cccDNA

cccDNA（共有結合性環状DNA ）は、一部のウイルスが細胞核内で増殖する際に生じる特殊なDNA構造であり、細胞核内に永続的に留まることがあります。cccDNAは二本鎖DNAで、線状構造から始まり、 DNAリガーゼによって共有結合性環状構造に連結されます。ほとんどの場合、ウイルスDNAの転写は環状構造からのみ行われます。ウイルスのcccDNAは、エピソームDNA、あるいはミニ染色体とも呼ばれます。

cccDNAはバクテリオファージで初めて記載されましたが、DNAウイルス（ポリオーマウイルス科）の感染が検出された細胞培養でも発見されました。[ 1 ] [ 2 ] cccDNAは、B型肝炎ウイルス（HBV）を含むカリモウイルス科とヘパドナウイルス科に典型的に見られます。HBVのcccDNAは、カプシド結合型弛緩環状DNA（rcDNA）の変換によって形成されます。 [ 3 ] B型肝炎感染後、cccDNAは臨床治療後も肝細胞内に残存し、まれに再活性化することがあります。存在するcccDNAの相対量は、HBV治療の指標となります。[ 4 ]

cccDNAとB型肝炎ウイルスの背景

閉鎖結合性環状DNA（cccDNA）は、細胞への感染に反応して形成される特異なDNA構造です。ゲノムDNAが細胞核に入り込み、部分的に二本鎖DNAとなったものがcccDNAに変換されます。

CccDNAは、主にB型肝炎ウイルス（HBV）の感染において注目されています。世界中で約2億5,700万人がこのウイルスに慢性感染しており、肝硬変や肝細胞癌（HCC）を発症するリスクが高まっています。[ 5 ]慢性感染は、cccDNAミニ染色体が宿主肝細胞（肝細胞）の核内に残存することを特徴とします。[ 6 ]現在の治療法では、宿主肝細胞からウイルスミニ染色体を完全に除去することはできません。[ 7 ]そのため、宿主の「機能的治癒」を目指しており、そのためには転写サイレンシングによるウイルスcccDNAの遮断が必要です。[ 5 ]感染した肝細胞からcccDNAを除去しなければ、感染者を完全に治癒することはできませんが、これは現時点では不可能です。[ 8 ]

CDC推奨ワクチン接種スケジュール

HBV病原体は、高い組織特異性および種特異性を有する小型の血液感染性ウイルスであり、感染した血液または体液への曝露を通じて感染する。[ 6 ]ウイルスが感染できる唯一の細胞は肝細胞であり、感染後、血流によって肝細胞に到達する。[ 6 ]肝細胞は肝臓組織の細胞であり、タンパク質の合成と貯蔵に関与している。この疾患はワクチン接種によって予防できるが、乳児などの高リスク者は、以前にワクチン接種を受けていない場合、慢性肝疾患を発症する確率が90％にも達する可能性がある。[ 9 ]そのため、CDCは、B型肝炎ワクチンの初回投与を出生直後に行うことを推奨している。[ 10 ] CccDNAとその核内での持続性は、効果的な治療の最大の障害であり、厳格なB型肝炎ワクチン接種スケジュールの理由となっている。[ 10 ]

実際には、cccDNA を利用する生物として知られているのは B 型肝炎ウイルスだけです。より具体的には、cccDNA は肝細胞の感染に大きく寄与する反応中間体です。 [ 11 ]感染期間中の cccDNA の持続は、HBV の蔓延において重要な役割を果たしてきました。[ 11 ]研究によると、歴史的に HBV 根絶に向けての進歩がほとんどなかった主な理由は cccDNA です。[ 12 ]多くの場合、感染が治まった後でも、cccDNA がまだ検出されます。[ 12 ]現在、HBV の治療にはヌクレオチド類似体(NA) が使用され、これは 1990 年代後半に初めて臨床使用されました。[ 12 ]長年にわたりさまざまな治療技術が試されてきましたが、HBV の治療法はまだ発見されていません。研究者たちは、この原因を cccDNA を無効にできないことにあると考えています。[ 12 ]将来の治療法では、この因子を除去することに直接焦点を当てる必要があるだろう。[ 12 ]

cccDNAの特性

cccDNA の半減期時間を使用して cccDNA の半減期をモデル化するために使用できる一般的な半減期グラフ。

cccDNAは、cccDNAに関連する特定のウイルスに感染した細胞の核内で安定したミニ染色体を形成することができます。 [ 13 ]核の一部として、cccDNAはヒストンおよび非ヒストンタンパク質と相互作用して、クロマチンに似た構造を形成できます。[ 14 ]宿主のクロマチンと同様に、cccDNAの転写は2つのエンハンサーと4つの異なるプロモーターの制御によって制御されます。また、転写因子、コアクチベーター、コリプレッサー、クロマチン修飾酵素などの複数の調節因子にも依存します。さらに、cccDNAは、ウイルス複製および5つのウイルスRNAのDNA転写のテンプレートとして機能し、ウイルス抗原の生成を可能にします。[ 13 ]

