パルボウイルス科

パルボウイルス科
犬パルボウイルスの電子顕微鏡写真
ウイルスの分類
(ランク外):	ウイルス
領域:	モノドナビリア
王国：	ショウトクビラエ
門:	コサビリコタ
クラス：	キントビリセテス
注文：	ピコウイルス科
家族：	パルボウイルス科
属
テキストを参照

パルボウイルスは、パルボウイルス科を構成する動物ウイルスの科です。線状の一本鎖DNA (ssDNA)ゲノムを持ち、通常、NS1 と呼ばれる複製開始タンパク質と、ウイルスカプシドを構成するタンパク質をコードする 2 つの遺伝子が含まれています。ゲノムのコード部分は、両端にテロメアが隣接しており、複製時に重要なヘアピンループを形成します。パルボウイルスのビリオンは、ほとんどのウイルスに比べて小さく、直径 23～28 ナノメートルで、凹凸のある表面を持つ正二十面体のカプシドに囲まれたゲノムを含んでいます。

パルボウイルスはエンドサイトーシスによって宿主細胞に入り、核に移動して細胞が複製段階に入るまで待機します。その時点で、ゲノムは被覆が解かれ、コード部分が複製されます。次に、ウイルスのメッセンジャーRNA（mRNA）が転写および翻訳され、NS1が複製を開始します。複製中、ヘアピンは繰り返し展開、複製、およびリフォールディングされて複製の方向を変え、ゲノムに沿って前後に進みます。このプロセスはローリングヘアピン複製と呼ばれ、多数のゲノムのコピーを含む分子が生成されます。子孫ssDNAゲノムはこのコンカテマーから切り出され、カプシドにパッケージ化されます。成熟したウイルス粒子は、エキソサイトーシスまたは溶解によって細胞から出ます。

パルボウイルスは、ループを形成する環状ゲノムを持つssDNAウイルスの子孫であると考えられている。これは、これらのウイルスがNS1に関連し、同様の複製メカニズムを持つ複製開始タンパク質をコードしているためである。ビドナウイルスと呼ばれる別のウイルス群は、パルボウイルスの子孫であると思われる。この科には、3つの亜科、26属、126種が認められている。パルボウイルス科は、ピコウイルス目の唯一の科であり、ピコウイルス目はキントウイルス綱の唯一の目である。この綱は、パピローマウイルス、ポリオーマウイルス、ビドナウイルス も含まれるコッサウイルス門に分類される。

動物のさまざまな病気はパルボウイルスによって引き起こされます。特に、犬パルボウイルスと猫パルボウイルスは、それぞれ犬と猫に重篤な病気を引き起こします。豚では、豚パルボウイルスが不妊の主な原因です。ヒトパルボウイルスはそれほど重篤ではありませんが、最も有名な2つは、小児のフィラリア症を含むさまざまな病気を引き起こすパルボウイルスB19と、特に幼児の急性呼吸器疾患の一般的な原因であるヒトボカウイルス1です。医学では、組み換えアデノ随伴ウイルス（AAV）は、遺伝子治療中に細胞核に遺伝子を送達するための重要なベクターになっています。

動物パルボウイルスは、パルボウイルスの複製の研究によく使用されるマウスの微小ウイルスなど、1960 年代に初めて発見されました。この時期には多くの AAV も発見され、長年の研究により、薬としての利点が明らかになりました。最初に発見された病原性ヒトパルボウイルスは、1974 年に発見されたパルボウイルス B19 で、1980 年代を通じてさまざまな病気と関連付けられました。パルボウイルスは、1971 年に初めてパルボウイルス属に分類されましたが、1975 年に科に格上げされました。パルボウイルスの名前は、ラテン語の「小さい」または「極小」を意味する parvum に由来しており、ウイルス粒子が小さいことに由来しています。

パルボウイルスは、長さが約4～6キロベース（kb）の線状一本鎖DNA（ssDNA）ゲノムを持っています。パルボウイルスゲノムには通常、NS/rep遺伝子とVP/cap遺伝子と呼ばれる2つの遺伝子が含まれています。^[1] NS遺伝子は、複製開始タンパク質である非構造（NS）タンパク質NS1をコードし、VP遺伝子は、ウイルスカプシドを構成するウイルスタンパク質（VP）をコードしています。NS1には、部位特異的結合活性と部位特異的切断活性の両方を含むHUHスーパーファミリーエンド ヌクレアーゼドメインがN末端近くに含まれ、スーパーファミリー3（SF3）ヘリカーゼドメインがC末端に向かって含まれています。ほとんどのパルボウイルスには、ウイルスプロモーターからの転写をアップレギュレーションする転写活性化ドメインと、ウイルスライフサイクルのさまざまな側面に関与する少数のサポートタンパク質をコードする代替または重複するオープンリーディングフレームがC末端近くに含まれています。 ^[2]

