「フェロモン受容体」の版間の差分

DOI：<selfdoi />　原稿受付日：2018年4月18日　原稿完成日：2018年8月11日<br>

担当編集委員：[http://researchmap.jp/2rikenbsi 林 康紀]（京都大学大学院医学研究科）<br>

英語名：pheromone receptor　独：Pheromon-Rezeptor　仏：récepteur des phéromones

{{box|text=　フェロモンとは、「ある個体から分泌され同種他個体において何らかの行動や生理作用を引き起こす化学物質」のことであると定義される。フェロモン受容体は、これらのフェロモン分子を受容するタンパク質である<ref name=Kazushige2009><pubmed>19575682</pubmed></ref>。哺乳類では一般的にフェロモンは鼻腔下部に存在する鋤鼻神経に発現する鋤鼻受容体（Vomeronasal receptor : VR）によって受容される。VRには1型と2型（V1RとV2R）の2種類が存在する。また一部の揮発性のフェロモンは、嗅神経細胞に発現する嗅覚受容体（OR）によって受容される。V1R、V2R、ORは、全て7回膜貫通型のGタンパク質共役型受容体（GPCR）である。昆虫においては、嗅覚受容体の一部がフェロモンの受容に特化してフェロモン受容体として機能すると報告されている。昆虫のフェロモン受容体は哺乳類のフェロモン受容体とは異なり、7回膜貫通型のリガンド作動性陽イオンチャネルであり、ヘテロ複合体で機能していると考えられている<ref name=Kazushige2009/>。}}

== 哺乳類 ==

　陸棲の脊椎動物の多くは、[[主嗅覚系]]と[[鋤鼻系]]（[[副嗅覚系]]）という2つの嗅覚システムを有している（'''図１'''、'''２'''）<ref name=Munger2009><pubmed>18808328</pubmed></ref>。鋤鼻系の機能に関しては、[[げっ歯類]]において[[鋤鼻器]]を切除するとオスの[[攻撃性|攻撃行動]]や[[性行動]]に異常をきたすことから、[[フェロモン]]を受容する役割を持つとされていた<ref><pubmed>3032065</pubmed></ref>。

　嗅覚受容体遺伝子候補同定から4年後の1995年に、DulacとAxelは、ラットの鋤鼻神経からフェロモン受容体遺伝子候補（後にV1Rと呼ばれる鋤鼻受容体）のクローニングに成功した<ref name=Dulac1995><pubmed>7585937</pubmed></ref>。最初は鋤鼻器に発現する嗅覚受容体相同遺伝子の単離を試みたが失敗に終わった。次に戦略を変更し、鋤鼻器特異的に発現する受容体を、単一の鋤鼻神経から[[ディファレンシャルスクリーニング法]]によってスクリーニングしたところ、V1R遺伝子群が得られた。

 

　V1Rは有力なフェロモン受容体候補であったが、''in vitro''での機能的発現が困難であったためフェロモン受容機能はなかなか実証されなかった。2000年にZufallらのグループは、マウス鋤鼻上皮の上層に局在する鋤鼻神経細胞が複数種類の揮発性フェロモンに電気的応答をすることを示し、V1Rの関与が示唆された<ref><pubmed>10866200</pubmed></ref>。そして2002年にマウス尿中に含まれる揮発性フェロモンである[[2-ヘプタノン]]がV1R遺伝子フェミリーの一つである[[V1R2b]]によって特異的に受容されることが示され、V1R遺伝子がフェロモン受容体をコードしていることが証明された<ref name=Boschat2002><pubmed>12436115</pubmed></ref>。

 

　V1R遺伝子はマウスにおいて191個から成る多重遺伝子ファミリーを形成していて、配列中に[[イントロン]]を含まない<ref name=Dulac1995/><ref><pubmed>19952141</pubmed></ref>。鋤鼻上皮において上層側の鋤鼻神経細胞には１つの細胞につき１種類のV1Rが[[モノアレル]]に発現している<ref><pubmed>17611603</pubmed></ref>。マウスと[[ラット]]という比較的近縁な種間でもV1R遺伝子のレパートリーが大きく異なることから、V1Rの進化は比較的早く、種特異的なフェロモン受容を可能にしていることが予想される<ref><pubmed>15790682</pubmed></ref>。

 

