エイズウイルス適応進化過程の実証とその原理の解明

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K07166
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 佐藤 佳 京都大学, ウイルス研究所, 講師 (10593684)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 進化ウイルス学 / エイズ / ヒト化マウス

Outline of Annual Research Achievements

新興病原性ウイルスの出現原理は、”off-the-shelf emergence”と”tailor-made emergence”のふたつに大別される（Homles, “The evolution and emergence of RNA viruses”, 2009）。前者は「新宿主への適応性を旧宿主内で予め獲得していたウイルスが種間伝播した」こと、後者は「新宿主への適応性を新宿主への侵入後に変異・獲得した」ことにそれぞれ起因する。
分子系統学的解析から、パンデミックを引き起こしたHIV-1は、チンパンジーのウイルスSIVcpzが約100年前にヒトに種間伝播・適応進化することにより誕生したと推定されている（Gao et al, Nature, 1999; Worobey et al, Nature, 2008）。しかしながら、SIVcpzがどのようにしてヒトへの適応進化を遂げ、パンデミックHIV-1へと変貌したのかは明らかではない。本研究では、SIVcpzのヒトへの適応進化メカニズムを再現・解明することを目的として、ヒト化マウスモデル（ヒト造血幹細胞移植マウス）を用いた実験を行った。
パンデミックHIV-1にもっとも近縁なSIVcpz MB897株、そうではないSIVcpz 2株（EK505株、MT145株）、パンデミックHIV-1 2株（JRCSF株、AD8株）をそれぞれヒト化マウスに接種し、血漿中ウイルスRNA量をreal-time RT-PCR法で、血中CD4T細胞数をflow/hematocytometry法でそれぞれ経時的に測定した。感染後15週齢のマウスを解剖し、脾臓におけるウイルス感染細胞をflow cytometry法で解析した。また、293T細胞、TZM-bl細胞を用い、各ウイルスがコードするウイルスタンパク質の機能解析を行った。
培養細胞を用いたin vitro実験の結果、各SIVcpzの感染性および各ウイルスタンパク質の機能に差異は確認されなかった。一方、ヒト化マウスモデルを用いたin vivo実験の結果、興味深いことに、パンデミックHIV-1に関連のないSIVcpzに比べ、生体内におけるSIVcpz MB897株の増殖性、病原性はパンデミックHIV-1のそれらにきわめて酷似していた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

これまでの研究結果から、SIVcpzは原則的に”off-the-shelf emergence”としてヒトへの適応進化を遂げたこと、すなわち、元来ヒトへの適応性のきわめて高いSIVcpzがヒトに伝播し、パンデミックHIV-1へと変貌したことが示唆された。この結果を以て、本研究の当初の目的である、パンデミックHIV-1の出現原理の一端が解明されたと言える。
さらに、他のレンチウイルス、他の宿主におけるウイルスの進化的軍拡競争の分子メカニズムについての研究も展開し、それらについても新たな知見を得、学術論文での発表および学会での発表を多数行った。

Strategy for Future Research Activity

ヒト化マウスで増殖しているSIVcpzの配列の詳細を解析することで、ヒトへの適応進化の際に、SIVcpzがさらに有益な変異を獲得した可能性、すなわち”tailor-made emergence”を引き起こした可能性について検討を行う。また、ヒト以外の動物におけるウイルスと宿主の軍拡競争の分子メカニズム解析についても、実験ウイルス学と分子系統学、データベース解析を併行して進める。

