【研究成果の内容】

　一般的にタバコ煙成分は新型コロナウイルス感染症の病態悪化を促進すると考えられますが、ウイルス受容体の構成蛋白質の一つACE2発現量にどのような影響を及ぼすか不明でした。そこで最初に、タバコ煙成分をヒト細胞に処理して、ACE2遺伝子発現量の変化を観察しました。その結果、驚いたことにタバコ煙成分はその濃度依存的にACE2発現を抑制することが明らかとなりました。次に、細胞の中でどのようなことが起こっているのか明らかにするために、次世代シーケンサーを用いたRNA-seq^(※6)という方法で網羅的に遺伝子発現量の変化を観察したところ、タバコ煙成分は芳香族炭化水素受容体の活性化を通じてACE2発現を抑制している可能性が示唆されました。芳香族炭化水素受容体を様々な方法で活性化させたり抑制したりする実験により、芳香族炭化水素受容体の活性化を通じてACE2発現量が抑制されることを確かめました。さらに、芳香族炭化水素受容体を活性化する化合物の中で、食物などに含まれるトリプトファンの代謝物や既に薬として使用されている胃潰瘍治療薬であるプロトンポンプ阻害薬により、ACE2発現量が一過性に抑制されることを明らかにしました。そして、これらの化合物を用いて、新型コロナウイルスが細胞に感染する(細胞に侵入する)量が抑制できることをVERO細胞^(※7)を用いた細胞感染モデルで証明しました。
　今回の研究では、食物(サプリメントなど)などに含まれている成分(トリプトファン代謝物)や長らくヒト臨床に用いられていて安全性が確認されている胃潰瘍治療薬などが応用できる可能性を示すことできました。また、ウイルスそのものではなく細胞側に存在するウイルス受容体を標的とすることから、現在問題となっているウイルス変異に依存しない(影響を受けにくい)点など、臨床応用に向けた優位性も考えられます。一方、抗ウイルス薬ではないため、感染量を減じることができても、感染してしまったウイルスの増幅を阻害することはできない点など問題点も考えられます。それらを踏まえて、より効果的な類似化合物の探索や抗ウイルス薬との併用療法を検討することが重要と考えられます。新しい治療・予防法のオプション開発への展開が期待されます。

【今後の展開】

　現在、多くの新型コロナウイルス感染阻害薬の開発が行われていますが、既存の抗ウイルス薬やその他の既存薬の応用成功例はまだありません。また、ウイルスタンパク、感染受容体ACE2や膜融合活性化酵素TMPRSSS2^(※8)に対する新薬開発も行われていますが、安全性や効果の評価には相当な時間を要すると思われます。一方、今回の研究では、既存薬などを応用しており、安全性の点で優位性があると思われます。
まずは動物実験モデルなどを用いた評価を経て、臨床研究での効果評価へと進めることが期待されます。既存の抗ウイルス薬との併用などの治療法検討も考えられ、現在のワクチン接種や抗体カクテル療法などの間を埋める治療法へと応用されることが期待されます。

　また、放射線被ばくは、染色体の数や構造異常を引き起こします。しかし次世代への遺伝的影響はヒトで確認されていません。本研究成果は、放射線被ばくで遺伝的影響が見られないことの解明に結びつく可能性があります。
 

【参考資料】

＜図１ タバコ煙成分のウイルス受容体ACE2 遺伝子発現抑制作用＞

　タバコ煙成分を抽出し、ヒト細胞の培養液に加えていくと、その濃度依存的にACE2遺伝子発現量が低下しました（赤い矢印）。定量的RT-PCR 法にて測定。

＜図２ 芳香族炭化水素受容体（AHR）を活性化する化合物のウイルス受容体ACE2遺伝子発現抑制作用＞

　AHR を活性化する化合物（トリプトファン代謝物または胃潰瘍治療薬）をヒト細胞の培養液に加えていくと、その濃度依存的にACE2 遺伝子発現量が低下しました（赤い矢印）。定量的RT-PCR 法にて測定。
　　　　　　　　　　　　

＜図３ AHR を活性化する化合物による新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）感染阻害作用＞

　AHR を活性化する化合物（トリプトファン代謝物または胃潰瘍治療薬）をヒト細胞の培養液に加えた状態で新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）を感染させた後、細胞内に入り込んだ（感染した）ウイルス量を比較しました（代表例を示します）。ウイルス量はSARS-CoV-2 由来のたんぱく質の量をウエスタンブロッティング法により検出しました。赤枠内は同じ処理を行なった実験で，右にいくほど処理された化合物の濃度が高くなっており、黒いバンドが薄くなっている（ウイルスタンパクが減っている）、すなわち化合物の濃度依存的に感染ウイルス量が低下しました（それらを棒グラフにしたものが右図）。

