私たちは嗅覚の働きを目の当たりにした

鼻は、最も基本的なレベルでは、外界の化学物質を濾過し、私たちの上を漂うあらゆる形や大きさの何兆もの分子を分類、計量、分類するためのツールです。今週発表された研究で、科学者たちは感覚の基本的なステップへの扉を開きました。水曜日のネイチャー誌の報告によると、研究者たちは機能している匂い受容体の画像を初めて記録し、動物がどのように進化してその無限の多様性を分類してきたかについての手がかりを提供しています。

「私がよく考える例は、コーヒーの香りです。コーヒーの香りは、独特の香りとして認識されます」とロックフェラー大学の神経科学者、ヴァネッサ・ルータ氏は言います。「コーヒーの香りは約 200 種類の分子からできていますが、そのどれもがコーヒーの香りとして強く認識されるわけではありません。私たちが生きている他の感覚世界と比較すると、化学の世界ははるかに大きく、変化に富んでいます。」

嗅覚は非常に複雑なため、それを解明するには膨大な数のセンサーが必要です。実際、マウスのゲノムの約 5% が嗅覚受容体の構築に使用されています。しかし、その多様性でさえ、人間の嗅覚能力を説明することはできません。人間は、わずか数百種類の受容体で、何十万もの異なる匂いを嗅ぎ分けることができます。

これは、匂いの認識がピアノの音楽に少し似ているためです。各受容体を鍵盤と考えてください。2 つの異なる匂いが、同じ音階のいくつかに当たる場合がありますが、それぞれが受容体の固有のコードを活性化します。次に、脳はこれらのコードを匂いとして認識します。一部の化学物質は数十の受容体にまたがる場合がありますが、他の化学物質、特にフェロモンや毒素などの生死に関わる化合物は、1 つの音階にしか当たらない場合があります。

注目すべきは、そもそも複数の化学物質が同じ受容体を活性化できるということだ。多くの場合、化学物質の物理的構造は、鍵が錠に収まるように受容体にぴったりと収まる。しかし、「嗅覚受容体は、たくさんの鍵が付いた錠のようなものである」と、この研究の主任著者であるルタ氏は言う。

「嗅覚の神秘、つまりその魔法のようなところは、私たちの鼻にある個々の受容体が検知しなければならない化学物質の多様性にあります」とルータ氏は言う。「つまり、私たちはここで、そのような柔軟な検知がどのように行われるかについて、ある程度の洞察を得ているのです。」

論文の筆頭著者であり、ロックフェラー大学の神経科学者でもあるホセフィーナ・デル・マルモル氏は、電子顕微鏡を使用して、嗅覚受容体と結合した匂い分子との相互作用を初めて画像化することができた。

研究チームは、シミと近縁の、羽がなく、底にヒゲのある昆虫である、ハエトリグモで研究を行った。この昆虫は、最も初期の昆虫に似ていると考えられており、進化の長い歴史を知るための窓となるかもしれない。「ほとんどの動物は、数十、数十、数百の受容体を持っています」とデル・マルモル氏は言う。「ハエトリグモにはたった 5 つしかありません。そして、生化学的には、ほとんどの現代の昆虫よりも単純です。」

結合の様子を撮影するため、研究チームは受容体を虫よけのDEETとクローブの重要な香りであるオイゲノールに浸した。オイゲノールは昆虫の匂い受容体にしっかりと結合することが知られているが、DEETは昆虫も感知できる非常に異なる形状の分子である。

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どちらも 1 つの受容体に結合し、検査した匂いのほぼ 70 パーセントも同様でした。「構造や化学的特徴がまったく異なりますが、どちらもこの 1 つの受容体で認識できます」と Ruta 氏は言います。

画像から、化学物質が受容体に比較的緩く収まっていることがわかった。鍵が鍵穴に収まるというよりは、ソケットにボールが収まるような感じだ。「匂い物質が異なれば、その『結合モード』も異なります」とルタ氏は言う。「ポケット内での向きも少しずつ異なります」

匂い物質が受容体に定着すると、それが細孔を開き、イオンの流れが動物の神経に信号を送ることができるようになります。「鍵と鍵穴のメカニズムは、非常に強力です。なぜなら、非常に特異性があるからです」とルタ氏は言います。「しかし、ここでは相互作用はそれほど強力ではありません。これは非常に小さな変化です。細孔が少し開くだけでよいのです。」

人間は他の脊椎動物と同様に、昆虫とは独立して嗅覚を発達させたため、今回の発見は人間の鼻に直接は当てはまらない。昆虫と共通する最後の祖先は水中にいて、化学物質を感知するのに異なる感覚を使っていた。

しかし、それから数百万年の間に、脊椎動物と無脊椎動物は驚くほど似た嗅覚戦略を発達させてきました。受容体自体も似ており、類似した独自の経路で神経系に接続します。

「ミツバチであれ人間であれ、環境中のさまざまな匂い物質を感知できなければなりません」とルタは言う。そしてそれらは本質的に同じ匂いだ。「これは収斂進化の一例です。[脊椎動物の受容体]は完全に異なるタンパク質ファミリーですが、化学物質を感知する働きは基本的に同じです。幅広く調整された受容体の原理の多くは、どちらのファミリーでも同じになるのではないかと思います。」

研究者らは、小さな変異が化学物質を検知する能力にどのような影響を与えるかを理解するために、受容体をわずかに調整しました。「たった 1 つのアミノ酸が受容体全体に大きな影響を及ぼしました」とデル マルモルは言います。「受容体の反応の仕方が混乱したのです。これは、昆虫がごく短時間で新しい受容体群を進化させる方法について、非常に興味深い示唆を与えてくれます。」

「それぞれの動物には、独自の小さな楽曲、つまり独自のオーケストラがあります」と彼女は続けます。「同じキー、同じ化合物でも、動物によってはまったく異なる意味を持つのです。」

言い換えれば、嗅ぎ分ける化学物質の数が計り知れないほど多い場合、ほんの少しの調整で新しいものを検知できると有利だ。これは、人間の免疫システムが常に新しい病原体を探すために変異するのと同じだ。同時に、ルタ氏によると、他の嗅覚受容体は、まったく異なるタンパク質で構成されているにもかかわらず、ほぼ同じ構造を持つ場合があることも発見したという。

つまり、この研究は匂いが時間とともにどのように進化してきたかについての洞察も提供する可能性があるということです。

「時間と空間においてより安定した感覚とは異なり、ハエが別の木に移動すると、まったく異なる感覚体験をします」とデル・マルモルは言う。「同時に、被子植物が花を咲かせたとき、世界は変化し、以前には存在しなかった匂いが生まれました。」動物がその新しい世界に適応できたのは、嗅覚受容体の柔軟性によるものかもしれない。