病原体の病原性と株の多様性

病原体は疾患を引き起こす能力が異なり、同種内の株間でもその能力は異なります。病原体が引き起こす害の程度である病原性（virulence）は、伝播性（transmissibility）や重症度（severity）における株間の多様性とともに、なぜ一部の感染症が軽度で、他が致死的であるのか、また、同種の病原体によるアウトブレイクがなぜ大きく異なるのかを説明するのに役立ちます。このトピックでは、病原性の概念、それを形成する進化的要因、および株の多様性が集団における疾患の差異にどのように寄与するかを紹介します。

Definition

病原性（virulence）とは、宿主に損傷や疾患を引き起こす病原体の程度または能力を指します。株の多様性（strain variation）とは、同じ病原体種の遺伝的変異体（genetic variants）間で、病原性、伝播性、抗原性（antigenicity）、またはその他の特性に違いがあることを指し、集団における感染転帰の多様性に寄与します。

Scope

このトピックは、宿主と病原体の多様性のうち、病原体側に焦点を当てています。病原性（virulence）と病原力（pathogenicity）が何を意味するのか、それらがどのように概念化されているのか、病原性が特定の値を取る理由を説明する進化的トレードオフの考え方、そして株や遺伝子型（genotype）の違いが重症度や伝播における集団の多様性にどのように変換されるのかを扱います。これは概念的および疫学的に扱われ、微生物学的な実験室プロトコルや臨床管理としては扱われません。これは、同じ宿主が異なる株に対して異なる反応を示す理由を説明することで、宿主側のトピックを補完します。

Core questions

• 病原性（virulence）と病原力（pathogenicity）は何を意味し、それらは微生物単独の特性なのでしょうか？
• なぜほとんどの病原体において病原性は最大でも最小でもないのでしょうか？
• 病原性は伝播と関連してどのように進化するのでしょうか？
• 株または遺伝子型の多様性は、疾患の重症度と拡大の差異にどのように寄与するのでしょうか？

Key concepts

• 病原性（Virulence）
• 病原力（Pathogenicity）
• 病原性因子（Virulence factors）
• 株と遺伝子型の多様性（Strain and genotype variation）
• 伝播-病原性トレードオフ（Transmission-virulence trade-off）
• 弱毒化（Attenuation）
• 抗原多様性（Antigenic variation）

Key theories

病原性進化のトレードオフ仮説

トレードオフ仮説は、病原体が引き起こす害がその伝播と関連しているため、病原性は選択によって形成され、中間的な病原性がしばしば好まれると主張しています。Alizonらはその歴史、証拠、限界をレビューし、AndersonとMayは共進化モデリングの基礎を提供しました。

病原性の関係論的見方（損傷応答フレームワーク）

CasadevallとPirofskiは、病原性（virulence）と病原力（pathogenicity）は固定された微生物の特性ではなく、宿主-病原体相互作用から生じるものであり、結果として生じる損傷は微生物の属性だけでなく宿主の免疫状態にも依存すると主張しました。

Mechanisms

分子レベルでは、病原性は接着、侵入、複製、免疫回避、毒素産生を可能にする因子によって媒介されます。集団レベルでは、トレードオフ仮説（trade-off hypothesis）は病原性を進化した妥協点として捉えています。宿主のより大きな利用は伝播を増加させる可能性がありますが、宿主をより早く傷つけたり殺したりする可能性もあります。そのため、選択はしばしば中間的な値を好むとされており、これはAlizonらがレビューし、AndersonとMayの共進化フレームワーク内でモデル化されています。株の多様性は、突然変異、組換え、選択を通じて生じ、伝播性、重症度、または抗原性が異なる変異体を生み出します。CasadevallとPirofskiは、病原性に起因する損傷は宿主にも依存するため、病原性は固定された微生物の量としてではなく、関係性として解釈するのが最適であると警告しています。

Clinical relevance

病原性と株の違いは、同じ種が軽度または重度の疾患を引き起こす理由、およびアウトブレイクが異なる理由を説明するのに役立ちます。これは、集団レベルでのサーベイランスと重症度シグナルを解釈する上で関連性があります。このトピックは、疾患の多様性に対する病原体の寄与に関する概念的な参照であり、診断や治療の指針を提供するものではありません。

Epidemiology

株の多様性は、疾患における集団間の差異に寄与します。種の変異体は伝播性や重症度が異なる可能性があり、アウトブレイク間および地域間の多様性を形成します。進化的トレードオフの視点は、ほとんどの循環病原体が非病原性でも一様に致死的でもない理由を説明しており、この平衡状態は、新たな変異体の監視によって常に検証されています。

History

初期の微生物学では、病原性は微生物の固定された測定可能な特性として扱われていました。1982年のAndersonとMayによる共進化モデリングは、病原性を宿主-寄生体集団動態の中に位置づけ、Alizonらが後にレビューし批判的に評価した伝播-病原性トレードオフを動機づけました。並行して、CasadevallとPirofskiによる1999年以降の研究は、病原性（virulence）と病原力（pathogenicity）を宿主-病原体相互作用の関係性のある特性として再定義し、分野を微生物単独の視点から転換させました。

Debates

伝播-病原性トレードオフは、観察される病原性を適切に説明しているか？

トレードオフ仮説は影響力がありますが、その一般性と経験的裏付けについては議論があります。Alizonらは、それがどこで成立し、どこで証拠が弱いか、そして病原性の進化に対する代替または補完的な説明が何であるかをレビューしています。

Key figures

• Arturo Casadevall
• Liise-anne Pirofski
• Samuel Alizon
• Roy Anderson
• Robert May

Seminal works

• casadevall-pirofski-1999
• anderson-may-1982
• alizon-2009

Frequently asked questions

病原性は単に微生物の特性なのでしょうか？

現代の見方ではそうではありません。微生物は病原性因子を持っていますが、損傷応答モデルなどのフレームワークでは、病原性を関係性のあるものとして扱います。感染による害は、宿主の免疫状態を含む病原体と宿主の相互作用に依存します。

なぜ病原体は単に可能な限り有害になるように進化しないのでしょうか？

宿主への害は、病原体自身の伝播を減少させる可能性があるからです。トレードオフ仮説は、選択がしばしば中間的な病原性を好み、宿主の利用と新しい宿主への拡散の必要性とのバランスを取ると提唱しています。