題　名：「Principles of Virology, Volume 1: Molecular Biology」

著　者： S. Jane Flint, Vincent R. Racaniello, Glenn F. Rall, Anna Marie Skalka, & 1 more

出版年：2015年8月18日

ISBN-10：9781555819330

ISBN-13：978-1555819330

出版社：ASM Press

題　名：「Principles of Virology, Volume 2: Pathogenesis and Control」

著　者： S. Jane Flint, Vincent R. Racaniello, Glenn F. Rall, Anna Marie Skalka, & 1 more

出版年：2015年8月18日

ISBN-10：1555819346

ISBN-13：978-1555819347

出版社：ASM Press

pp. 10

From the earliest times, poisonous air (miasma) was generally invoked to account for epidemics of contagious diseases, and there was little recognition of the differences among causative agents. The association of particular microorganisms, initially bacteria, with specific diseases can be attributed to the ideas of the German physician Robert Koch. He developed and applied a set of criteria for identification of the agent responsible for a specific disease (a pathogen), articulated in an 1890 presentation in Berlin. These criteria, Koch’s postulates, can be summarized as follows.

• The organism must be regularly associated with the disease and its characteristic lesions.
• The organism must be isolated from the diseased host and grown in culture.
• The disease must be reproduced when a pure culture of the organism is introduced into a healthy, susceptible host.
• The same organism must be reisolated from the experimentally infected host (Box 1.4).

By applying his criteria, Koch demonstrated that anthrax, a common disease of cattle, was caused by a specific bacterium (designated Bacillus anthracis) and that a second, distinct bacterial species caused tuberculosis in humans. Guided by these postulates and the methods for the sterile culture and isolation of pure preparations of bacteria developed by Pasteur, Joseph Lister, and Koch, many pathogenic bacteria (as well as yeasts and fungi) were identified and classified during the last part of the 19th century (Fig. 1.5). From these beginnings, investigation into the causes of infectious disease was placed on a secure scientific foundation, the first step toward rational treatment and ultimately control. Furthermore, during the last decade of the 19th century, failures of the paradigm that bacterial or fungal agents are responsible for all diseases led to the identification of a new class of infectious agents — submicroscopic pathogens that came to be called viruses.

Box 1.4

DISCUSSION

New methods extend Koch’s principles

While it is clear that a microbe that fulfills Kochs postulates is almost certainly the cause of the disease in question, we now know that microbes that do not fulfill such criteria may still represent the etiological agents of disease. In the latter part of the 20th century, new methods were developed to associate particular viruses with disease based on immunological evidence of infection, for example, the presence of antibodies in blood. The availability of these methods led to the proposal of modified “molecular Kochs postulates” based on the application of molecular techniques to monitor the role played by virulence genes in bacteria.

The most revolutionary advances in our ability to link particular viruses with disease (or benefit) come from the more recent development of high-throughput nucleic acid sequencing methods and bioinformatics tools that allow detection of viral genetic material directly in environmental or biological samples, an approach called viral metagenomics. Based on these developments, alternative “metagenomic Kochs postulates” have been proposed in which (i) the definitive traits are molecular markers such as genes or full genomes that can uniquely distinguish samples obtained from diseased subjects from those obtained from matched, healthy control subjects and (ii) inoculating a healthy individual with a sample from a diseased subject results in transmission of the disease as well as the molecular markers.

Falkow S. 1988. Molecular Kochs postulates applied to microbial pathogenicity Rev Infect Dis 10(Suppl 2): S274-S276 .
Fredericks DN, Reiman DA. 1996. Sequence-based identification of microbial pathogens; a reconsideration of Kochs postulates. Clin Microbiol Rev 9:18-33 . Mokili JL, Rohwer F, Dutilh BE. 2012. Metagenomics and future perspectives in virus discovery Curr Opin Virol 2:63-77 .
Racaniello V. 22 January 2010. Kochs postulates in the 21st century Virology Blog. http://www. virology ws/2010/01/22/kochs-postulates-in-the-21st-century/

伝染病の流行を説明するために、古代から一般的に毒気（瘴気）が引き合いに出され、その原因となる因子の違いについてはほとんど認識されていなかった。特定の微生物（当初はバクテリア）が特定の病気と関連づけられるようになったのは、ドイツの医師ロベルト・コッホの考えに起因する。コッホは1890年にベルリンで発表した論文で、特定の病気の原因となる因子（病原体）を特定するための一連の基準を開発し、適用した。これらの基準はコッホの原則と呼ばれ、以下のように要約される。

