致死率が高く、治療法も限られているエボラウイルス。この恐ろしい敵と戦うための新しい戦略は、ウイルスそのものではなく、私たちの細胞の中に隠された「協力者」を無力化することかもしれません。最先端のイメージング技術、遺伝子スクリーニング、そして機械学習を組み合わせることで、研究者たちはエボラウイルスの感染能力を変えてしまう、ヒトの細胞内の新たな因子を発見しました。
エボラウイルスの発生は稀ですが、その病状は重く、しばしば死に至るため、治療の選択肢はほとんどありません。ウイルス自体を標的とするのではなく、ウイルスが感染・増殖するために利用するヒトの宿主細胞内のタンパク質の働きを妨害するという治療法が有望視されています。しかし、既存の方法でウイルスの感染を制御する因子を見つけることは難しく、特にエボラのような最も危険なウイルスでは、厳格なバイオセーフティ対策が施された施設での実験が必要となるため、なおさら困難でした。
今回、ブロード研究所とボストン大学の米国新興感染症研究所の研究者たちは、ブロード研究所で開発された画像ベースのスクリーニング法を用いて、その働きを抑制するとエボラウイルスの感染能力を損なうヒトの遺伝子を特定しました。この手法はオプティカル・プール・スクリーニングとして知られ、これにより科学者たちは、CRISPR技術で遺伝子操作された約4000万個のヒト細胞を使い、ヒトゲノムの各遺伝子を抑制することがウイルスの複製にどう影響するかを検証することができたのです。
機械学習を用いた細胞画像の解析により、研究チームはエボラウイルス感染の様々な段階に関与する複数の宿主タンパク質を特定し、それらを抑制するとウイルスの複製能力が著しく低下することを発見しました。これらのウイルス制御因子は、いつの日か治療的に介入し、すでにウイルスに感染した人々の重症度を軽減するための道筋を示す可能性があります。このアプローチは、他の病原体による感染時の様々なタンパク質の役割を探求し、治療困難な感染症に対する新薬を発見するためにも利用できるでしょう。
この研究は2025年7月24日付の「Nature Microbiology」誌に掲載されました。論文のタイトルは「Single-Cell Image-Based Screens Identify Host Regulators of Ebola Virus Infection Dynamics（単一細胞画像ベースのスクリーニングがエボラウイルス感染動態の宿主制御因子を特定）」です。
「この研究は、エボラのような危険なウイルスが、そのライフサイクルの全段階で宿主因子に依存していることを調査し、人々の健康を改善するための新たな道を切り開くOPSの力を実証するものです」と、共同責任著者であるブロード研究所のコアメンバーでMIT生物工学科の教授でもあるポール・ブレイニー博士（Paul Blainey, PhD）は述べています。
以前、ブレイニー博士の研究室のメンバーは、一度に多数の細胞の詳細な変化を観察できるハイコンテントイメージングの利点と、遺伝的要素がこれらの変化にどう影響するかを示すプール型摂動スクリーニングの利点を組み合わせる方法として、OPSを開発しました。今回の研究では、ボストン大学のロバート・デービー博士（Robert Davey, PhD）の研究室と提携し、このOPSをエボラウイルスに応用しました。
研究チームはCRISPRを用いて、約4000万個のヒト細胞内でヒトゲノムの各遺伝子を一つずつノックアウトし、その後、各細胞にエボラウイルスを感染させました。次に、これらの細胞を実験皿に固定・不活化することで、残りの処理を高度封じ込め実験室の外で行えるようにしました。
細胞の画像を取得した後、画像解析ソフトウェア「CellProfiler」を用いて各細胞内のウイルス総タンパク質とRNAを測定し、さらに画像からより多くの情報を得るためにAIを活用しました。論文の共著者でありブロード研究所のコアメンバーでもあるキャロライン・ウーラー博士（Caroline Uhler, PhD）が率いるエリック＆ウェンディ・シュミット・センターのチームメンバーの協力のもと、深層学習モデルを用いて各単一細胞のエボラウイルス感染段階を自動的に決定しました。このモデルは、従来の方法では不可能だった、感染段階間の微妙な違いをハイスループットで識別することができました。
「この研究は、エボラウイルスがどのように細胞を再プログラムして病気を引き起こすかについての最も深い探求であり、その再プログラミングのタイミングを初めて垣間見せるものです」と、共同責任著者であり、ボストン大学の米国新興感染症研究所の所長で、BUチョバニアン＆アヴェディシアン医学部の微生物学教授でもあるデービー博士は語ります。「AIは、これを大規模に行うための前例のない能力を私たちに与えてくれました。」
4000万個すべての細胞のCRISPRガイドRNAの一部を個別にシークエンシングすることにより、研究者たちは各細胞でどのヒト遺伝子が抑制されたかを特定し、どの宿主タンパク質（潜在的なウイルス制御因子）が標的とされたかを示しました。解析の結果、抑制されると全体の感染レベルを変化させる数百の宿主タンパク質が明らかになり、その中にはウイルスが細胞に侵入するために必要なものが多く含まれていました。
他の遺伝子をノックアウトすると、ウイルスの工場として機能するためにヒト細胞内に形成される構造である封入体内のウイルス量が増加し、感染がそれ以上進行するのを防ぎました。これらのヒト遺伝子の一部、例えばUQCRBは、エボラウイルス感染過程におけるミトコンドリアのこれまで認識されていなかった役割を示唆しており、治療的に利用できる可能性があります。実際に、UQCRBの低分子阻害剤で細胞を処理したところ、細胞自身の健康に影響を与えることなくエボラウイルスの感染が減少しました。
また、別の遺伝子を抑制すると、ウイルスのRNAとタンパク質のバランスが変化しました。例えば、STRAPと呼ばれる遺伝子を摂動させると、タンパク質に対するウイルスRNAの量が増加しました。研究者たちは現在、STRAPや他のタンパク質がエボラウイルス感染において果たす役割をより深く理解し、それらが治療の標的となりうるかどうかを調べるため、研究室でさらなる研究を進めています。
一連の二次スクリーニングで、科学者たちは特定された遺伝子の一部が、関連するフィロウイルス感染においてどのような役割を果たすかを調査しました。これらの遺伝子の一部を抑制すると、致死率が高く承認された治療法がないスーダンウイルスやマールブルグウイルスの複製が妨げられたことから、単一の治療法が複数の関連ウイルスに対して有効である可能性が示唆されます。
この研究のアプローチは、他の病原体や新興感染症を調査し、それらを治療する新しい方法を探すためにも利用できる可能性があります。
「私たちの手法を使えば、一度に多くの特徴を測定し、ウイルスと宿主の相互作用に関する新たな手がかりを、他のスクリーニング手法では不可能な方法で明らかにすることができます」と、共同筆頭著者であり、ブロード研究所のブレイニー博士とニール・ハコーエン（Nir Hacohen）の研究室の元大学院生で、ボストン大学の共同筆頭著者J.J. パッテン（J.J. Patten）と共に本研究を主導したレベッカ・カールソン博士（Rebecca Carlson, PhD）は述べています。
この研究は、ブロード研究所、米国ヒトゲノム研究所、バローズ・ウェルカム基金、ファニー・アンド・ジョン・ハーツ財団、米国科学財団、ジョージ・F・キャリア博士研究員フェローシップ、ブロード研究所エリック＆ウェンディ・シュミット・センター、米国国立衛生研究所、米国海軍研究局から一部資金提供を受けています。
この記事は、ブロード研究所のリア・アイゼンシュタット氏が執筆したニュースリリースに基づいています。