　V1Rを介したフェロモンの受容メカニズムとして、以下のようなシグナル伝達機構が考えられている<ref name=Munger2009/>。

 

 

　この下流として2種類のシグナル伝達機構が考えられている。1つ目はDAGが[[TRPC2]]チャネルに結合することでチャネルが開口してNa⁺やCa²⁺が細胞内に流入して脱分極が引き起される経路である<ref><pubmed>14642279</pubmed></ref>。

 

　もう一つはDAGが[[DAGリパーゼ]]によって加水分解され[[アラキドン酸]]が産生し、アラキドン酸がCa²⁺感受性チャネルに結合することでCa²⁺が細胞内に流入することで脱分極が引き起こされる経路である<ref><pubmed>12351717</pubmed></ref><ref><pubmed>20147653</pubmed></ref>。このような細胞内シグナル伝達を経て、V1Rが受け取ったフェロモン情報は電気信号へと変換される。

 

　V1Rを発現する鋤鼻神経細胞は一次中枢である[[副嗅球]]の口吻側に投射しており、副嗅球でシナプスを介して二次神経に信号が伝わる。二次神経は、[[扁桃体内側核]]や[[分界上床核]]へと軸索を伸ばし、その後、[[視床下部]]などの高次脳領域へ情報が伝達されていく<ref name=Dulac2006><pubmed>16953793</pubmed></ref>。

 

　揮発性フェロモン受容の例として、オスとメス両方のマウスの尿中に含まれる2-ヘプタノンは[[V1Rb2]]によって受容され、メスの[[発情期]]を延長させる<ref name=Boschat2002/>。

 

　ステロイド受容の例として、発情期のメスマウスの尿中に含まれる[[エストロゲン]]硫化物は、[[V1rj2]]と[[V1rj3]]に受容される<ref name=Haga2014><pubmed>25073926</pubmed></ref>。エストロゲン硫化物を塗った[[wj:卵巣|卵巣]]除去メスに対しては、オスはマウント行動を示さない。一方、非発情期のメス尿とエストロゲン硫化物を同時に塗った場合は、オスのマウントが促進される。これらのことから、オスはメス特異的なシグナルと発情状態を示すシグナルを同時に受容した場合に性行動が促進されることが示唆される<ref name=Haga2014/>。

 

　Puntaらは、2つのV1Rクレードを含む16種類のV1R遺伝子群を欠損させたマウスを作製したところ、このマウスでは母親の攻撃行動やオスの性行動が消失することを見出した。これらの行動を引き起こすのに必要なフェロモン受容体が、欠損した16種のV1R遺伝子群に含まれていると考えられる<ref><pubmed>12214233</pubmed></ref>。

 

　Isogaiらは、マウスにおいて、初期応答遺伝子[[Egr1]]を鋤鼻神経活動の指標とし、同種および他種生物由来の様々な刺激に対する鋤鼻神経応答プロファイルを作成した。その結果、V1Rは同種だけでなく異種生物由来のシグナル（[[カイロモン]]）も受容することが示されている<ref name=Isogai2011><pubmed>21937988</pubmed></ref>。

　1995年に発見されたV1Rは鋤鼻上皮の上層に局在し、Gαi2タンパク質と共役していた。そこで鋤鼻上皮の下層に発現する[[Gαo]]タンパク質と共役する受容体の存在が示唆され、新たなフェロモン受容体遺伝子の探索がなされた。V1R遺伝子発見から2年後の1997年に3つのグループが、ほぼ同時に新たなフェロモン受容体遺伝子候補（後にV2Rと呼ばれる鋤鼻受容体遺伝子）のクローニングに成功した<ref name=Herrada1997><pubmed>9288755</pubmed></ref><ref name=Ryba1997><pubmed>9292726</pubmed></ref><ref name=Matsunami1997><pubmed>9288756</pubmed></ref>。

 

　V2Rのフェロモン受容機能の実証は、オスマウスの涙に含まれるペプチド性フェロモンである[[眼窩外涙腺由来ペプチド]][[ESP1]]が[[V2Rp5]]という単一のV2Rのみに特異的に受容され、受容したメスマウスのオス受け入れ行動（[[ロードシス反射]]）が促進されるという研究によってなされた<ref><pubmed>16208374</pubmed></ref><ref name=Haga2010><pubmed>20596023</pubmed></ref>。

