「嗅覚受容体」の版間の差分

　我々が匂いを感知する仕組みについては、古くから複数の学説が唱えられていたが、そのうちのひとつが、Amooreによる立体化学説であった。匂い分子の化学構造、形とサイズが鼻腔上皮の受容部位の構造に適合すると匂いが感知されるとの説である<ref name=Amoore1963><pubmed>14012641</pubmed></ref>。この学説で概念に過ぎなかった”受容体”の存在は、1991年、BuckとAxelによる、ラット嗅覚受容体(olfactory receptor, OR)遺伝子ファミリーの歴史的な発見により明らかとなった<ref name=Buck1991><pubmed>1840504</pubmed></ref>。その後、OR遺伝子によりコードされるタンパク質が匂い物質に応答し、嗅神経細胞の活性化をもたらすことが実証された<ref name=Touhara1999><pubmed>10097159</pubmed></ref><ref name=Zhao1998><pubmed>9422698</pubmed></ref>。OR遺伝子は脊椎動物全般において、最大の遺伝子ファミリーとして存在し、多重遺伝子ファミリーを形成するが、その数は生物種により大きく異なり、例えばマウスでは約1100, ヒトでは約400存在する<ref name=Niimura2014><pubmed>25053675</pubmed></ref>。OR遺伝子ファミリーは他の遺伝子ファミリーに比べると偽遺伝子の割合が高く、進化の過程での重複、欠失が多いことも特徴である。さらに、ヒト個人間においても数多くの遺伝子多型が存在し、特定の匂いへの知覚感度に影響する例も報告されている <ref name=Markt2022><pubmed></pubmed></ref><ref name=Niimura2020><pubmed></pubmed></ref><ref name=Sato-Akuhara2023><pubmed></pubmed></ref><ref name=Trimmer2019><pubmed></pubmed></ref>。ORに加え、2006年、嗅上皮で発現するTAAR (Trace amine-associated receptor)ファミリーも嗅覚受容体として機能することが報告された<ref name=Liberles2006><pubmed>16878137</pubmed></ref>。その後、げっ歯類嗅上皮で発現するGCD (guanylyl cyclase D) が呼気中のCO2、CS2、の受容体としてはたらくことが示された<ref name=Hu2007><pubmed>17702944</pubmed></ref><ref name=Munger2010><pubmed>20637621</pubmed></ref>。さらに2016年、嗅上皮のくぼみに存在する嗅神経細胞に発現する嗅覚受容体として、MS4A (membrane-spanning 4A receptor)が発見されている<ref name=Greer2016><pubmed>27238024</pubmed></ref>。

ORはGPCR (G protein coupled receptor)ファミリーのうち、ロドプシンファミリーとよばれるサブファミリーに属し、ヘリックス構造から成る７回膜貫通構造を有する（図１）。全てのGPCRに共通な配列の他、３番目の膜貫通領域細胞質側のMAYDRYVAICモチーフをはじめ、嗅覚受容体を特徴づける複数の配列をもつ。哺乳類ORは、アミノ酸配列の相同性からクラスI、クラスIIに分類され、哺乳類ORの約10~20%がクラスIである <ref name=Niimura2007><pubmed></pubmed></ref>。認識するリガンドが、クラスIは親水性、クラスIIは疎水性といった傾向を示す<ref name=Freitag1998><pubmed>9839455</pubmed></ref>。ORの立体構造については、2023年3月、脊椎動物で初めてクライオ電子顕微鏡による結果が報告された。嗅覚組織以外の様々な組織でも発現するORのうち、クラスIに属するOR51E2について、匂い分子としてはやや例外的な親水性リガンド、プロピオン酸との結合状態を示したものであり<ref name=Billesbølle2023><pubmed>36922591</pubmed></ref>、画期的な進展であるが、疎水性匂い分子とORの一般的な結合様式を反映しているかについては、今後の展開が待たれる。その他のORについては、構造が既知のGPCRの情報をもとにした、in silico解析、変異体解析により、匂い物質との相互作用モデルが複数例報告されており、いずれの場合もリガンド結合には、3, 5, 6番目の膜貫通領域のアミノ酸が重要とされている<ref name=Ahmed2018><pubmed>29632183</pubmed></ref><ref name=Bushdid2018><pubmed>29648835</pubmed></ref><ref name=Geithe2017><pubmed>28656349</pubmed></ref><ref name=Katada2005><pubmed>15716417</pubmed></ref>。

TAARファミリーもGPCRに分類され、ロドプシンファミリーに属するが、ORより生体アミン受容体に高い相同性を示す<ref name=Liberles2015><pubmed></pubmed></ref>。GCDは１回膜貫通型受容体であり、細胞外にリガンド結合領域を、細胞内にプロテインキナーゼ様ドメインを、C末端に触媒ドメインをもつ。MS4Aは４回膜貫通型タンパク質で、N末端、C末端をともに細胞質側に配置するトポロジーを示す<ref name=Greer2016><pubmed>27238024</pubmed></ref>（図１）。

      

