- Hameedi, M.A., et al. (2022) Structural and functional characterization of NEMO cleavage by SARS–CoV-2 3CLpro. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-022-32922-9.
この説は、エネルギー省のオークリッジ国立研究所の研究者チームが2年前に提唱したものである。
パンデミックの最中、ORNLのシステム生物学者Dan Jacobsonと彼のチームはORNLのスーパーコンピューターSummitを使って、COVID-19患者の肺細胞の遺伝子発現データを解析した。その結果、血圧、体液バランス、炎症を制御する体内システムのいくつかに関連する遺伝子が、ウイルス感染者の肺細胞で過剰に制御されない、または損なわれているように見えることが示唆さ れた。研究チームは、『eLife』誌に掲載された論文の中で、血管を拡張し透過性を高める化合物であるブラジキニンの過剰産生が、肺への過剰な体液蓄積、疲労、吐き気、認知機能低下といったCOVID-19症状の原因である可能性を予測している。
この理論は、ORNLのバイオサイエンス、計算科学・工学、中性子散乱部門のジェイコブソン教授と、スタンフォード大学SLAC国立加速器研究所の若槻壮市教授（光子科学）が共同で行った新しい研究によって、さらに裏付けられた。若槻教授のチームは、ウイルスの主要なプロテアーゼである3CLproがNF-κB Essential Modulator（NEMO）に結合することを実験的に証明することができた。NEMOが切断されると、感染に対する免疫系の反応を制御するタンパク質複合体であるNF-κBが制御不能になり、その制御不能が、ORNLチームの病原体モデルが予測したように、ブラジキニンストームの一因となる可能性があるのだ。
「これは、様々な角度から行われた多くの研究の集大成です」とジェイコブソン教授は述べている。「私たちは計算システム生物学のグループであり、これまでの研究は大規模なデータ解析に基づいていました。今回の研究では、計算機による研究をウェットラボで行い、酵素活性と構造的相互作用を確認するための新しいデータセットを作成しました。これまでの研究で予測されていたことがすべて事実であることが確認されたのですから、非常に感激しています」。
SLACでは、若槻教授のチームが、ORNLの上級科学者アンドレイ・コバレフスキーが作製したviral3CLproタンパク質とペプチドを用いて、NEMOの切断部位を表現することに成功した。そして、X線結晶構造解析により、両者の構造的相互作用を明らかにした。さらに、ORNLの元研究員Stephanie Galanieが率いるORNLのチームは、3CLproが生理的に適切な濃度でNEMOを切断できることを生化学的に示すことに成功した。
現在では、原子レベルの証拠と生化学によって、3CLproは我々が期待したとおりに結合し、切断するという仮説が確認されています」。
ダン・ジェイコブソン、ORNLシステムバイオロジスト
このORNLとSLACのラボ横断的な共同研究は、2020年のコロナウイルス支援・救済・経済安全保障法から資金提供を受けたDOEプログラム、National Virtual Biotechnology Laboratory（NVBL）を通じて実現したもので、COVID-19との戦いで国立ラボを奨励するものでした。若槻とジェイコブソンの出会いは、ジェイコブソンがNVBLのバーチャルセッションで、ブラジキニンストーム理論を構造生物学的実験で証明するための協力者を募集したことがきっかけだった。
そして、ある会合で壮市が「そうだ、やろう」と言ったのです。そして今、インパクトのある論文に仕上がっています。これは、NVBLが国立研究所と共同で行ったアプローチの成果であり、今後も継続していきたいと思います」とジェイコブソン氏は語った。
この取り組みの一環として、ORNLの計算システム生物学者Erica Prates（当時は博士研究員、現在はバイオサイエンス部門の初期キャリアスタッフ）が、Omar Demerdash、Julie Mitchell、Stephan Irleを含むチームをコーディネートした。彼らは、量子力学と機械学習の両方の手法を用いて、ヒトや他の種におけるNEMOと3CLproの結合親和性を調べ、他のコロナウイルスの配列から得られた構造モデルを考慮しながら、Summitの大規模な分子動力学研究を実施した。
「エリカは、システム生物学と構造生物学の分野で計算機による研究を橋渡しする、構造システム生物学と呼ばれる分野で重要な役割を担っています」とジェイコブソン教授は述べている。
このチームの研究は、動物由来の人間の病気である人獣共通感染症など、さまざまなウイルスが異なる宿主種に及ぼす影響についての理解を深めることに役立つだろう。このような知識は、次のパンデミックを予測したり、予防したりする努力に不可欠なものである。
「私たちのCOVID研究は継続していますが、私たちの焦点の大部分はパンデミック予防に移っています」とジェイコブソンは語る。「我々は、動的な予防と、例えば、気候変動の影響と、それらがどのように新しい人獣共通感染症の波及を促進しているかを理解しようとすることに本当に焦点を当てた研究のために、他の多くの研究機関と共同で得た新しい資金を持っています。」とジェイコブソンは言った。
ジェイコブソンと彼の同僚達は、ジョンズ・ホプキンス大学、コーネル大学、その他の大学と提携して、ウイルスタンパク質と宿主タンパク質間の相互作用を分析するための幅広いフィールド研究とアッセイを実施し、全種類にわたるウイルス予測を行うための計算モデルに必要なデータセットを作成している。
「ウイルスが、ある種の生物種では非病原性で幸せに暮らしていたのに、人獣共通感染症が発生すると病原体になるのはなぜなのか？どのようにして、異なる宿主種の間を飛び回り、ヒトに当たるまで非病原性でいられるのでしょうか？とジェイコブソンは述べた。「人獣共通感染症の背後にある規則は、非常によく理解されていません。我々は、これらの波及現象をもたらす環境中の変数を理解するための予測モデルを構築している、本当にエキサイティングな研究を進めています。
このチームの研究は、ORNLのLaboratory Directed Research and Development Programからも一部資金援助を受けており、COVID-19病理学の動物モデルにおけるNEMO開裂の概念的作業をサポートしています。この研究は、ORNL にあるオークリッジリーダーシップコンピューティング施設、スパレーション中性子源、高フラックス同位体炉、SLAC のスタンフォード放射光光源などの DOE Office of Science ユーザー施設を使用した。
ヒト病原体概念化のための資金は、米国国立衛生研究所からの助成金によって提供さ れた。