＜図４ まとめの概念図＞

　今回、タバコ煙成分が細胞の芳香族炭化水素受容体を活性化してウイルス受容体であるACE2 発現（量）を抑制することを見出しました。さらに、タバコ以外で芳香族炭化水素受容体を活性化することが知られていて比較的安全性の確認されているトリプトファン代謝物や胃潰瘍治療薬でも、同様にACE2 発現（量）を抑制することを確認しました。その結果、これら化合物（薬）によるウイルス受容体量の減少が感染するウイルス量を減らすことも明らかになり、新型コロナウイルス治療薬としての可能性が示されました。

【用語説明】
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(※１) ACE2量

　Angiotensin-converting enzyme 2(アンギオテンシン変換酵素２)の略称。細胞の膜に存在する膜タンパク質の一つ。新型コロナウイルスSARS-CoV-2のスパイクタンパク質は宿主のACE2に結合し感染が促進されるため、ウイルスの受容体として機能しており、受容体の量はウイルス感染に大きく影響を及ぼすと考えられる。ACE2発現やACE2発現量も同様の意味を示す。

(※２) )網羅的遺伝子発現解析

　DNAの一部の遺伝情報が読み出された(転写された)RNA量を網羅的に測定すること。DNA上に存在する遺伝子(遺伝情報)は、読み出されてRNAとなり、RNAは翻訳されてタンパク質になって実際に働くが、そのタンパク質の量的な調節にRNA量(遺伝子発現量)は重要な役割をはたす。その遺伝子発現量を各遺伝子ではなく一度に数千から数万測定する方法としてマイクロアレイ法やRNA-seqなどがある。

(※３) 芳香族炭化水素受容体(AHR)

　AHRはAryl Hydrocarbon Receptorの略称。様々なアリール炭化水素(＝多環芳香族炭化水素)などを リガンドとして結合するタンパク質。リガンドが結合することで活性化し、特定の遺伝子の発現を誘導することが知られている。AHRはダイオキシン類と結合することから、ダイオキシン受容体とも知られている。生体内の様々な物質と結合して生理的な作用を示すことも知られている。

(※４) トリプトファンの代謝物

　必須アミノ酸の一つ。側鎖にインドール環を持ち、芳香族アミノ酸に分類される。ナイアシンの体内活性物質であるNAD(H)、セロトニン・メラトニンといったホルモン、キヌレニン等生体色素、また植物において重要な成長ホルモンであるインドール酢酸の前駆体、インドールアルカロイド(トリプタミン類)などの前駆体として重要である。トリプトファンはその代謝物とともに、脳の健康や心血管代謝調節などさまざまな生理機能に重要な働きを果たしている。

(※５) 胃潰瘍治療薬であるプロトンポンプ阻害薬

　胃潰瘍などの消化性潰瘍の治療薬は様々存在するが、その内の一つがプロトンポンプ阻害薬である。胃壁細胞のプロトンポンプ(水素イオン，プロトンを能動輸送し、生体膜の内外に膜電位勾配を作り出す機能)に作用し、胃酸の分泌を抑制する薬。

(※６) 次世代シーケンサーを用いたRNA-seq

　次世代シーケンサーはラン当たり何億ものフラグメントを同時に大量にシーケンス(配列決定)できる。このハイスループットのプロセスにより、数千から数万もの遺伝子を一度にシーケンスできる。RNAのフラグメントをシークエンスする方法をRNA-seqと言い、読み込まれたRNAフラグメント量を遺伝子発現量に換算し、一度に大量の遺伝子発現量を測定することができる。

(※７) VERO細胞

　アフリカミドリザルの摘出腎臓から樹立された培養細胞株。VERO細胞は、多様なウイルスの増殖性がよく、ウイルス研究やウイルスワクチン生産にも汎用される。

(※８) TMPRSS2

　Transmembrane protease serine 2の略称。細胞膜に存在するセリンプロテアーゼのこと。新型コロナウイルスSARS-CoV-2のスパイクタンパク質は宿主の受容体(ACE2)に結合後、TMPRSS2によるタンパク質分解を受けることにより膜融合を促進し，ウイルスが細胞内に侵入(感染)する。

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【論文情報】

掲載誌：Scientific Reports (DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-96109-w)

論文タイトル：Inhibiting SARS-CoV-2 infection in vitro by suppressing its receptor, angiotensin-converting enzyme 2, via aryl-hydrocarbon receptor signal.

著者名：Keiji Tanimoto*, Kiichi Hirota, Takahiro Fukazawa, Yoshiyuki Matsuo, Toshihito Nomura, Nazmul Tanuza, Nobuyuki Hirohashi, Hidemasa Bono, Takemasa Sakaguchi　*責任著者

【お問い合わせ先】

＜研究に関すること＞

広島大学原爆放射線医科学研究所　准教授 谷本 圭司
TEL: 082-257-5841
E-mail: ktanimo@hiroshima-u.ac.jp

＜報道(広報)に関すること＞

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