　V2Rは7回膜貫通型のGPCRである（'''図１'''）。マウスはゲノム上に121個のV2R遺伝子を有する<ref><pubmed>17382427</pubmed></ref>。またV2RはV1Rと異なり配列中にイントロンを含む<ref name=Herrada1997/><ref name=Ryba1997/><ref name=Matsunami1997/>。

　V2Rを介したシグナル伝達機構は未だ明らかになっていないが、V2Rを発現する鋤鼻神経細胞にはGタンパク質のGαo、[[Gβ2]]、[[Gγ8]]やPLCβ2やTRPC2などが発現していることが明らかになっている。また、TRPC2遺伝子欠損マウスでは全てのV2Rリガンドに対する応答がなくなるのではなく、一部のV2Rリガンドに対しては応答が変化しないことが報告されている<ref name=Haga2010/><ref name=Chamero2007><pubmed>18064011</pubmed></ref><ref><pubmed>16820028</pubmed></ref>。これらのことからV2Rのシグナル伝達は、V1Rと同様に2種類存在し、PLCβ2-TRPC2経路と、DAG分解によって生じたアラキドン酸がCa²⁺感受性チャネルを開口させてCa²⁺流入を生じさせる経路であると考えられている<ref name=Munger2009 />。

 

　V2Rを発現する鋤鼻神経細胞は副嗅球の尾側に投射し、V1Rと同様に副嗅球でシナプスを介して扁桃体内側核や分界上床核へと情報が伝達され、その後、視床下部などの高次中枢へと情報が伝達されていく<ref name=Dulac2006/>。

　V2Rはタンパク質あるいはペプチド性のフェロモンを受容する。現在マウスにおいて、V2Rとフェロモンの対応づけがなされているのは、Touharaらのグループが報告したV2Rp5とオスマウスが分泌する眼窩外涙腺由来ペプチドESP1のみである。ESP1はオスの涙中に分泌される7 kDaのペプチド性のフェロモンであり、V2Rp5のみによって受容される。ESP1の情報は脳内で性的二型に処理され、メスとオスで異なる効果をもたらす。ESP1はメスにおいて[[オス受け入れ行動]]（[[ロードシス反射]]）を促進し、オスでは攻撃行動を亢進する<ref name=Haga2010/><ref><pubmed>27151664</pubmed></ref><ref><pubmed>28648498</pubmed></ref>。

 

　さらにESP1は流産を引き起こす[[ブルース効果]]にも関与することが報告されている<ref><pubmed>29033330</pubmed></ref>。

 

　他にもV2Rによって受容されるフェロモンは数例報告されているが、それらの受容体は同定されていない<ref name=Chamero2007/><ref><pubmed>24766811</pubmed></ref><ref><pubmed>24089208</pubmed></ref>。またV2RもV1Rと同様に他種由来の化学シグナルを受容する<ref name=Isogai2011/>。例えば天敵である[[ネコ]]の[[唾液]]由来のタンパク質を受容すると忌避行動が生じることが報告されている<ref><pubmed>20478258</pubmed></ref>。

と仮定して、[[縮重プライマー]]を利用した[[wj:PCR|PCR]]法を導入することによって1991年にOR候補遺伝子のクローニングに成功した<ref><pubmed>1840504</pubmed></ref>。その後、[[ウイルスベクター]]を用いてORを嗅神経細胞に発現させる再構成実験がされ、ORが実際に匂い分子を受容してシグナルを伝えることが証明された<ref><pubmed>9422698</pubmed></ref><ref><pubmed>10097159</pubmed></ref>。

 

　ORは7回膜貫通型のGPCRである。ORは哺乳類の中で最大の多重遺伝子ファミリーを形成していて、マウスは1035個、ヒトは396個のOR遺伝子を有する<ref><pubmed>23024602</pubmed></ref>。OR遺伝子発現に関しては、1つの嗅神経細胞には1種類のOR遺伝子が発現する「1神経1受容体ルール」とモノアレルの発現制御が特徴的である<ref><pubmed>21469960</pubmed></ref>。

 

