宿主におけるエンテロウイルス71カプシド適応変異と受容体特異性・病原性の変化

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25293111
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 国立感染症研究所
• 研究代表者: 清水 博之 国立感染症研究所, その他部局等, 室長 (90270644)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: エンテロウイルス / 受容体 / レセプター / PSGL-1 / 分子進化 / 感染モデル / カニクイザル / 手足口病

研究概要

手足口病および重症中枢神経合併症の原因ウイルスであるエンテロウイルス71(EV71)の分子進化・多様性を反映した一連のEV71変異株を作製し、受容体特異性・抗原性等のウイルス表現型、また、動物モデルにおける病原性発現について比較解析を行い、以下の結果を得た。
1. リンパ球におけるEV71の主要な受容体であるPSGL-1結合性を規定するウイルスカプシドアミノ酸としてVP1-145を同定した。VP1-145はウイルス粒子表面でVP1-244リシンと隣接し、リシン側鎖の向きに影響を与えることが推測された。VP1-145のアミノ酸の種類がスイッチとなり、VP1-244リシン側鎖の向きを変え、PSGL-1結合性を制御することが示唆された。クライオ電顕を用いたEV71粒子の構造解析により、EV71中和活性を有するモノクローナル抗体の結合部位が、PSGL-1結合領域と一部重複することを明らかにした。
2. PSGL-1受容体依存性および非依存性EV71感染・病原性発現機構を解析するため、PSGL-1結合に関与するアミノ酸(VP1-98, VP1-145)のみが異なる感染性クローン由来PSGL-1結合株(02363-EG株)とPSGL-1非結合株(02363-KE株)を調整し、ウイルス学的性状を解析した。
3. PSGL-1結合株および非結合株を、それぞれ、カニクイザルに感染させ、病原性発現、異なる組織におけるウイルス増殖、ウイルス抗原・病変の局在、免疫炎症反応、個体内でのウイルス遺伝子変異等について比較検討した。PSGL-1非結合株はPSGL-1結合株と比較して、感染個体内で効率よく増殖し、無菌性髄膜炎等の臨床症状が強い傾向が認められた。PSGL-1結合株はカニクイザル感染後速やかにPSGL-1結合領域アミノ酸(VP1-145)に変異を生じることが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1. リンパ球における主要な宿主受容体であるPSGL-1とEV71結合の構造学的基盤の解析を継続し、PSGL-1結合性を規定する主要なウイルスカプシドアミノ酸としてVP1-145、VP1-244等を同定した。VP1-145は、ヒトEV71分離株において多様性を示すアミノ酸可変部位として、PSGL-1受容体特異性・中和抗原性とその変化に関与することが示唆された。研究成果の一部については、今年度、論文として報告した。
2. 上記構造学的解析結果に基づき、PSGL-1受容体結合・中和抗原性に関与するアミノ酸(VP1-98, VP1-145)のみが異なる感染性クローン由来PSGL-1結合株(02363-EG株)とPSGL-1非結合株(02363-KE株)を調整し、培養細胞レベルにおけるウイルス学的性状の違いを確認した。
3. in vivoにおけるEV71の病原性発現、異なる組織におけるウイルス増殖、ウイルス抗原・病変の局在、免疫炎症反応、個体内でのウイルス遺伝子変異等について比較検討するため、昨年度、PSGL-1結合株(02363-EG株)とPSGL-1非結合株(02363-KE株)を用いたカニクイザル感染実験を実施した。今年度は、各種臨床検体や中枢・非中枢神経組織におけるウイルス局在や病変についての詳細な解析を継続した。各種臨床検体や臓器中のウイルス遺伝子解析により、PSGL-1結合株は、カニクイザル感染後、PSGL-1結合領域アミノ酸(VP1-145等)における速やかなウイルス遺伝子変異により、受容体特異性や抗原性等のウイルス表現型が変化することが示唆された。