ゲノムのコード部分の両端には、長さ約116～550ヌクレオチド（nt）の末端配列が並んでおり、不完全な回文がヘアピンループ構造に折り畳まれている。これらのヘアピンループには、DNAの複製とパッケージングに必要なシス作用情報のほとんどが含まれており、複製中に複製の方向を変えるヒンジとして働く。ゲノムが二本鎖形式に変換されると、ヘアピン内およびヘアピンに隣接する配列を含む複製起点部位が作成される。^{[2] [3]}

成熟したウイルス粒子のゲノム DNA 鎖は、プラスセンスまたはマイナスセンスである可能性があります。これは種によって異なり、一部の種は一方の極性の鎖をパッケージングすることを好むもの、他の種はさまざまな割合でパッケージングするもの、および他の種は両方のセンス鎖を同じ割合でパッケージングします。これらの好みは、子孫鎖が合成される効率を反映し、これは特定の複製起点部位の効率を反映します。^[2]マイナスセンス鎖の 3' 末端 (通常「スリープライム末端」と発音) とプラスセンス鎖の 5' 末端 (通常「ファイブプライム末端」と発音) は左末端と呼ばれ、マイナスセンス鎖の 5' 末端とプラスセンス鎖の 3' 末端は右末端と呼ばれます。^{[2] [4] [5]}

パルボウイルスのビリオンは直径 23～28 ナノメートル (nm) で、凸凹した表面を持つ正 20 面体のカプシド内にゲノムが封じ込められています。カプシドは、VP タンパク質の配列の C 末端に由来する 60 の構造的に同等なポリペプチド鎖で構成され、広範囲に絡み合って 60 個の非対称な表面三角形ユニットを持つ正 20 面体を形成しています。これらのユニットは、2 つの頂点で 3 倍の放射状対称性、1 つの頂点で 5 倍の放射状対称性を持ち、5倍頂点の反対側の線で 2 倍の放射状対称性を持ち、5 倍頂点の点を囲む 2/5 円形の折り畳み壁を持っています。カプシドごとに 20 個の 3 倍頂点、30 個の 2 倍線、および 12 個の 5 倍頂点が存在し、後者は正 20 面体の 12 個の頂点に対応しています。^[2]

カプシド表面の典型的な特徴としては、2 倍軸のそれぞれに窪みがあり、3 倍軸を囲む隆起した突起と、5 倍軸の峡谷のような窪みに囲まれた 5 つのベータ バレル^[6]でできた隆起した円筒状の突起があります。これらの円筒にはそれぞれ、カプシドの外部と内部を接続する開口部があり、ゲノムの出入りを仲介します。ゲノムの 5' 末端から約 20 ヌクレオチドがカプシドの外側に露出したままになっている可能性があり、5' 末端に結合した NS1 のコピーを運びます。これは、ゲノムがどのように合成され、パッケージ化されるかによるものです。^[2]

VPタンパク質はパルボウイルスの種類によって発現サイズが異なり、小型のVP2～5は大型のVP1よりも高頻度に発現しています。小型のVPは共通のC末端を持ちますが、N末端の長さは切断により異なります。VP1の場合、N末端は複製サイクルに重要な領域を含むように延長され、カプシドに組み込まれます。通常、カプシドあたり5～10個あり、共通C末端はカプシドの組み立てに関与します。^{[1] [2]}

各 VP モノマーには、隣接する 2 つの反平行なベータシートに配列された 8 本のストランドからなるゼリーロール モチーフと呼ばれるコア ベータ バレル構造が含まれています。各ストランドには CHEF と BIDG というラベルが付けられており、後者はカプシドの内面を形成します。個々のベータ ストランドは、長さ、配列、構造が異なるループで接続されており、これらのループのほとんどは外面に向かって伸びているため、パルボウイルスに独特の粗い表面が与えられています。関連するパルボウイルスは、配列の同一性よりも表面トポロジーと VP タンパク質の折り畳みの共有度が高いため、カプシドとカプシド タンパク質の構造は系統発生の有用な指標となります。^{[1] [2]}