その他、嗅覚受容体として機能するTAAR,GCD,MS4Aのいずれも嗅上皮の嗅神経細胞に発現するが、TAAR, GCDが嗅上皮全域にわたって発現が見られる一方、MS4Aは嗅上皮のくぼみの部分に限局して発現する。

　嗅覚受容体は、匂い物質がもつ化学情報を電気信号に変換し、神経細胞の興奮をもたらし、脳に伝達する役目をもつ。

　ORにおいては、リガンドである匂い分子が結合すると、受容体と共役している3量体Gタンパク質のαサブユニット、Gαolfがβ、γサブユニットと解離し、GDP型からGTP型への変換を受け、活性化される。活性化Gαolfがアデニル酸シクラーゼの活性化を引き起こし、細胞内cAMP濃度の上昇をもたらすと環状ヌクレオチド作動性チャネル（cyclic nucleotide-gated channel, CNG）が開口し、Na+イオン、Ca2+イオンの流入による細胞膜の脱分極がおきる。細胞内Ca2+イオン濃度の上昇は、Ca2+作動性Cl-チャネル, TMEM16B/ANO2の活性化をもたらし、Cl-イオンが細胞外へ流出することでより大きな脱分極が起きる。これにより、神経細胞の活動電位が生じる。シグナルを終結させる機構として、CNGのcAMPによるチャネルの開口がCa2+濃度依存的なフィードバック制御をうけること、細胞内濃度が上昇したCa2+は、Na+/Ca2+交換体であるNCKX4によって細胞外へ排出されることが明らかになっている。ORとリガンドである匂い分子との対応関係は、一部の例外を除いては、「多対多」の関係にある。すなわち、一つの受容体は、複数の匂い分子に応答し、一つの匂い分子は複数の受容体応答を生み出すため、異なる匂いは、応答受容体の組み合わせパターンの違いによって識別される。この仕組みは“combinatorial coding”と呼ばれ<ref name=Malnic1999><pubmed>10089886</pubmed></ref>、受容体数をはるかに超える膨大な種類の匂いの嗅ぎ分けを可能にする。

　ORが多様な構造の匂い物質を広く認識するのに対し、TAARは、揮発性アミン化合物をリガンドとして認識する。揮発性アミン化合物は、尿中や腐った食物に存在しており、げっ歯類では、TAARは異性、天敵、食物の質の区別の検知に関わるとされている<ref name=Dewan2021><pubmed>33237477</pubmed></ref>。TAARもORと同様、Gαolfと共役し、cAMP産生を通じて嗅神経細胞の活動を起こすとされている<ref name=Liberles2015><pubmed></pubmed></ref>。

　一部のORは嗅上皮以外の正常組織でも発現がみられる他、各種がん細胞でも発現が確認されている。正常細胞と比較して、がん細胞で発現が亢進しているORも複数報告されており、腫瘍マーカーや治療標的候補としても着目されているが、がん細胞における具体的な機能については明らかになっていない<ref name=Lee2019><pubmed></pubmed></ref><ref name=Li2021><pubmed></pubmed></ref>。

　昆虫においても、嗅覚は、餌の探索、交配相手の識別、繁殖場所の選択、天敵の感知など様々な局面で必要な感覚であり、生存維持に欠かせない。嗅覚受容体については、1991年、脊椎動物でのOR遺伝子ファミリーの発見により、昆虫でも同様のGPCRファミリーが存在するとの予想のもと探索が進められたが、試みは失敗に終わった。その後、ショウジョウバエ遺伝子を対象とした発現解析などの研究をもとに、異なる3グループにより、1999年、昆虫嗅覚受容体遺伝子ファミリー、OR (Odorant Receptor)注ファミリーの発見が報告された<ref name=Clyne1999><pubmed>10069338</pubmed></ref><ref name=Gao1999><pubmed>10458908</pubmed></ref><ref name=Vosshall1999><pubmed>10089887</pubmed></ref>。構成遺伝子数は、数10~300程度と種により大きく異なり、ショウジョウバエでは、62遺伝子存在する。ORファミリー発見から10年後、昆虫の第２の嗅覚受容体遺伝子ファミリーとして、イオノトロピック型受容体、IR (Ionotropic Receptor)ファミリーが発見された<ref name=Benton2009><pubmed>19135896</pubmed></ref>。構成遺伝子数はORと同様、種により異なり、10〜100程度存在し、ショウジョウバエでは66遺伝子存在する。IRは、匂い物質の他に味物質、湿気、温度も感知する。上記OR, IRファミリータンパク質以外に、味覚受容体,（Gustatory Receptor, GR）ファミリータンパク質のメンバー、Gr21a, Gr63aが嗅神経細胞に発現し、CO2を匂い物質として受容することが明らかになっている<ref name=Jones2007><pubmed>17167414</pubmed></ref><ref name=Kwon2007><pubmed>17360684</pubmed></ref>（図２）。

