは、ウイルスが宿主細胞の翻訳機構を乗っ取るための巧妙な戦略の一つであり、ウイルス複製における重要なステップであると共に、抗ウイルス薬開発の有効な標的となっています。
もう一度検索
【記事の利用について】
タイトルと記事文章は、記事のあるページにリンクを張っていただければ、無料で利用できます。
※画像は、利用できませんのでご注意ください。
【リンクついて】
リンクフリーです。