オミクロン変異株には、ウイルスまたはヒトのゲノムに由来すると思われる独自の挿入変異がある

2021年12月7日 10:01

（論文タイトル）
Omicron variant of SARS-CoV-2 harbors a unique insertion mutation of putative viral or human genomic origin
SARS-CoV-2 のオミクロン変異体には、ウイルスまたはヒトのゲノムに由来すると思われる独自の挿入変異がある

A.J. Venkatakrishnan 1 , Praveen Anand 2 , Patrick J. Lenehan 1 , Rohit Suratekar 2 , Bharathwaj Raghunathan 3 , Michiel J. M. Niesen 1 , Venky Soundararajan 1,2,3 * 1 nference, Cambridge, Massachusetts 02139, USA nference labs, Bengaluru, Karnataka 560017, India 3 nference, Toronto, ON M5V 1M1, Canada *Correspondence to: Venky Soundarajan (venky@nference.net) 2

【解説】
オミクロン変異株には50箇所以上の変異が有ると報じられています。
オミクロンの変異について、いままでの変異株に見られない変異が見つかりました。
これまでの変異は、置換変異と欠失変異でしたが、オミクロンには挿入変異（ins214EPE）が１つあり、どのようなプロセスでこのタンパクが挿入されたのか、このタンパクがどのような影響を与えるのかが研究の対象となります。
この論文では、ins214EPEの生成理由を、宿主が同時に２つの感染症に感染したためという仮説を紹介しています。
新型コロナの最初の武漢株にも不自然な塩基配列が見つかっており、人工的に複数ウイルスを編集したキメラとする説がありました。

オミクロンは感染力が強く、挿入されたヒトゲノムで免疫を回避し、がん化やプリオンを生成するような変異株だとすれば、症状が軽症であっても危険なウイルスになり得ると考えられます。また、弱毒性であってもワクチン接種者がADEが起こせば重症化する可能性もあります。
今後の研究を注目したいと思います。

概要

重度に変異したSARS-CoV-2の亜種（B.1.1.529, Omicron）が出現し、発見から1週間以内に6大陸に拡散したことで、世界的に公衆衛生上の問題が指摘されている。オミクロンの変異プロファイルを明らかにすることは、他のSARS-CoV-2変異体と共通する、あるいは特徴的な臨床表現型を解釈するために必要である。我々は、オミクロンの変異を、以前から懸念されていた変種（アルファ、ベータ、ガンマ、デルタ）、注目されていた変種（ラムダ、ミュー、エタ、イオタ、カッパ）、そして540万のSARS-CoV-2ゲノムを構成する1523のSARS-CoV-2系統すべてと比較した。

オミクロンスパイクタンパク質には、26個のアミノ酸変異（23個の置換、2個の欠失、1個の挿入）があり、他の変異体と比べて特徴的である。置換変異と欠失変異はこれまでのSARS-CoV-2系統で現れているが、挿入変異（ins214EPE）はオミクロン以外のSARS-CoV-2系統ではこれまで観察されていない。ins214EPEをコードするヌクレオチド配列は、SARS-CoV-2と同じ宿主細胞に感染する他のウイルスのゲノムや、SARS-CoV-2に感染した宿主細胞のヒトトランスクリプトームを含むテンプレートスイッチングによって獲得された可能性がある。例えば、COVID-19の患者が季節性コロナウイルス（例：HCOV-229E）に共感染しているという最近の臨床報告がある。例えば、COVID-19の患者が季節性コロナウイルス（HCOV-229Eなど）と共感染しているという最近の臨床報告や、呼吸器系や消化器系の細胞でSARS-CoV-2とHCOV-229Eの侵入受容体（ACE2とANPEP）が共発現していることを示す単一細胞のRNA配列データ、ins214EPEをコードするヌクレオチド配列と相同性のある配列を持つHCOVのゲノムなどを考えると、オミクロンの挿入が共感染者の中で進化した可能性は十分に考えられる。オミクロン挿入体の機能を理解し、ヒト宿主細胞がSARS-CoV-2によって宿主ウイルスとウイルス間のゲノム相互作用の「進化のサンドボックス」として利用されているかどうかを理解する必要がある。