パルボウイルスはエンドサイトーシスによって細胞に入り込み、さまざまな細胞受容体を使って宿主細胞に結合する。エンドソームでは、多くのパルボウイルスの構造が変化し、 VP1 N末端のホスホリパーゼA2（PLA ₂）ドメインが露出して、ウイルス粒子が脂質二重膜を貫通できるようになる。ウイルス粒子の細胞内輸送はさまざまだが、ウイルス粒子は最終的に核に到達し、その中でゲノムはカプシドから剥がれる。マウス微小ウイルス（MVM）の研究に基づくと、ゲノムはカプシドの開口部の1つから3'から5'の方向にカプシドから排出され、DNAの5'末端はカプシドに付着したままになる。^[2]

パルボウイルスは、細胞をS期と呼ばれるDNA複製段階に誘導する能力がないため、宿主細胞が自力でS期に入るまで核内で待機する必要があります。このため、胎児細胞などの急速に分裂する細胞集団は、パルボウイルスにとって最適な環境となります。アデノ随伴ウイルス（AAV）は、共感染によって複製を可能にするために細胞環境が変化するため、アデノウイルスまたはヘルペスウイルスである可能性のあるヘルパーウイルスに依存しています。 ^[2]共感染がない場合、共感染が発生するまで、AAVのゲノムは宿主細胞のゲノムに組み込まれます。^[7] S期に入った感染細胞は、ウイルスDNAを合成することを余儀なくされ、S期から抜け出すことができません。パルボウイルスは、感染が進むにつれて次第に大きくなる複製フォーカスを核内に確立します。^[8]

細胞がS期に入りゲノムが脱殻されると、宿主DNAポリメラーゼは3'ヘアピンの3'末端をプライマーとしてゲノムのコード部分の相補DNA鎖を合成し、それが5'ヘアピンの5'末端に接続される。 ^{[3] [7] [9] NS1をコードする} メッセンジャーRNA（mRNA）はDNAポリメラーゼによってゲノムから転写され、キャップされポリアデニル化され、宿主リボソームによって翻訳されてNS1が合成される。^{[2] [5] [10]}タンパク質が複数の共線フレームにコード化されている場合、選択的スプライシング、最適でない翻訳開始、またはリーキースキャンが、異なる遺伝子産物の翻訳に使用される可能性がある。^[2]

パルボウイルスは、NS1によって開始される一方向性の鎖置換型のDNA複製であるローリングヘアピン複製を介してゲノムを複製します。複製は、NS1が1つのヘアピンの端にある二重鎖DNA分子の複製起点部位に結合して切れ目を入れると始まります。切れ目を入れると、切れ目のある鎖の3'末端が遊離ヒドロキシル（-OH）として放出され、DNA合成が開始されます^[2]。NS1は5'末端に結合したままになります^[7] 。切れ目を入れると、隣接するヘアピンが直線的に伸びた形に展開します。3'-OHでは、NS1のヘリカーゼ活性によって複製フォークが形成され、DNAポリメラーゼによって伸びたテロメアが複製されます。^{[10] [11]}その後、2本のテロメア鎖は元の構成に戻り、複製フォークの位置が変わり、テンプレートがもう一方の鎖に切り替わり、ゲノムのもう一方の端に向かって反対方向に移動していきます。^{[12] [13]}

パルボウイルスは、末端が類似または同じであるかホモテロメアパルボウイルスと呼ばれ、異なるかヘテロテロメアパルボウイルスと呼ばれます。一般的に、AAVやB19などのホモテロメアパルボウイルスは、前述の末端分解と呼ばれるプロセスを通じてゲノムの両端を複製し、ヘアピン配列はより大きな（逆位の）末端反復内に含まれます。マウス微小ウイルス（MVM）などのヘテロテロメアウイルスは、末端分解によって一方の端を複製し、ジャンクション分解と呼ばれる非対称プロセスを介してもう一方の端を複製します^{[2] [14]。}これにより、テロメアの正しい方向がコピーされます。^[15]

非対称接合部の解消中、二重鎖伸長型テロメアは十字形に折り畳まれる。十字形の右腕の下側の鎖にある複製起点部位はNS1によって切断され、十字形の下側の腕が直線状に伸長した形に展開する。切断部位に形成された複製フォークは伸長した下側の腕に沿って下側の腕の配列をコピーする。下側の腕の2本の鎖は次に折り畳まれ、複製フォークの位置が変わり、もう一方の端に向かって戻り、その過程で上側の鎖が移動する。^[16]