各細胞中のcccDNAコピー数を定量化することは困難です。なぜなら、cccDNAコピー数は細胞の種類や感染の種類に依存するからです。cccDNAの半減期はまだ決定されていませんが、in vitro試験では細胞の寿命と同程度の長さであることが確認されています。[ 13 ]最近のHBVに関するin vitro試験では、ヒト肝細胞（ HepG2 ）の半減期は40日であり、推定寿命は58日であることが示されました。ヒト肝細胞のin vivo半減期はまだ決定されていません。[ 15 ]

HBV複製におけるcccDNAの役割

CccDNAはB型肝炎ウイルス（HBV）と関連しており、ウイルスは共有結合によってプラスミドを構築します。ウイルス内の核のヒストン含有領域にはcccDNAがよく見られ、通常はクロマチンのヒストンと同様に相互作用します。細菌の特異性を決定するために利用可能なモデルは現在、初代培養ヒト肝細胞（PHH）と分化HepaRG（dHepaRG）の3種類の細胞培養タイプに限られています。[ 16 ]これらのモデルから、cccDNAの転写を介してHBVの複製が観察されました。cccDNAの根絶効率が低いため、薬物治療が妨げられているのは、こうしたモデルの不足です。[ 17 ]

HepaRGはHBV感染を成功させた最初の細胞株であり、感染はヒト肝細胞によってのみ宿主となることを実証した。[ 18 ]肝細胞様細胞を分化誘導剤に曝露した後、高レベルのcccDNAを含む既知のHBVキャリアからウイルス源を導入し、HBV表面抗原レベルを分析したところ、HepaRG細胞で感染が複製されたことが示された。[ 19 ]通常、HBVは、健常細胞と感染細胞のサザンブロット動態を介してcccDNAレベルを測定し、ドットブロットで定量化する。これらの感染細胞では、複製マーカーとして機能するcccDNAと表面抗原であるHBsAgの分泌レベルとの間に強い相関関係が認められる。[ 18 ]

生物学的機能

CccDNAは、rcDNA（緩和環状DNA）から、マイナス鎖DNAの5'末端にあるウイルスポリメラーゼの除去、プラス鎖の5'末端の除去、マイナス鎖からの短い末端冗長性の1つのコピーの除去を通じて形成される。これらの除去が行われると、プラス鎖が完成し、2つのウイルスDNA鎖のライゲーションが起こる。 [ 16 ]感染のメカニズムは、細胞自身のDNA修復酵素によって実行されると推測される、緩和環状二本鎖DNA（rcDNA）からウイルステンプレートからのcccDNAへの変換に由来する。このプロセスは、 cccDNA転写産物が正常細胞のrcDNAゲノムに逆転写されることによって起こる。rcDNAの脱プロトン化は、ポリメラーゼ連鎖反応を介してcccDNAの前駆体として機能する。[ 20 ] [ 21 ] cccDNAの形成と代謝のメカニズムの次のステップについては議論があるが、ノックアウト実験が裏付けているように、リガーゼ阻害剤が重要な役割を果たすことが知られている。DNAリガーゼ1とDNAリガーゼ3はcccDNAの形成を直接減少させるが、DNAリガーゼ4は二本鎖線状DNAにおけるcccDNAの形成にのみ重要である。[ 21 ]

部分的に二本鎖になったrcDNAからcccDNAへのこの変換は、通常、肝細胞が感染したときに起こります。[ 22 ] cccDNAは、ウイルスの複製とタンパク質の生産を完了するために必要なすべての装置を生成できるため、宿主の半保存的DNA複製機構を使用する必要はありません。[ 22 ]

cccDNA生成の誘因と制御は完全には解明されていないが、約10～50個のコピーが生成されると、cccDNA生成を抑制する負のフィードバックを伴うシステムが存在する可能性があると考えられている。cccDNAプールは一度生成されると容易に維持できるため、cccDNAプールを作成するために細胞を複数回感染させる必要はない。[ 23 ] cccDNAは希釈されたり、有糸分裂によって失われたりする可能性はあるが、一般的にcccDNAは肝細胞のライフサイクル全体にわたって生存能力に影響を与えることなく存在することができる。このcccDNAの生涯にわたる持続性は、HBVに対する観察される生涯にわたる免疫応答を説明すると考えられている。[ 24 ]

免疫介在性、エピジェネティック、およびウイルス因子はすべて、cccDNA の活性に影響を及ぼすと考えられている。これらのさまざまな因子が生体内での cccDNA の活性に影響を及ぼすメカニズムの調査は、利用可能な動物宿主が限られているため、かなり限られている。[ 25 ]免疫介在性因子に関しては、研究により、炎症性サイトカインがウイルスの複製を抑制し、感染細胞内の cccDNA プールを減少させることが示されている。さらに、 cccDNA のアセチル化と脱アセチル化は、cccDNA の転写、ひいてはウイルスの複製を制御すると考えられている。アセチル化はウイルスの複製と相関することがわかっており、一方、脱アセチル化は in vitro でのウイルス複製の低下と相関することがわかっている。[ 22 ]アセチル化と脱アセチル化が生体内での cccDNA の活性に及ぼす影響を研究するには、さらなる調査が必要である。

参考文献

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