はじめに

広範囲に変異したスパイクタンパクを持つ新しいSARS-CoV-2亜種が、2021年11月24日に南アフリカから世界保健機関（WHO）に初めて報告され、最初のサンプルが採取されたのは11月9日であった。この株はその後、Omicron variant（WHO命名法）およびB.1.1.529（PANGO系統）と表記されています1。The Technical Advisory Group on SARS-CoV-2 Virus Evolutionがこの亜種を迅速に評価し、WHOが48時間以内にOmicronを懸念すべき亜種に分類したことで、タイムリーな疫学調査が可能になりました。

オミクロンが発見されて以来、このウイルスは6大陸の20カ国以上で検出されています。2,3 1オミクロンの変異プロファイルを徹底的に解析することは、オミクロンに共通する、あるいは特徴的な臨床表現型、既存のワクチンに対する感受性や耐性、さらには将来進化するオミクロンのような変異体がより高い病原性を持つかどうかを解釈するために必要な最初のステップである。実際、SARS-CoV-2は、ミスセンス、欠失、挿入、その他の変異の組み合わせにより、懸念されるさまざまな変種や関心のある亜種に進化してきた。ヒト細胞上のACE2受容体と結合してウイルスの侵入を促すSpike（S）タンパク質では、ミスセンス変異（E484Kなど）によりSpike-ACE2結合親和性が大きく変化し、欠失（ΔY144など）により抗Spike抗体の中和効果が変化している。4-9 SARS-CoV-2の進化においては、挿入変異はあまり見られない。10 しかし、現在までのSARS-CoV-2の進化の歴史の中で、最も機能的に重要な突然変異の1つは、S1/S2切断部位へのスパイクタンパク質の「PRRA」挿入であり、これにより、ヒトENAC-αのRRARSVASペプチドを模倣した多塩基性FURIN切断部位が導入された。11-14 パンデミック発生当初からGISAIDデータベースに登録されている、200以上の国・地域の1523系統をカバーする540万本のSARS-CoV-2ゲノムは、他のSARS-CoV-2亜種と比較してオミクロン変異体の変異プロファイルを特徴づける機会を与えてくれる。

この研究では、オミクロンの変異プロファイルを、懸念されている変異体と注目されている変異体を含む1523のSARS-CoV-2系統と比較した。その結果、オミクロンのスパイクタンパク質には、他のすべてのSARS-CoV-2系統には存在しない挿入変異ins214EPEが存在することが明らかになった。SARS-CoV-2による宿主ゲノム統合の可能性は議論されているが、ウイルスの遺伝子組み換えの重要性を考慮し、オミクロンの前駆体にこの挿入変異が導入された原因として、宿主-ウイルス間およびウイルス間の様々なゲノム物質交換のシナリオを検討した。また、ins214EPEの起源として考えられるものを考察し、感染や免疫回避におけるins214EPEの役割を実験的に明らかにする必要性を強調した。

結果と考察

オミクロンの変異を過去のSARS-CoV-2系統と比較したところ、オミクロンのN末端ドメイン（NTD）に独自の挿入変異が存在することがわかった。オミクロンの変異体では、スパイクタンパク質に37の変異があり、これには6つの欠失変異、1つの挿入変異、30の置換変異が含まれる。37個の変異のうち16個は、COVID-19の症例が急増した3か月間に変異率が上昇したという、サージ関連変異19（表1）です。オミクロンのこれらのスパイクタンパク質の変異を、既存の気になるバリアント（アルファ、ベータ、ガンマ、デルタ）と比較すると、26の変異がオミクロンに特有のもので、7つの変異がオミクロンとアルファの間で重複していることがわかりました（図1）。