ローリングヘアピン複製の前後の端から端までのパターンにより、ゲノムの複数のコピーを含むコンカテマーが生成されます。^{[2] [3]} NS1 は定期的にこの分子に切り込みを入れ、末端解決と接合解決の組み合わせにより、ゲノムの個々の鎖がコンカテマーから切り出されます。^{[9] [13]}切り出されたゲノムは、さらなる複製ラウンドのためにリサイクルされるか、子孫カプシドにパッケージ化されます。^[7] VP タンパク質を含む mRNA の翻訳により、核内にカプシドタンパク質が蓄積され、これらの空のカプシドに組み立てられます。^[8]

ゲノムはポータルを介してカプシドの頂点の1つに包まれます^[2] 。ポータルはゲノムを排出するために使用されたポータルの反対側である可能性があります。^[5]完全なウイルス粒子が構築されると、核が崩壊する前に核から細胞の外部に輸出される可能性があります。感染の後半では、宿主細胞環境の破壊も発生する可能性があります。その結果、壊死またはアポトーシスによる細胞溶解が起こり、ウイルス粒子が細胞の外部に放出されます。^{[2] [8]}

パルボウイルスは、ループを形成する環状ゲノムを持ち、ローリング ヘアピン複製に似たローリング サークル複製を介して複製する ssDNA ウイルスの子孫であると考えられています。これらの環状 ssDNA ウイルスは、パルボウイルスの複製開始タンパク質に関連し、HUH エンドヌクレアーゼ ドメインや SF3 ヘリカーゼ ドメインなど、多くの同じ特徴を持つ複製開始タンパク質をコードしています。 ^[17]これらの他の複製開始タンパク質とは対照的に、NS1 は、ローリング サークル複製の重要な部分であるライゲーションを実行できる痕跡しか示していません。^{[8]線状 ssDNA ウイルスでもある}Bidnaviridae科は、ポリントン( Varidnaviriaのウイルスに関連するDNAトランスポゾンの一種)のゲノムにゲノムが統合されたパルボウイルスの子孫であると思われます。^[17]

SF3ヘリカーゼの系統解析に基づくと、パルボウイルスは進化の歴史の初期に2つの枝に分かれ、そのうちの1つにはハマパルボウイルス亜科に分類されるウイルスが含まれます。もう1つの枝は2つの亜系統に分かれ、他の2つの亜科、デンソウイルス亜科とパルボウイルス亜科を構成しています。^[18]ハマパルボウイルス亜科系統のパルボウイルスはすべてヘテロテロメアである可能性が高く、デンソウイルス亜科は完全にホモテロメアであり、パルボウイルス亜科は多様です。^[2]テロメア配列は複雑で多様性に富んでおり、多くの種がテロメア配列を利用して追加機能を果たしていることを示唆しています。^{[7] [10]パルボウイルスは遺伝子}変異や組み換えの発生率が高いとも考えられています。^{[2] [9]}

パルボウイルスはパルボウイルス科を構成する。この科はピコウイルス目の唯一の科であり、ピコウイルス目はキントウイルス綱の唯一の目である。キントウイルス綱はコサウイルス門に属し、これにはパピローマウイルス、ポリオーマウイルス、ビドナウイルスも含まれる。コサウイルス門はショトクウイルス界に含まれ、ショトクウイルス界はモノドナウイルス界に分類される。パルボウイルス科はボルチモア分類システムにおけるグループII: ssDNAウイルスに属し、mRNA合成の方法に基づいてウイルスをグループ化する。パルボウイルス科には、2020年現在、3つの亜科、26属、126種が認められている（- virinae は亜科、- viral は属を表す）：^{[18] [19]}

パルボウイルスは、タンパク質配列の同一性が 85% 以上共有されている場合、同じ種に分類されます。種は、NS1 および SF3 ヘリカーゼ ドメインの系統発生、および NS1 配列の同一性とカバレッジの類似性に基づいて属に分類されます。これらの基準が満たされない場合でも、共通の祖先が支持されていれば属を確立できます。3 つのサブファミリーは、宿主範囲に対応する SF3 ヘリカーゼ ドメインの系統発生に基づいて区別されます。デンソウイルス科のウイルスは無脊椎動物に感染し、ハマパルボウイルス科のウイルスは無脊椎動物と脊椎動物に感染し、パルボウイルス科のウイルスは脊椎動物に感染します。^[18]

ヒトにおいて、病気を引き起こす最も顕著なパルボウイルスは、パルボウイルス B19とヒトボカウイルス 1 である。B19 感染は無症状の場合が多いが、小児における特徴的な発疹を伴うフィフス病、免疫不全者および基礎疾患として異常ヘモグロビン症を有する者における持続性貧血、^[20]一過性再生不良発作、妊婦における胎児水腫、関節症など、さまざまな形で発現する可能性がある。ヒトボカウイルス 1 は、特に幼児における急性呼吸器感染症の一般的な原因であり、喘鳴が一般的な症状である。ヒトにおいてさまざまな病気と関連する他のパルボウイルスには、ヒトパルボウイルス 4 およびヒトブファウイルスがあるが、これらのウイルスが病気を引き起こす仕組みは不明である。^[6]