　ORはN末端の細胞外領域が比較的短いクラスAのGPCRに属する（'''図１'''）。ORの結晶構造は解かれていないが、アミノ酸の部位特異的変異を導入したORのリガンド結合能を評価した実験から、3、５、6番目のヘリックスに位置するアミノ酸残基がリガンド結合に重要であることが報告されている<ref><pubmed>15716417</pubmed></ref><ref><pubmed>17114180</pubmed></ref>。

　ORは嗅神経細胞においてGsタイプに属する[[Gαolf]]と共役する。そのシグナル伝達様式は以下の通りになる。匂い刺激を受けてORによって活性化されたGαolfが[[アデニル酸シクラーゼ]]を活性化し、ATPをcAMPに変換する。[[cAMP]]の濃度上昇により[[環状ヌクレオチド作動性チャネル]]が開口してNa⁺、Ca²⁺が細胞内に流入し、さらにCa²⁺活性化型Cl^-チャネルが開口することで[[細胞膜]]が[[脱分極]]すると考えられている。このような細胞内シグナル伝達を経て、ORが受け取った匂い分子の化学情報が電気信号に変換される<ref name=Munger2009/>。嗅神経細胞は軸索を主嗅覚系の一次中枢である嗅球へと投射し、シナプスを介してさらに高次へと信号が伝わっていく。

　以前はフェロモン受容体といえばV1RおよびV2Rとされていて、ORは一般的な匂いのみを受容するものとされていた。しかし現在はORの一部も揮発性フェロモンを受容していることが示唆されている。例えば、オスマウスの[[包皮腺]]由来の[[wj:不飽和アルコール|不飽和アルコール]]である[[Z5-14:OH]]はメスに対して誘引効果を持つフェロモンでありOlfr288によって受容される<ref name=Yoshikawa2013/>。また、オスマウスの尿中に含まれる[[(methylthio)methanethiol]]（MTMT）も同様にしてメスに対して誘引効果を持ち[[MOR244-3]]によって受容される<ref name=Lin2005/><ref><pubmed>22328155</pubmed></ref>。

 

　嗅上皮に発現する[[Trace amine-associated receptor]]（TAAR）は揮発性のアミンを受容し、フェロモン受容の機能が報告されている。[[TAAR5]]は尿中に含まれる[[トリメチルアミン]]を受容し、誘引行動に関与することが報告されている<ref><pubmed>23177478</pubmed></ref>。

 

　また、嗅上皮の窪みに位置する嗅神経細胞は、嗅球の尾側に存在する[[ネックレス糸球体]]へと投射する特殊な特徴をもつ。この[[ネックレス嗅神経細胞]]はGPCRのシグナル伝達に関与する分子が発現しておらず、化学受容体として[[グアニルサイクレースD]]（GC-D）と[[MS4A]]ファミリーが発現している。

 

　GC-Dは一回膜貫通型タンパク質であり、全てのネックレス嗅神経細胞に発現していて、[[wj:二酸化炭素|二酸化炭素]]や[[wj:二硫化炭素|二硫化炭素]]、ペプチドホルモンを受容することが報告されている<ref><pubmed>17702944</pubmed></ref><ref><pubmed> 20637621</pubmed></ref><ref><pubmed>17724338</pubmed></ref>。

 

　MS4Aファミリーは4回膜貫通型タンパク質であり、1つのネックレス嗅神経細胞に複数種が発現していて、それぞれのタンパク質が[[wj:脂肪酸|脂肪酸]]やフェロモンを特異的に感知していることが示唆されている<ref><pubmed>27238024</pubmed></ref>。

 

 

　マセラ器には少数のORとGC-Dが発現している<ref><pubmed>15385621</pubmed></ref><ref><pubmed>12514230</pubmed></ref>。マセラ器の嗅神経細胞の半数に発現するORであるSR1（MOR256-3）は他のORと比べ、匂い選択性が非常に低い。マセラ器はこのような選択性の低いORを持つことによって、外界の匂い変化を瞬時に察知するといった役割を果たすことが考えられている<ref><pubmed>19923288</pubmed></ref>。