我々は、GISAIDデータベースの1523系統に対応する5,382,852個のゲノムから得られた変異と比較することで、26個のオミクロン変異のいずれかが、先行する注目変異（Lambda、Mu、Eta、Iota、Kappa）または先行するSARS-CoV-2系統に現れているかどうかを分析した（表1、図S1）。興味深いことに、挿入変異ins214EPE（図S2）は、オミクロン以外のSARS-CoV-2系統では過去に観察されていないが、置換変異と欠失変異は過去のSARS-CoV-2系統で出現している（表S1）。2オミクロンのEPEは、抗体結合スーパーサイトから離れたN末端ドメイン（NTD）に挿入されている。9 しかし、挿入されているループは、SARS-CoV-2の既知のヒトT細胞エピトープにマッピングされている。20 この挿入が、SARS-CoV-2がT細胞免疫から逃れるのに役立っているかどうかを理解するには、さらなる研究が必要である。10 オリジナルのSARS-CoV-2株ではPRRAの挿入により多塩基性FURIN切断部位が形成されていることが重要であることを考えると、オミクロン変異体のins214EPE挿入の機能的意義と進化的起源を理解することは重要である。11-14

オミクロン・バリアントのinsEPEの起源は、共存するウイルスや宿主のゲノムを利用した鋳型交換である可能性がある。

オミクロンの変異負荷は、プロテオームの他の部分よりもスパイクタンパク質で高くなっています（図S3）。この突然変異の多いスパイクには、新規の挿入変異ins214EPEが存在する。214位は挿入ホットスポットのようだが、オミクロンのEPE挿入は新規性が高いようだ。GISAIDに登録されている配列を以前に解析した結果、SARS-CoV-2ゲノムの挿入は、ポリメラーゼのスリップや鋳型の切り替えによって生じる可能性が高いことが示唆された。10,21 テンプレートスイッチングは、コロナウイルスのRNA合成において、サブゲノムRNA（sgRNA）を生成する際に用いられる正常なイベントである。22,23 コピーチョイス組換えとも呼ばれるこのプロセスでは、RNAポリメラーゼ（RdRp）と新生鎖が鋳型となるRNA鎖から解離し、新しい鋳型（または同じ鋳型の異なる位置）と再結合して、RNA合成が継続される。一般的に、このような組換えは、配列の類似性が高い鋳型を含む（「相同組換え」）が、異種配列間の非相同（または「非合法」）な組換えも起こり得る。24 SARS-CoV-2の系統間では、同時感染時の組換えが観察されており、特にSpikeタンパク質の配列で高い組換え率が見られた。22,25 ins214EPEは、SARS-CoV-2、SARS-CoV-2と同じ宿主細胞に感染する他のウイルス、あるいはSARS-CoV-2に感染した宿主細胞のヒトトランスクリプトームのゲノムを含むテンプレートスイッチングによって獲得された可能性がある。実際、COVID-19患者がHCOV-229Eなどの季節性コロナウイルスにも感染していたという臨床報告がある26。HCoV-229Eのゲノムを検索し、ins214EPEをコードする塩基配列との相同性を調べたところ、HCOV-229EのSpikeタンパク質に同一の配列が存在しており、テンプレートの切り替えに利用された可能性がある（図2）。さらに、シングルセルRNA seqデータの解析（表S2）によると、SARS-CoV-2の受容体（ACE2）とHCOV-229Eの受容体（ANPEP）は、消化管組織（腸球など）と呼吸器組織（呼吸繊毛細胞など）で共発現していることがわかった。このことから、共感染者のこのような細胞が、異なるウイルス間のゲノムの相互作用の場として利用されている可能性が考えられます。異なるコロナウイルスとの共感染に加えて、SARS-CoV-2と、SARS-CoV-2以外のコロナウイルス科を含む他の呼吸器系病原体との共感染も報告されている。27,28 SARS-CoV-2ゲノムの挿入変異は、ヒト宿主ゲノムに由来する可能性が以前から示唆されていた29 。実際、ヒトゲノムおよびトランスクリプトームの多数の断片には、ins214EPEのコーディング配列と同一のヌクレオチド配列が存在する。ins214EPEのコード化配列と同一のヌクレオチド配列を持つヒトゲノムの断片は750以上あり、その中にはトップヒットとなったSLCA7とTMEM245 3のmRNAも含まれている（図S4）。これらのうち、SARS-CoV-2に感染したヒト宿主細胞（肺胞細胞、腸球など）30で特異的に発現する転写産物は、ins214EPE配列の起源の候補となりうる。このように、オミクロンのユニークな挿入の進化は、ウイルスの共感染時にテンプレートが切り替わることに基づいているか、あるいはヒトゲノムに広く存在するテンプレートに基づいている可能性がある。COVID-19ワクチンの製造が拡大されている現在でも、ワクチンの不公平感やワクチンを躊躇する気持ちがオミクロンの出現の一因であると推測されている31,32。世界的なワクチン接種の実現には何年もかかるため、SARS-CoV-2の新たな亜種の出現につながる可能性のある変異の状況の変化を注意深く監視することが重要である。実際、Omicronの変異体の中でも、構成する変異の有病率には違いがある（図S1）。最後に、ウイルス共感染者のSARS-CoV-2ゲノムをシーケンスする必要があり、一般的には、変異プロファイルに基づいて懸念される亜種を早期に検出する「亜種警告システム」を開発する必要がある。