　昆虫ORは、脊椎動物ORと同様、7回膜貫通構造を有するが、その膜トポロジーは逆であり、N末端が細胞質に、C末端が細胞外領域に位置する<ref name=Benton2006><pubmed>16402857</pubmed></ref><ref name=Hopf2015><pubmed>25584517</pubmed></ref>（図２）。脊椎動物ORと異なり、GPCRとの相同性はない。全般的に種間での配列保存性は低いが、唯一、種を超えて保存性の高い共通のORが存在し、Orco (Olfactory receptor co-receptor)と呼ばれる。Orcoは、リガンド選択性を有するORとヘテロ多量体を形成して機能すると考えられている。近年、クライオ電子顕微鏡解析により、イチジク寄生バチの一種、Apocrypta bakerのOrco、および、イシノミ類の昆虫Machilis hrabeiのOR, MhOR5について、立体構造が明らかになった<ref name=Butterwick2018><pubmed>30111839</pubmed></ref><ref name=Del Mármol2021><pubmed>34349260</pubmed></ref>。Orcoは単独ではホモ４量体構造を形成することが示され、チャネルの開閉制御に重要な領域が明らかになった<ref name=Butterwick2018><pubmed>30111839</pubmed></ref>。MhOR5については、２種類の匂いリガンドとの共構造からリガンド結合によるチャネルの構造変化が示されるとともに、単一の受容体が多様な構造のリガンドを認識し得る構造基盤として、リガンド受容が複数の疎水的相互作用に基づくことも示された<ref name=Del Mármol2021><pubmed>34349260</pubmed></ref>。

　IRは、イオノトロピック型グルタミン酸受容体(iGluR)と相同性が高く、３回膜貫通構造を持つ。IRにおいてもリガンド選択性を有するIR-Xと、Orco同様、リガンドに関わらず共通なIR-coY（ハエでは、IR8a, IR25a, IR76b）が存在する。チャネルとしての機能ユニットは、2つのIR-Xと２つのIR-coYから構成されるヘテロ４量体と考えられている<ref name=Abuin2011><pubmed></pubmed></ref><ref name=Abuin2019><pubmed></pubmed></ref>。IR-coYはアミノ末端ドメイン（amino-terminal domain, ATD）, リガンド結合ドメイン（ligand-binding domain, LBD）、イオンチャネルドメインから構成され、iGluRと高度な保存性を有する一方、IR-XはATDを持たず、iGluRとの相同性が低く、特にLBDの保存度が低い。IRの立体構造は明らかになっていない。

　GRはORと同様、7回膜貫通構造を持ち、N末端が細胞質側、C末端が細胞外側のトポロジーを示す。Gr21a, Gr63aそのものの構造は示されていないが、他のGrファミリーメンバーである、カイコBmGr9のホモロジーモデリングと変異体解析において、GRもORと同様のチャネル構造をもつことが示唆されている<ref name=Morinaga2022><pubmed>36209821</pubmed></ref>。

　昆虫嗅覚受容体OR, IRは、昆虫の嗅覚器、触角(antenna)、小顎髭(maxillary palp)に発現する。嗅覚受容体として機能するGr21a, Gr63aも触角で発現する。これらの嗅覚器は感覚子とよばれる匂い物質を受容するための特殊な構造に覆われ、それぞれの感覚子には、１〜４の嗅神経細胞が格納されている。OR, IRはそれぞれ異なるタイプの感覚子に存在する嗅神経細胞樹状突起上に発現し、感覚子の穴から取り込まれた匂い物質を受容する。多くの場合、単一の嗅神経細胞は、リガンド選択性をもつORまたはIRを1種類のみ発現するが、例外も報告されている<ref name=Herre2022><pubmed></pubmed></ref>。

　IRも、匂い物質をリガンドとするリガンド作動性イオンチャネルとして機能し、Na+, K+, Ca2+を透過させる非選択性陽イオンチャネルを構成する<ref name=Abuin2011><pubmed></pubmed></ref>。匂い物質のうち、主に酸、アミン、アルデヒドを受容する点で、エステルやアルコールを中心に受容するORと相補的なはたらきをすると考えられている<ref name=Silbering2011><pubmed>21940430</pubmed></ref>。ORと同様、リガンド認識は「多対多」が基本であるが、選択的な認識が特定の行動に結びつく場合もあり、ショウジョウバエIr92aによるアミンやアンモニアの受容が誘引行動に、Ir84aによる食物由来の匂いの受容が雄のハエの交尾行動促進に繋がる報告例がある<ref name=Grosjean2011><pubmed>21964331</pubmed></ref><ref name=Min2013><pubmed>23509267</pubmed></ref>。IR発現神経細胞は、OR発現神経細胞に比べ、活性化に、より高濃度のリガンドあるいは、長時間のリガンド刺激が必要であり、順応がおきにくい<ref name=Getahun2012><pubmed>23162431</pubmed></ref>。

　

注）ORはolfactory receptor, odorant receptorいずれの略語としても使用される。olfactory receptorは、広義に嗅覚組織に発現している嗅覚受容体全般を指す一方、odorant receptorは狭義に揮発性匂い物質の受容体を指す。本稿脊椎動物の項目ではORをolfactory receptorの略語として使用しているが、昆虫の項目では、昆虫の嗅覚受容体ファミリー名がodorant receptor（OR）と定められている都合上、odorant receptorの略語として使用する。