今後の研究の推進方策

1. カニクイザル感染実験のウイルス学的・病理学的解析を継続し、感染後のEV71カプシドアミノ酸変異とPSGL-1受容体特異性・抗原性等のウイルス表現型変化の関連性について明らかにする。カニクイザル感染モデルの解析により、in vivoにおけるEV71病原性発現とPSGL-1依存性・非依存性EV71増殖の役割の解明が期待できる。
2. カニクイザル感染実験により、VP1-145等における特異的かつ速やかな変異株の出現が明らかとなった。カニクイザル感染モデルで認められた特異的アミノ酸変異部位は、ヒト集団におけるEV71の分子進化に重要なアミノ酸部位であることが示されており、ヒトにおけるEV71の分子進化を反映したモデルとして期待できる。また、VP1-145等におけるアミノ酸多様性は、ヒトにおける病原性の違いに関与するとの報告があることから、EV71の分子進化、受容体特異性・病原性変化の関連性を解明するための、ヒトに近いin vivo感染モデルとして解析を進める意義がある。
3. PSGL-1結合株(02363-EG株)は、カニクイザル感染後速やかにPSGL-1結合領域アミノ酸(VP1-145)が変異し、ほとんどの臨床検体や臓器から、変異したPSGL-1非結合株が検出され、多くの組織では、PSGL-1非結合株が、より効率よく増殖することが明らかとなった。一方、感染後期の血中PBMCの一部からPSGL-1結合株が検出されたことから、PSGL-1依存性EV71増殖における免疫細胞の関与が示唆された。今後、in vivoにおけるPSGL-1依存性EV71増殖の標的細胞の特定と生理的意義の解析を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Surveillance of hand, foot, and mouth disease for a vaccine (2014)
  • 著者名/発表者名: Shimizu H, Nakashima K
  • 雑誌名: Lancet Infect Dis 巻: 14 ページ: 262-263
  • DOI: 10.1016/S1473-3099(13)70330-X
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Case of Atypical Hand-Foot-and-Mouth Disease Caused by Coxsackievirus A6: Differential Diagnosis from Varicella in a Pediatric Intensive Care Unit (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasui Y, Makino T, Hanaoka N, Shimizu H, Kanou K, Kobayashi M, Konagaya M, Fujimoto T
  • 雑誌名: Jpn J Infect Dis 巻: 66 ページ: 564-566
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Strain-Specific Epitope of Enterovirus 71 Identified by Cryo-Electron Microscopy of the Complex with Fab from Neutralizing Antibody (2013)
  • 著者名/発表者名: Lee H, Cifuente JO, Ashley RE, Conway JF, Makhov AM, Tano Y, Shimizu H, Nishimura Y, Hafenstein S
  • 雑誌名: J Virol 巻: 87 ページ: 11363-11370
  • DOI: 10.1128/JVI.01926-13
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enterovirus 71 Binding to PSGL-1 on Leukocytes: VP1-145 Acts as a Molecular Switch to Control Receptor Interaction (2013)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Y, Lee H, Hafenstein S, Kataoka C, Wakita T, Bergelson JM, Shimizu H
  • 雑誌名: PLoS Pathog 巻: 9 ページ: e1003511
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1003511
  • 査読あり
• [雑誌論文] Clinical manifestations of coxsackievirus a6 infection associated with a major outbreak of hand, foot, and mouth disease in Japan (2013)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi M, Makino T, Hanaoka N, Shimizu H, Enomoto M, Okabe N, Kanou K, Konagaya M, Oishi K, Fujimoto T
  • 雑誌名: Jpn J Infect Dis 巻: 66 ページ: 260-261
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple Independent Emergences of Type 2 Vaccine-Derived Polioviruses during a Large Outbreak in northern Nigeria (2013)
  • 著者名/発表者名: Burns CC, Shaw J, Jorba J, Bukbuk D, Adu F, Gumede N, Pate MA, Abanida EA, Gasasira A, Iber J, Chen Q, Vincent A, Chenoweth P, Henderson E, Wannemuehler K, Naeem A, Umami RN, Nishimura Y, Shimizu H, Baba M, Adeniji A, Williams AJ, Kilpatrick DR, Oberste MS, Wassilak SG, Tomori O, Pallansch MA, Kew O
  • 雑誌名: J Virol 巻: 87 ページ: 4907-4922
  • DOI: 10.1128/JVI.02954-12
  • 査読あり
• [学会発表] VP1-145 of enterovirus 71 is one of the determinants for pathogenicity in a cynomolgus monkey model (2014)
  • 著者名/発表者名: Kataoka C, Nishimura Y, Suzuki T, Kotani O, Iwata N, Nagata A, Ami Y, Shimizu H
  • 学会等名: Europic 2014
  • 発表場所: Belgium
  • 年月日: 20140309-20140314
• [学会発表] エンテロウイルス71と受容体PSGL-1との結合：VP1-145は受容体特異性を制御する分子スイッチである (2013)
  • 著者名/発表者名: 西村順裕、Hyunwook Lee、Susan Hafenstein、片岡周子、脇田隆字、Jeffrey M. Bergelson、清水博之
  • 学会等名: 第61回日本ウイルス学会学術集会
  • 発表場所: 神戸市
  • 年月日: 20131110-20131112
• [学会発表] エンテロウイルス71のカニクイザルにおける病原性の解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 片岡周子 西村順裕 鈴木忠樹 小谷治 岩田奈織子 永田典代 網康至 清水博之
  • 学会等名: 第61回日本ウイルス学会学術集会
  • 発表場所: 神戸市
  • 年月日: 20131110-20131112
• [学会発表] and, Foot, and Mouth Disease and infectious agent surveillance in Japan (2013)
  • 著者名/発表者名: Shimizu H
  • 学会等名: International Workshop on Hand, Foot and Mouth Disease
  • 発表場所: Hanoi
  • 年月日: 20130404-20130405
  • 招待講演
• [学会発表] olecular Epidemiology and Virulence (viral) factors of EV71 (2013)
  • 著者名/発表者名: Shimizu H
  • 学会等名: International Workshop on Hand, Foot and Mouth Disease
  • 発表場所: Hanoi
  • 年月日: 20130404-20130405
  • 招待講演
• [学会発表] アジアにおける手足口病とエンテロウイルス感染症流行の現状
  • 著者名/発表者名: 清水博之
  • 学会等名: 第87回日本感染症学会学術講演会・第61回日本化学療法学会総会合同学会
  • 発表場所: 横浜市
  • 招待講演