方法

GISAIDデータベースとOWIDを用いたサージ関連変異の解析各親株に関連するSARS-CoV-2のコア変異。
Alpha（B.1.1.7）、Beta（B.1.351）、Gamma（P.1）、Delta（B.1.617.2）、Lambda（C.37）、Mu（B.1.621）、Eta（B.1.525）、Iota（B.1.526）、Kappa（B.1.617.1）の各親株に関連するコア変異は、CoV-RDBデータベース18 から得られた。Omicron変異体に対応するすべてのSARS-CoV-2ゲノム配列とその変異は、GISAIDデータベース2,3から直接取得した（2021年11月29日時点でB.1.1.529としてアノテーションされている121のSARS-CoV-2ゲノム）。GISAIDデータベースにおけるins214EPEの出現を分析すると、Omicronの変種での流行のほかに、2つの出現が系統B.1.1とB.1.1.263に割り当てられたゲノムにあり、これは系統の割り当てが間違っていたためと考えられます。オミクロン・バリアント以外では、まだ系統が特定されていない配列に10個の出現が見られた。どのSARS-CoV-2変異がCOVID-19検査陽性と相関するかを理解するために、先行研究19に記載されているように、GISAID（2019年12月から2021年11月の間に202の国・地域から得られた5,382,852の配列）とOWID（Our World in Data）データ33から「サージ関連変異」を抽出しました。サージ関連変異は、以下の基準を満たしています。(1) 少なくとも100個のGISAID配列に存在する、(2) (ある国で)3ヶ月連続して検査陽性率が少なくとも5%増加する時間帯に存在する、(3) (ある国で)3ヶ月連続して指定された突然変異の配列堆積が少なくとも5%増加する時間帯に存在する。NCBI BLAST検索によるオミクロンのins214EPEをコードするヌクレオチド配列へのホモログの同定オミクロンのスパイクタンパク質のヌクレオチド配列と参照用のWuhan SARS-CoV-2の配列を整列させると、2つの異なるヌクレオチド配列の挿入がオミクロンのins214EPEをコードする配列を生じさせることがわかる。これらの挿入候補は、GAGCCAGAAおよびGCCAGAAGAである。挿入候補（GAGCCAGAA, GCCAGAAGA）の両方を含む「CGTGAGCCAGAAGAT」について、デフォルトのBLASTパラメータ（ワードサイズ：7、マッチ／ミスマッチ：-1/3、ギャップコストの存在／拡張：5/2）を用いてNCBI BLAST検索を行った。160592の配列を含むhuman genome plus transcriptome database (Human G+T)のデータベースに対して検索した結果、763件のヒットが得られました。ヒトコロナウイルス - HCoV-OC43 (taxid:31631), HCoV-229E (taxid:11137), HCoV-NL63 (taxid:277944), HCoV-229E (taxid:11137) - に対して検索した結果、709件のヒットがありました。

利害関係者の申告

AJV、PA、PJL、RS、MJMN、VSはnference社の従業員であり、同社と金銭的な利害関係を持っています。これらの共同研究は、研究デザイン、データ収集と分析、発表の決定、原稿の作成には一切関与していません。

参考文献

以下省略

論文のPDF。図表はこちらを参照してください。