宿主指向性

宿主指向性とは、特定の病原体が特定の宿主および宿主組織に対して感染する特異性です。これにより、ほとんどの病原体が限られた範囲の宿主生物にしか感染できない理由が説明されます。

研究者は、病原菌を、宿主指向性を示す種と細胞の種類の範囲によって分類することができます。たとえば、広範囲の宿主と組織に感染できる病原菌は、両栄養性であると言われています。一方、エコトロピック病原菌は、狭い範囲の宿主と宿主組織にしか感染できません。病原菌の宿主特異性に関する知識により、研究業界や医療業界の専門家は、病原性をモデル化し、ワクチン、医薬品、感染予防策を開発することができます。細胞工学、宿主適応病原体の直接工学と支援進化、ゲノムワイド遺伝子スクリーニングなどの方法は現在、さまざまな病原菌の宿主範囲をよりよく理解するために研究者によって使用されています。^[1]

病原体が特定の宿主に対して向性を示すのは、病原体の増殖と感染をサポートする方法で宿主細胞と相互作用できる場合です。病原体が特定の細胞に感染する能力には、細胞表面受容体の構造、病原性DNAまたはRNAを識別できる転写因子の利用可能性、細胞と組織のウイルスまたは細菌の複製をサポートする能力、細胞内および周囲の組織全体にわたる物理的または化学的障壁の存在など、さまざまな要因が影響します。^[2]

病原体は感染を引き起こす前に、宿主細胞や組織に侵入したり付着したりすることが多い。この結合が起こるためには、病原体が細胞表面を認識し、それに結合する必要がある。例えば、ウイルスは細胞に侵入するために特定の細胞表面受容体に結合する必要があることが多い。多くのウイルス膜には、特定の宿主細胞表面受容体に特異的なビリオン表面タンパク質が含まれている。^[2]宿主細胞がウイルスの相補的表面受容体を発現している場合、ウイルスは細胞に付着して侵入することができる。細胞がこれらの受容体を発現していない場合、ウイルスは通常その細胞に感染することができない。したがって、ウイルスが細胞に結合できない場合、その宿主に対する親和性は示されない。

細菌はウイルスとは異なる方法で宿主に感染します。ウイルスとは異なり、細菌は宿主細胞に侵入することなく、自ら複製し分裂することができます。それでも、細菌が成長して分裂するためには、環境から特定の栄養素が必要です。これらの栄養素は多くの場合、宿主組織によって提供されるため、一部の細菌は生存のために宿主を必要とします。細菌は宿主細胞の受容体または栄養豊富な環境を認識すると、細胞表面に定着します。 ^[3]細菌は宿主組織に定着するためのさまざまなメカニズムを持っています。たとえば、バイオフィルムの生成により、細菌は宿主組織の表面に付着することができ、細菌の増殖に最適な保護環境が提供されます。^[4]スピロヘータなどの一部の細菌は、宿主細胞または組織を増殖することができます。これにより、細菌は栄養豊富な環境に身を包み、免疫反応やその他のストレス要因から保護することができます。

ウイルスが宿主細胞内で複製し、細菌が成長と分裂に必要な代謝プロセスを実行するには、まず周囲から必要な栄養素と転写因子を取り込む必要があります。 ^[2] ウイルスが宿主細胞に結合し、その遺伝物質を細胞膜を通して伝達できたとしても、その細胞にはウイルスの複製が起こり、病原性が継続するために必要 なポリメラーゼや酵素が含まれていない可能性があります。

多くの病原体もゲノム内に重要な毒性因子を持っています。特に、病原細菌は、プラスミド内に存在する毒性遺伝子をさまざまな毒性因子に翻訳して、細菌の病原性を助けることができます。^{[3]病原体には、接着因子、侵入因子、莢膜、}シデロフォア、エンドトキシン、エキソトキシンなど、さまざまな種類の毒性因子が存在します。^[5]これらの毒性因子はすべて、宿主の定着に直接役立つか、宿主の細胞や組織の損傷に役立ちます。

宿主生物は、病原体感染から宿主を守るために、さまざまな防御機構を備えている。特にヒトは、病原性の始まりから終わりまでに影響を与える複数の防御線を備えている。ウイルスや細菌が特定の宿主に対して向性を示すためには、まず宿主生物の防御線を突破する手段を持たなければならない。最初の防御線は自然免疫系と呼ばれ、病原体の最初の侵入と定着を防ぐためのものである。自然免疫系は病原体に広く特異的であり、解剖学的障壁、炎症、貪食、非特異的阻害剤などが含まれる。 ^[6]

解剖学的バリアは、微生物が体内に侵入するのを防ぐのに役立つ物理的または化学的バリアです。これには、皮膚、汗、粘液層、唾液、涙、内皮層、および天然のヒト微生物叢が含まれます。皮膚の表皮は病原体に対する物理的なバリアを提供しますが、虫刺され、動物に噛まれたこと、引っかき傷、またはその他の軽微な皮膚外傷によって簡単に損なわれる可能性があります。^[6]汗、唾液、涙はすべて、細菌やウイルスを殺すことができるリゾチームなどの酵素を含む化学的バリアです。粘液層は鼻咽頭の内側を覆っており、外来病原体を包み込み、鼻水や痰を通して体外に排出する物理的バリアとして機能します。^[6]ヒトの微生物叢、つまり体内および体表に生息する他の微生物は、病原体と競合し、病原体の制御に大きな役割を果たします。最後に、血液脳関門として知られる半透膜は、血液を組織や臓器から隔てる内皮細胞の内層です。^[6]この内層がなければ、ウイルスや細菌は脳、肺、胎盤などの重要な人体臓器に簡単に感染する可能性があります。