Research Products

• [Journal Article] A naturally occurring domestic cat APOBEC3 variant confers resistance to FIV infection (2016)
  • Author(s): Rokusuke Yoshikawa, Taisuke Izumi, Eri Yamada, Yusuke Nakano, Naoko Misawa, Fengrong Ren, Michael A. Carpenter, Terumasa Ikeda, Carsten Münk, Reuben S. Harris, Takayuki Miyazawa, Yoshio Koyanagi & Kei Sato
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: 90 Pages: 474-485
  • DOI: doi: 10.1128/JVI.02612-15
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Pandemic HIV-1 Vpu overcomes intrinsic herd immunity mediated by tetherin (2015)
  • Author(s): Shingo Iwami, Kei Sato, Satoru Morita, Hisashi Inaba, Tomoko Kobayashi, Junko S. Takeuchi, Yuichi Kimura, Naoko Misawa, Fengrong Ren, Yoh Iwasa, Kazuyuki Aihara & Yoshio Koyanagi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 12256
  • DOI: doi: 10.1038/srep12256
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Down-modulation of primate lentiviral receptors by Nef proteins of simian immunodeficiency virus (SIV) of chimpanzees (SIVcpz) and related SIVs: implication for the evolutionary event at the emergence of SIVcpz (2015)
  • Author(s): Yusuke Nakano, Kenta Matsuda, Rokusuke Yoshikawa, Eri Yamada, Naoko Misawa, Vanessa M. Hirsch, Yoshio Koyanagi & Kei Sato
  • Journal Title: Journal of General Virology Volume: 96 Pages: 2867-2877
  • DOI: doi: 10.1099/vir.0.000207
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dynamics of HIV infection in lymphoid tissue network (2015)
  • Author(s): Shinji Nakaoka, Shingo Iwami & Kei Sato
  • Journal Title: Journal of Mathematical Biology Volume: 72 Pages: 909-938
  • DOI: doi: 10.1007/s00285-015-0940-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cell-to-cell infection by HIV contributes over half of virus infection (2015)
  • Author(s): Shingo Iwami, Junko S. Takeuchi, Shinji Nakaoka, Fabrizio Mammano, François Clavel, Hisashi Inaba, Tomoko Kobayashi, Naoko Misawa, Kazuyuki Aihara, Yoshio Koyanagi & Kei Sato
  • Journal Title: eLife Volume: 4 Pages: e08150
  • DOI: doi: 10.7554/eLife.08150
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Coevolutionary dynamics between tribe Cercopithecini tetherins and their lentiviruses (2015)
  • Author(s): Junko S. Takeuchi, Fengrong Ren, Rokusuke Yoshikawa, Eri Yamada, Yusuke Nakano, Tomoko Kobayashi, Kenta Matsuda, Taisuke Izumi, Naoko Misawa, Yuta Shintaku, Katherine S. Wetzel, Ronald G. Collman, Hiroshi Tanaka, Vanessa M. Hirsch, Yoshio Koyanagi & Kei Sato
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 16021
  • DOI: doi: 10.1038/srep16021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Experimental evaluation of the zoonotic infection potency of simian retrovirus type 4 using humanized mouse model (2015)
  • Author(s): Kei Sato, Tomoko Kobayashi, Naoko Misawa, Rokusuke Yoshikawa, Junko S. Takeuchi, Tomoyuki Miura, Munehiro Okamoto, Jun-ichirou Yasunaga, Masao Matsuoka, Mamoru Ito, Takayuki Miyazawa & Yoshio Koyanagi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 14040
  • DOI: doi: 10.1038/srep14040
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A conservation law for virus infection kinetics in vitro (2015)
  • Author(s): Yusuke Kakizoe, Satoru Morita, Shinji Nakaoka, Yasuhiro Takeuchi, Kei Sato, Tomoyuki Miura, Catherine A. Beauchemin & Shingo Iwami
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology Volume: 376 Pages: 39-47
  • DOI: doi: 10.1016/j.jtbi.2015.03.034
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impacts of humanized mouse models on the investigation of HIV-1 infection: illuminating the roles of viral accessory proteins in vivo (2015)
  • Author(s): Eri Yamada, Rokusuke Yoshikawa, Yusuke Nakano, Naoko Misawa, Yoshio Koyanagi & Kei Sato
  • Journal Title: Viruses Volume: 7 Pages: 1373-1390
  • DOI: doi: 10.3390/v7031373
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vif determines the requirement for CBF-β in APOBEC3 degradation (2015)
  • Author(s): Rokusuke Yoshikawa, Junko S. Takeuchi, Eri Yamada, Yusuke Nakano, Fengrong Ren, Hiroshi Tanaka, Carsten Münk, Reuben S. Harris, Takayuki Miyazawa, Yoshio Koyanagi & Kei Sato