プロトパルボウイルス属の肉食動物に感染するウイルスは、ヒトパルボウイルスとは対照的に、より生命を脅かす。^[2] イヌパルボウイルスはイヌに重篤な病気を引き起こし、最も一般的な症状は出血性腸炎で、子犬の死亡率は最大70％ですが、成犬では通常1％未満です。^[21] 近縁のウイルスであるネコパルボウイルス^[22]も同様に猫に重篤な病気を引き起こし、汎白血球減少症を伴います。^{[23] [24]}ブタでは、ブタパルボウイルスは感染により胎児が死亡することが多いため、不妊の主な原因です。^[25]

アデノ随伴ウイルスは、単一の突然変異によって引き起こされる遺伝性疾患などの治療を目的とした遺伝子治療の重要なベクターとなっている。組み換えAAV（rAAV）にはウイルスカプシドが含まれているが、完全なウイルスゲノムは含まれていない。代わりに、カプシドにパッケージ化された典型的な核酸には、プロモーター領域、目的の遺伝子、およびターミネーター領域が含まれており、これらはすべてウイルスゲノムに由来する2つの逆方向末端反復配列内に含まれている。rAAVは基本的に、細胞膜を通過して核酸カーゴを核に送達できるコンテナとして機能する。^{[26] [27]}

パルボウイルスは、他の主要なウイルスファミリーと比較して比較的遅く発見されましたが、これはおそらくその小ささが原因です。1950年代後半^[28]から1960年代^{[29]にかけて、}マウスの微小ウイルス^[30]を含むさまざまな動物パルボウイルスが発見されました。これはそれ以来、ローリングヘアピン複製の研究に広く使用されています。^[31]この時期には多くのAAVも発見され^[32]、それらの研究により、1980年代に遺伝子治療に初めて使用されました。時間の経過とともに、ベクター設計などの側面が改善され、特定のAAV遺伝子治療製品が2008年に臨床効果を達成し、その後数年間で承認されました。^[27]

1974年、タミム・K、NI・ウルビらによって、最初の病原性ヒトパルボウイルスが発見されました。B型肝炎ウイルスの表面抗原を検査したところ、血清サンプルの1つに異常な結果が見られ、電子顕微鏡検査で動物パルボウイルスに似たウイルスが含まれていることが示されました。このウイルスは、パネルBの番号19である血清サンプルのコードにちなんでB19と命名されました。^{[20] [33] B19は、その後1985年に}国際ウイルス分類委員会（ICTV）によって種として認定され、1980年代を通じてさまざまな病気と関連付けられるようになりました。^[33]

1971年のICTVの最初の報告書では、パルボウイルスはパルボウイルス属にまとめられました。^{[30] [32]}パルボウイルスは1975年に科に昇格し、2019年に最高位の領域まで高等分類群に割り当てられるまで、高等分類群に割り当てられませんでした。^[34]科は2019年に再編成され、デンソウイルス科とパルボウイルス科の「伝統的な」無脊椎動物と脊椎動物の区別から離れ、代わりにヘリカーゼ系統発生に基づいて亜科を区別し、新しい亜科ハマパルボウイルス科が設立されました。^[18]

パルボウイルスは、ラテン語の parvusまたはparvum（小さい、極小）から名前を取っており、パルボウイルスのビリオンが他のほとんどのウイルスに比べて小さいことに由来しています。^{[2] [20]}パルボウイルス科という科名では、- viridae がウイルス科を表す接尾辞です。^[35]ピッコウイルス目は、その名前の最初の部分がイタリア語のpiccolo（小さい）から、2番目の部分がウイルス目を表す接尾辞です。クイントウイルス綱は、その名前の最初の部分がガリシア語のquinto （第五^）から取られており、パルボウイルス B19 によって引き起こされる第五の病気（伝染性紅斑）を指しています。

• ウイルスポータル

• Kerr J、Cotmore S、Bloom ME (2005 年 11 月 25 日)。パルボウイルス。CRC プレス。pp.  171– 185。ISBN 9781444114782。

• ウィキメディア・コモンズのパルボウイルス科に関連するメディア
• ウィキスピーシーズにおけるパルボウイルス科に関連するデータ