炎症は、多くの宿主生物が持つ病原体感染に対する最初の免疫反応の1つです。炎症では、感染部位周辺の温度上昇、CO2と有機酸の蓄積_、病原体誘発性細胞損傷に対する感染組織の酸素分圧の低下が起こります。 ^{[6] [7]}炎症部位では血液凝固も起こり、病原体感染に対する物理的バリアが機能します。 ^[8]これらの変化は最終的に病原体にとって不利な生存条件（pH変化、ATP減少、細胞代謝の変化など）を作り出し、さらなる複製と成長を妨げます。

細菌やウイルスが体の自然免疫系を克服すると、宿主生物の獲得免疫系がそれを引き継ぎます。この免疫反応は病原体に非常に特異的であり、その特定の病原体による将来の感染に対して宿主に長期的な免疫を提供します。リンパ球が病原体の表面にある抗原を認識すると、病原体に結合する抗体を分泌し、マクロファージとナチュラルキラー細胞に警告を発します。^{[7] [9]}これらの細胞は病原体自体を標的とし、病原体を殺すか不活性化します。このプロセスにより、長期的な免疫の発生を可能にする メモリーB細胞とメモリーT細胞がさらに生成されます。

結論として、病原体がさまざまな宿主防御を克服し、感染源となる宿主細胞を認識し、宿主組織内で正常に複製できる場合、その病原体は特定の宿主に対して向性を持っている可能性が高いと考えられます。

ウイルスの宿主指向性は、感受性と許容性の組み合わせによって決まります。ウイルスが感染を確立するには、宿主細胞が許容性（ウイルスの複製を許可する）と感受性（ウイルスの侵入に必要な受容体補体を持つ）の両方を備えている必要があります。ウイルスが宿主細胞に結合すると、宿主細胞はウイルスの複製に必要な転写因子を提供する必要があります。ウイルスが細胞を利用して遺伝情報を複製できる場合、ウイルスは体全体に感染を広げることができます。

ヒト免疫不全ウイルスは、CD4関連免疫細胞（Tヘルパー細胞、マクロファージ、樹状細胞など）に対して宿主指向性を示す。これらの細胞は、表面のgp120およびgp41タンパク質を介してHIVが結合できるCD4受容体を発現する。 ^[10] HIVはまた、CD4-gp120複合体とともに、標的細胞に侵入するために2番目の共受容体（CCR5またはCXCR4）を必要とする。^[10]これは、細胞表面受容体がウイルス病原体の指向性にどのように影響するかの例を示している。これらの受容体を持つ細胞を持つ生物は人間だけなので、HIVは人間に対してのみ宿主指向性を示す。HIVに似たウイルスであるサル免疫不全ウイルス（SIV）は、霊長類に感染することができる。^[11]

エプスタイン・バーウイルス（EBV）は、8つの既知のヘルペスウイルスの1つです。CD21 - gp350/220複合体を介してヒトB細胞に宿主指向性を示し、伝染性単核球症、バーキットリンパ腫、ホジキン病、鼻咽頭癌、リンパ腫の原因であると考えられています。^[12] EBVは唾液の経口感染によって体内に入り、世界中の成人人口の90％以上が感染していると考えられています。^[13] EBVは、B細胞におけるCD21受容体を介したプロセスとは異なるメカニズムを介して、上皮細胞、T細胞、ナチュラルキラー細胞に感染することもあります。^[12]

ジカウイルスは、フラビウイルス属に属する蚊媒介性アルボウイルスで、ヒトの母体脱落膜、胎児胎盤、臍帯に向性を示す。^[14]細胞レベルでは、ジカウイルスは、ウイルス粒子の複製をサポートする能力が高いため、脱落膜マクロファージ、脱落膜線維芽細胞、栄養芽細胞、ホフバウアー細胞、間葉系幹細胞を標的とする。 ^[14]成人では、ジカウイルスに感染するとジカ熱を引き起こす可能性があり、妊娠初期に感染すると、小頭症などの神経学的合併症が発生する可能性がある。^[15]

結核菌はヒト向性の細菌で、結核を引き起こします。結核は感染性病原体による死亡原因の第2位です。 ^[16]結核菌を取り囲む細胞膜複合糖質により、細菌はヒトの肺組織に感染し、医薬品に対する固有の耐性を獲得します。 ^[16]結核菌はエアロゾル飛沫を介して肺胞に侵入し、マクロファージによって貪食されます。 ^{[17]しかし、マクロファージは}結核菌を完全に殺すことができないため、肺内に肉芽腫が形成され、細菌の継続的なコロニー形成に理想的な環境が提供されます。 ^[17]

世界人口の30%以上には、黄色ブドウ球菌が定着していると推定されています。黄色ブドウ球菌は、ヒトの皮膚や軟部組織への親和性により、皮膚感染症、院内感染、食中毒を引き起こす微生物です。 ^[18]黄色ブドウ球菌クローン複合体CC121は、ヒトとウサギの両方に対して多宿主親和性を示すことが知られています。^[19]これは、CC121複合体をウサギに感染可能なクローンであるST121クローン複合体に進化させた一塩基変異によるものと考えられています。^[19]

腸管病原性大腸菌と腸管出血性大腸菌 （それぞれEPECとEHEC）は、ヒトの腸管上皮細胞に対して向性を示し、食中毒や消化器系の問題を引き起こします。^[20] タイプIII分泌は、これら2つの病原性大腸菌の主な発症様式であり、腸管上皮細胞の表面に存在する転座したインチミン細胞表面受容体にインチミンが付着します。^[20]タイプIII分泌システムに加えて、温度もインチミンの分泌に影響を与える可能性があり、これにより大腸菌の感染性とヒトの腸管細胞に対する向性が高まります。^[20]

• 内皮細胞向性
• 組織向性

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