  • Journal Title: Journal of General Virology Volume: 86 Pages: 887-892
  • DOI: doi: 10.1099/jgv.0.000027
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] エボラウィルス糖蛋白質（GP）遺伝子の分子進化解析 (2015)
  • Author(s): 上田真保子、泉泰輔、佐藤佳、中川草
  • Organizer: BMB2015
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-03
• [Presentation] ウシ族の進化過程におけるAPOBEC3Z2蛋白質の発現レベル多様性の出現 (2015)
  • Author(s): 中野雄介、山田英里、吉川禄助、泉泰輔、小林朋子、三沢尚子、任鳳蓉、佐藤佳、小柳義夫
  • Organizer: BMB2015
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-03
• [Presentation] Impact of genetic and functional changes in HIV-1 and SIVcpz transmission (2015)
  • Author(s): Sato, K. and Koyanagi, Y
  • Organizer: 第29回日本エイズ学会学術集会・総会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-11-30 – 2015-11-30
• [Presentation] Evolutionary arms race between viruses and mammals: an interdisciplinary research of experimental virology and molecular phylogenetic (2015)
  • Author(s): Sato, K
  • Organizer: 日本バイオインフォマティクス学会生命システム理論研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-11-27 – 2015-11-27
  • Invited
• [Presentation] Dynamics of HIV-1 infection in humanized mouse model (2015)
  • Author(s): Sato, K
  • Organizer: 第63回日本ウイルス学会学術集会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2015-11-24 – 2015-11-24
  • Invited
• [Presentation] Evolutionary arms race between domestic cat (Felis catus) and its cognate lentivirus (FIV) (2015)
  • Author(s): Yoshikawa, R., T. Izumi, Yamada, E., Nakano, Y., Misawa, N., Ren, F., Miyazawa, T., Sato, K., and Koyanagi, Y
  • Organizer: 第63回日本ウイルス学会学術集会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-22
• [Presentation] Functional positive selection of a bovine APOBEC3 driven by bovine lentivirus (2015)
  • Author(s): Yamada, E., Yoshikawa, R., T. Izumi, Nakano, Y., Misawa, N., Kobayashi, T., Ren, F., Sato, K., and Koyanagi, Y
  • Organizer: 第63回日本ウイルス学会学術集会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-22
• [Presentation] Evolutionary dynamics of HIV-1-lineage lentiviruses and primates: evolutionary arms race between viral protein and host protein (2015)
  • Author(s): Sato, K
  • Organizer: Innovative Mathematical Modeling for the Analysis of Infectious Disease Data
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2015-10-30 – 2015-10-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自然発生Vif変異によるレンチウイルスの弱毒化 (2015)
  • Author(s): 吉川禄助、竹内(柴田)潤子、山田英里、中野雄介、木村雄一、橋本暁、宮沢孝幸、佐藤佳、小柳義夫
  • Organizer: 第158回日本獣医学会
  • Place of Presentation: 十和田
  • Year and Date: 2015-09-07 – 2015-09-07
• [Presentation] 動物レンチウイルスからみるウイルスと宿主の共進化 (2015)
  • Author(s): 吉川禄助, 泉泰輔, 山田英里, 中野雄介, 任鳳蓉, 宮沢孝幸, 佐藤佳, 小柳義夫
  • Organizer: 第17回日本進化学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-08-20 – 2015-08-20
• [Presentation] ネコAPOBEC3Z3多型とFIV感染感受性との関係性 (2015)
  • Author(s): 吉川禄助, 泉泰輔, 山田英里, 中野雄介, 任鳳蓉, 宮沢孝幸, 佐藤佳, 小柳義夫
  • Organizer: 第21回野生動物医学会
  • Place of Presentation: 江別
  • Year and Date: 2015-08-01 – 2015-08-01
• [Presentation] ウシ族の進化とレンチウイルスの関連についての考察 (2015)
  • Author(s): 山田英里, 中野雄介, 吉川禄助, 泉泰輔, 小林朋子，任鳳蓉, 宮沢孝幸, 小柳義夫, 佐藤佳
  • Organizer: 第21回野生動物医学会
  • Place of Presentation: 江別
  • Year and Date: 2015-08-01 – 2015-08-01
• [Presentation] チンパンジーからのエイズウイルス適応原理の解析 (2015)
  • Author(s): 佐藤佳
  • Organizer: 第17回白馬シンポジウム
  • Place of Presentation: 米子
  • Year and Date: 2015-06-19 – 2015-06-19
  • Invited
• [Presentation] A naturally occurring domestic cat APOBEC3 variant confers resistance to FIV infection (2015)
  • Author(s): Yoshikawa, R., T. Izumi, Yamada, E., Nakano, Y., Misawa, N., Ren, F., Carpenter, M. A., Ikeda, T., Münk, C., Harris, R. S., Miyazawa, T., Sato, K., and Koyanagi, Y
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting on Retroviruses
  • Place of Presentation: New York
  • Year and Date: 2015-05-22 – 2015-05-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental adaptive evolution of SIVcpz to humans using humanized mouse model (2015)
  • Author(s): Sato, K., Misawa, N., Takeuchi, J. S., Kobayashi, T., Yamada, E., Nakano, Y., Yoshikawa, R., and Koyanagi, Y
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting on Retroviruses
  • Place of Presentation: New York
  • Year and Date: 2015-05-21 – 2015-05-21
  • Int'l Joint Research