• その微生物は、疾患およびその特徴的な病変と恒常的に関連していなければならない。
• その微生物は罹患宿主から分離され、培養されなければならない。
• その微生物の純粋培養物を健康で感受性のある宿主に導入すると、病気が再現されなければならない。
• 実験的に感染させた宿主から同じ微生物が再び分離されなければならない。（Box 1.4）

コッホは、その基準を適用することによって、牛の一般的な病気である炭疽病が特定の細菌（炭疽菌）によって引き起こされること、またもう一つの異なるバクテリア種がヒトの結核を引き起こすことを証明した。これらの原則と、パスツール、ジョセフ・リスター、コッホが開発したバクテリアの純粋な調製物を無菌培養・分離する方法にしたがって、19世紀後半には多くの病原性バクテリア（酵母や真菌も同様）が同定され、分類された（図1.5）。このような始まりから、感染症の原因究明は確実な科学的基盤の上に置かれ、合理的な治療、ひいては制圧への第一歩となった。さらに、19世紀最後の10年間には、バクテリアや真菌がすべての病気の原因であるという既成概念が崩れ、新たな感染症因子のクラスが特定された――ウィルスと呼ばれるようになった微小な病原体である。

Box 1.4

ディスカッション

新しい方法はコッホの原理を拡張する

コッホの原則を満たす微生物が、ほぼ間違いなく問題の病気の原因であることは明らかであるが、そのような基準を満たさない微生物が、依然として病気の病原性因子となる可能性があることも、今ではわかっている。20世紀後半には、例えば血液中の抗体の存在など、免疫学的な感染の証拠に基づいて、特定のウイルスと病気を関連付ける新しい方法が開発された。これらの方法が利用可能になったことで、細菌の病原性遺伝子が果たす役割を確認するための分子技術の応用に基づき、修正された「分子コッホの原則」が提唱されるようになった。

特定のウイルスと疾患（または利益）を関連付ける能力において最も画期的な進歩は、高スループット核酸配列決定法とバイオインフォマティクスツールの開発によるもので、環境サンプルや生物学的サンプル中のウイルス遺伝物質を直接検出することができるようになり、これはウイルスメタゲノミクスと呼ばれるアプローチである。これらの開発に基づいて、代替的な「メタゲノミクス・コッホの原則」が提唱されている。(i)決定的な形質とは、遺伝子や全ゲノムなどの分子マーカーであり、この分子マーカーによって、罹患者から得られたサンプルと、照合させた健常対照者から得られたサンプルとを一意に区別することができ、(ii)健常者に罹患者のサンプルを接種すると、分子マーカーと同様に病気も伝播する。

Falkow S. 1988.分子コッホの原則を微生物の病原性へ応用する． Rev Infect Dis 10(Suppl 2)： S274-S276 .
Fredericks DN, Reiman DA. 1996. 配列に基づく微生物病原体の同定：コッホの原則の再考．Clin Microbiol Rev 9:18-33 .  
Mokili JL, Rohwer F, Dutilh BE. 2012. メタゲノム解析とウイルス探索の将来展望 Curr Opin Virol 2:63-77 .
Racaniello V. 2010年1月22日. 21世紀のウイルス学におけるコッホの原則．ブログ：http://www. virology ws/2010/01/22/kochs-postulates-in-the-21-century/

pp. 5

DISCUSSION

Why viruses may not fulfill Koch's postulates.

Although Kochs postulates provided a framework to identify a pathogen unambiguously as an agent of a particular disease, some infectious agents, including viruses, cause disease but do not adhere to all of the postulates. In fact, it has been argued that the rigid application of these criteria to viral agents may have impeded early progress in the field of virology. Koch himself became aware of the limitations of his postulates upon discovery that Vibrio cholerae, the agent of cholera, could be isolated from both sick and healthy individuals.

Application of these criteria to viruses can be particularly problematic. For example, the first postulate, which states that the microorganism must be “regularly associated” with the disease, does not hold true for many animal reservoirs, such as bats, in which the virus actively reproduces but causes no disease. Similarly, arthropod vectors, such as mosquitoes, support reproduction of a variety of hemorrhagic viruses but do not themselves die of such infections. As another example of the problem of unilaterally applying Kochs postulates to viruses, the second postulate states that the microorganism must be grown in culture. However, many viruses, including papillomaviruses that cause warts and cervical cancer and hepatitis B virus that causes liver cirrhosis and cancer, cannot be cultured, or require complex culture conditions that must mimic the tissue complexity found in the infected host. Consequently, it is generally accepted that the postulates are a guide, not an invariant set of requirements to fulfill.