== 昆虫 ==

　生物における初のフェロモンの分子実体の解明は約半世紀前に遡る。[[wj:アドルフ・ブーテナント|ブテナント]]が[[wj:カイコガ|カイコガ]]のメスから放たれるオス誘引因子である[[ボンビコール]]を単離した時に、「フェロモン」という用語が生まれた<ref name=Butenandt1961>'''Butenandt A, Beckmann R, Hecker E'''<br>Über den Sexuallockstoff des Seidenspinners, I: Der biologische Test und die Isolierung des reinen Sexuallockstoffes Bombykol.<br>''Hoppe Seylers Z Physiol Chem.: 1961,324(1);71-83.''<br><pubmed> 13689417 </pubmed></ref>。昆虫のフェロモンは異性を誘引する性フェロモンの他にも、[[wj:アリ|アリ]]の[[道しるべフェロモン]]や[[警報フェロモン]]なども同定されている。昆虫ではフェロモン成分の同定が進んできた一方で、フェロモン受容の分子基盤が解明され始めたのはつい最近のことであり、2004年に昆虫におけるフェロモン受容は、一部の嗅覚受容体（OR）がその機能を果たすことがわかった<ref name=Sakurai2004><pubmed>15545611</pubmed></ref><ref><pubmed>23020622</pubmed></ref>。ここでは主に昆虫のフェロモン受容体としてのORについて概説する。

　哺乳類のORが7回膜貫通型GPCRであることを受け、昆虫におけるORもGPCRであると予測され、遺伝子の探索がなされた。1999年に[[ショウジョウバエ]]の触角に特異的に発現するタンパク質のうち、7回膜貫通構造を予測するアルゴリズムを用いた解析や、ディファレンシャルスクリーニングによって嗅覚受容体遺伝子が同定された<ref><pubmed>10458908</pubmed></ref><ref><pubmed>10069338</pubmed></ref><ref><pubmed>10089887</pubmed></ref>。その後、昆虫においても哺乳類と同様に、匂い分子と受容体は多対多の関係で認識していることなどが報告され、一般的な匂いの受容機構は明らかになった<ref><pubmed>16615896</pubmed></ref>。

　昆虫のORが発見され、一般的な匂いの受容機構が明らかになりつつあった一方で、高感度と特異性が重要であるフェロモン受容体は未知であった。Sakuraiらは[[wj:カイコガ|カイコガ]] ''Bombyx mori''の性フェロモンであるボンビコールに着目して昆虫におけるフェロモン受容の分子基盤の解明に迫った。ボンビコールはメスのカイコガから放たれ、オスに対して強い誘引と性行動促進を引き起こす性フェロモンである<ref name=Butenandt1961/>。2004年にSakuraiらは、ボンビコールがオスの触角に対して特異的に電気的応答を誘発することから、ディファレンシャルスクリーニング法によってオスの触角特異的に発現する[[BmOr1]]をボンビコールの受容体として同定した<ref name=Sakurai2004/>。[[アフリカツメガエル]]卵母細胞やメスの触角にBmOr1を発現させると、ボンビコールに対して電気的応答を示すことから、BmOr1がフェロモン受容体であることが証明された。

　昆虫ORは7回膜貫通型のタンパク質であるが、GPCRである脊椎動物のORとは膜トポロジーが異なり、N末端を細胞内側にとる構造をもつ（'''図１'''）<ref><pubmed>16402857</pubmed></ref><ref><pubmed>25584517</pubmed></ref>。昆虫の嗅神経細胞は基本的に1細胞に1種類のOR遺伝子が発現している<ref><pubmed>16139208</pubmed></ref>。一方、ORのうち昆虫間で広く保存されている[[Orco]]（Olfactory receptor co-receptor）遺伝子は、ほぼ全ての嗅神経細胞に発現し、ORの共役因子としての機能を果たす<ref><pubmed>15339651</pubmed></ref>。嗅神経は一細胞あたりOrcoと他1種のOR遺伝子を発現している。

　昆虫のORは、リガンドを結合するORと、共役因子であるOrcoがヘテロ複合体を形成し、[[リガンド作動性イオンチャネル]]として機能している<ref><pubmed>18408712</pubmed></ref><ref name=Wicher2008><pubmed>18408711</pubmed></ref>。ORに匂い分子が結合することで、ORとOrcoから形成されるポアが開口し、[[wj:陽イオン|陽イオン]]が細胞内に流入することで活動電位が生じる。2012年にNakagawaらは点変異を導入したBmOr1とBmOrcoを解析し、OrとOrcoの複合体がポア構造を形成するために必要なアミノ酸部位を同定した<ref><pubmed>22403649</pubmed></ref>。

　一方で、Gタンパク質を介したシグナル伝達の可能性も報告されている。古くからガにおいてはORのシグナル伝達へのホスホリパーゼCβ2（PLCβ2）やGαqなどのタンパク質の関与が報告されてきた<ref name=Stengl2010><pubmed>21228914</pubmed></ref>。昆虫のORがリガンド作動性イオンチャネルであることが報告された後にも、ショウジョウバエや[[タバコスズメガ]]におけるORのシグナル伝達ではPLCβ2やプロテインキナーゼC（PKC）が関与している例が報告されている<ref name=Stengl2010/><ref><pubmed>28254882</pubmed></ref><ref><pubmed>21720521</pubmed></ref>。

 

 

　上記のような細胞内シグナル伝達を経てフェロモンの情報は電気信号へと変換される。嗅神経細胞は軸索を一次中枢である[[触角葉]]へと投射し、糸球体構造を形成する<ref><pubmed>20537755</pubmed></ref><ref name=Kohl2015><pubmed>26143522</pubmed></ref><ref name=Hansson1992><pubmed>1598574</pubmed></ref>。特に[[wj:鱗翅目|鱗翅目]][[wj:昆虫|昆虫]]では特徴的な糸球体構造を有しており、フェロモン情報を処理する糸球体は[[大糸球体]]と呼ばれ、一般的な匂い情報を処理する[[常糸球体]]とは解剖学的に異なる<ref name=Hansson1992/>。触角葉で処理されたフェロモン情報は、投射神経により[[キノコ体]]と全大脳側部といった高次領域へと伝達される<ref name=Kohl2015/><ref><pubmed>15593336</pubmed></ref>。

　ガ類ではメスが放出する性フェロモンが種特異的な配偶認識において重要な機能を果たす<ref><pubmed>25623339</pubmed></ref>。ガにおけるフェロモン受容の特異性は、種固有の単一物質あるいは複数物質の組み合わせによって決定されている。単一物質がフェロモンとして機能する例として、カイコガのメスから放たれるボンビコールはBmOr1 に受容されオスを誘引する<ref name=Sakurai2004/>。アフリカツメガル卵母細胞においてBmOr1とBmOr2（BmOrco）を共発現させた場合、ボンビコールへの応答閾値が30 nMという高感度の応答閾値でボンビコールを感知することが示された<ref name=Nakagawa2005><pubmed>15692016</pubmed></ref>。

 

　また、オスが放つボンビカールは[[BmOr3]]によって受容され、誘引効果や性行動を抑制する。BmOr1とBmOr3は異なる嗅覚神経細胞に相互排他的に発現し、それぞれが特異的にフェロモンを受容していることが示されている<ref name=Nakagawa2005/>。

 

　一方、複数物質の組み合わせおよび成分比がフェロモン受容の種特異性を担保する例として、[[wj:アワノメイガ属|アワノメイガ属]]（Ostrinia属）のメスが放つフェロモンがある。アワノメイガ属では6種のメスフェロモンが報告されているが、その成分と成分比は種によって異なる。Ostrinia属のアズキノメイガでは[[(E)-11-テトラデセニルアセテート]]と[[(Z)-11-テトラデセニルアセテート]]が誘引性の性フェロモンとして機能し、その効果は[[(Z)-9-テトラデセニルアセテート]]によって抑制される。オスの触角に発現する[[OscaOr3]]は上記の3種類の物質に対して応答するが、[[OscaOr4]]は3種のうち(E)-11-テトラデセニルアセテートに特に強い応答を示し、かつ(Z)-9-テトラデセニルアセテートにより応答が抑制される応答特異性をもつ<ref><pubmed>20044000</pubmed></ref>。

　ガ以外の昆虫でのフェロモン受容の例として、[[キイロショウジョウバエ]]のフェロモンである[[11-cis-vaccenyl acetate]] (cVA)は[[Or67d]]によって受容される。cVAはオスから放出され、オス間の攻撃行動や集合、性行動抑制などに関与している<ref><pubmed>19966787</pubmed></ref><ref><pubmed>15664171</pubmed></ref>。一方、メスにおいては性行動を促進する効果をもつ<ref><pubmed>17392786</pubmed></ref><ref><pubmed>17363250</pubmed></ref>。