More recently, detection methods based on nucleic acid sequence have rendered Kochs original postulates even less relevant. Such approaches alleviate the requirement to culture the suspected agent and are sufficiently sensitive to detect the presence of vanishingly small quantities of viral nucleic acid in an apparently healthy individual. As such, a revised set of Kochs postulates that takes into consideration new technical capabilities has been proposed (see Volume I, Box 1.4).

Assiduously applying the postulates has been particularly problematic for identifying viruses that cause human tumors. As noted in a review by Moore and Chang, Kochs postulates “are a brilliant example of precision in scientific thinking, but they hold little practical value for 21st-century tumor virology since they cannot prove nor disprove most candidate tumor viruses to cause cancers.” Whether Kochs postulates will continue to be a useful standard to identify pathogens or will become an historical footnote remains to be seen.

Fredericks, DN, Reiman, DA. 1996. Sequence-based identification of microbial pathogens: a reconsideration of Kochs postulates. Clin Microbiol Rev 9:18-33 .
Moore PS, Chang Y. 2014. The conundrum of causality in tumor virology: the cases of KSHV and MCV. Semin Cancer Biol 26:4-12.

ディスカッション

ウイルスがコッホの原則を満たさない理由

コッホの原則は、病原体が特定の疾患の原因であることを明確に特定するための枠組みを提供したが、ウイルスを含むいくつかの感染性病原体は、疾患を引き起こすにもかかわらず、すべての法則を満たしていない。実際、ウイルス病原体に対してこれらの基準を厳格に適用したことが、ウイルス学分野の初期の進歩を妨げた可能性があると言われている。コッホ自身は、コレラの原因菌であるコレラ菌が病人からも健康な人からも分離できることを発見したとき、この原則の限界に気づいた。

これらの基準をウイルスに適用することは特に問題となる。例えば、微生物が病気と「恒常的に関連している」ことが必要であるという第1原則は、コウモリのようにウイルスが活発に増殖しているにもかかわらず病気を引き起こさない動物の感染源には当てはまらない。同様に、蚊のような節足動物の媒介動物も、さまざまな出血性ウイルスの増殖を助けるが、そのような感染症で死ぬことはない。コッホの原則をウイルスに一方的に適用することの問題のもう一つの例として、第二の原則は、微生物は培養して増殖させなければならないと述べている。しかし、イボや子宮頸がんの原因となるパピローマウイルスや肝硬変やがんの原因となるB型肝炎ウイルスなど、多くのウイルスは培養できないか、感染した宿主に見られる組織の複雑さを模倣しなければならない複雑な培養条件を必要とする。従って、この原則はあくまでも目安であり、不変の条件を満たすものではないことが一般に認められている。

さらに最近では、核酸配列に基づく検出法によって、コッホの当初の原則はさらに意味をなさなくなった。このようなアプローチにより、疑われる病原因子を培養する必要性が軽減され、一見健康な個体からごく少量のウイルス核酸を検出するのに十分な感度を持つようになった。そのため、新たな技術的可能性を考慮したコッホの原則の改訂版が提案されている（第1巻、ボックス1.4参照）。

この原則を忠実に適用することは、ヒトの腫瘍を引き起こすウイルスを同定する上で特に問題となった。ムーア（Moore ）とチャン（Chang）によるレビューにあるように、コッホの原則は「科学的思考における正確さの見事な例であるが、癌を引き起こす腫瘍ウイルスの候補のほとんどを証明することも反証することもできないため、21世紀の腫瘍ウイルス学にとって実用的な価値はほとんどない。」コッホの原則が今後も病原体を特定するための有用な基準であり続けるのか、それとも歴史的な脚注となるのかは、まだわからない。

Fredericks, DN, Reiman, DA. 1996. 配列に基づく微生物病原体の同定：コッホの定理の再考．Clin Microbiol Rev 9:18-33 .
Moore PS, Chang Y. 2014. 腫瘍ウイルス学における因果関係の難問：KSHVとMCVの場合．Semin Cancer Biol 26:4-12.