昆虫における性フェロモン受容のメカニズム

Short Review
昆虫における性フエロモン受容のメカニズム
仲川喬雄 ・櫻井健志 ・西岡孝明 ・東原和成
カイ コガ か らオ ス 特 異 的な 嗅 覚 受 容体 遺 伝 子 が み つ か った.そ の うち2種 類 の 受 容 体 遺 伝 子 は,
オ ス カ イ コ ガ触 角 に お い て1対
れ2種
の嗅 神 経 細 胞 で 隣 り合 うよ うに 排 他 的 に発 現 して お り,そ れ ぞ
類 の カ イ コ ガ性 フ ェロ モ ン,bombykolとbombykalと
か とな った,こ れ らの 性 フ ェ ロモ ン受 容 体 は,Or83bフ
を選 択 的 に受 容 す る こ と が 明 ら
ァ ミ リー に 属 す る 嗅覚 受 容 体 と共 発 現
す る こ と が そ の 機 能 発 現 に 必 須 で あ り,さ らに,こ の受 容体 複 合 体 は フ ェロ モ ン 刺 激 を カ チ オ
ン 電 流 発 生 に変 換 す る 機 能 を も つ こ と が わ か った,本 稿 で は,世 界 に さ き が け て わ が 国 が 成 功
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した,カ イ コガ 性 フ ェ ロ モ ン受 容 体 の 同定 か ら,高 感 度 ・高 選 択 性 を生 み 出す 分 子 認 識 メ 力 ニ
ズ ムの 解 明 まで の 研 究 を 紹介 する.
性 フ ェロモン
昆虫
力イコガ
は じめ に
嗅覚受 容体
嗅細 胞
解 明 は 遅 れ て い た.
大 気 中 に存 在 す る揮 発 性 化 学 物 質 は数 十 万種 類 と もい
わ れ るが,多
食 者 や 外 敵,産
くの 生 物 に とっ て これ らの化 学物 質 は,捕
卵 場 所,交
尾 相 手 な ど の情 報 源 とな る,
1999年,シ
ョ ウ ジ ョ ウ バ エ の ゲ ノ ム 解 析 に よ り約60
種 類 か ら な る 嗅 覚 受 容 体 遺 伝 子 が 同 定 さ れ,哺
覚 受 容 体 と 同 じ くG蛋
乳類 の嗅
白 質 共 役 型 受 容 体(Gprotein
化 学 物 質 の な か で も,” あ る 動 物 個 体 か ら発 せ ら れ,同
coupledreceptor;GPCR)フ
種 他 個体 に対 して 特 異 的 行 動 あ る い は 生 理 的 な変 化 を ひ
ら か と な っ た4,5).そ
き起 こす 物 質” を と くに フ ェ ロモ ン物 質 と定 義 し,一 般
容 体 は そ れ ぞ れ 特 定 の 匂 い リ ガ ン ド特 異 性 を も っ て い る
的 な匂 い 物 質 と 明確 に 区 別 して い る1).ま た フ ェ ロ モ ン
こ と が 明 ら か と な っ た6).こ
は,行 動 を誘 発 す る リ リー サ ー フ ェ ロモ ン と生 理 的 な変
エ で は 遺 伝 子 操 作 が 容 易 な こ と も あ り分 子 レ ベ ル で の 嗅
化 を ひ き起 こす プ ラ イマ ー フ ェ ロ モ ン とに 大 別 され る.
覚 研 究 が 進 ん で き た が,性
フ ェ ロ モ ンが い まだ に 同定 さ
プ ラ イマ ー フ ェ ロ モ ンにつ い て は げ っ 歯 類 で 研 究 が 進 ん
れ て い な い こ と も あ り,種
特 異 的 な性 行 動 を 誘 発 す る昆
で お り,発 情 促 進,妊
虫 フ ェ ロ モ ンの 受 容 メ カ ニ ズ ム の ほ とん どが 謎 の ま ま で
て い る2)。一 方,リ
娠 阻 害,性 周 期 同 調 な どが 知 られ
リ ー サ ー フ ェ ロモ ンの 典 型 的 な も の
ァ ミ リ ー に 属 す る こ とが 明
し て,シ
ョ ウ ジ ョ ウバ エ の 嗅 覚 受
の よ う に,シ
ョ ウ ジ ョウバ
あ っ た.
が 昆 虫 の 蛾 に お け る 異 性 誘 引 現 象 で あ り,オ ス は 数km
も離 れ て い る 同 種 の メス か ら放 出 され る フ ェ ロモ ン物 質
昆虫の性フェロモン
に 誘 引 さ れ る3).こ の 交 尾 相 手 の 信 号 す な わ ち性 フ ェ ロ
モ ン は,と
くに 高 い種 特 異 性 と感 度 を もつ 化 学物 質 で あ
る.昆 虫 性 フ ェ ロ モ ンの 生 理 学 的 研 究 は,カ
イ コガ や タ
野 外 にお け る 昆 虫 の 個 体 生 息 密 度 は低 い た め,同 種 の
オ ス と メ ス が 偶 然 出 会 う確 率 は き わ め て 低 い.そ
のた
バ コス ズ メ ガ な ど さ ま ざ ま な蛾 を用 い て さ か ん に 行 なわ
め,メ ス が 種 特 異 的 な性 フ ェ ロ モ ンを 放 出 し,非 常 に 低
れ て きた が,こ
濃 度 で も特 異 的 に 同 種 の オ ス を誘 引 す る こ と に よっ て 交
れ ま で 分 子 レベ ル で の 受 容 メ カニ ズ ムの
TakaoNakagawal,TakeshiSakurai2,TakaakiNishioka3,KazushigeTouhara[1東
生 命 科 学 専 攻,2東
京 大 学大 学 院新 領 域創 成科 学 研 究科 先 端
京 大 学 大 学 院 情 報 理 工 学 系 研 究 科 知 能 機 械 情 報 学 分 野,3京
都 大学 大 学 院 農 学 生 命 科 学 科 応 用 生 命 科 学 専 攻
E-mail : [email protected]
http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/molecular-recognition/touhara/kyukaku.html
Molecular
sex-pheromone
mechanisms
underlying
reception
in insects
蛋 白質
核酸
酵 素Vol.50No.12(2005)
1563
尾 の 確 率 を 高 め,さ
らに 昆 虫 の 種 分 化 に不 可 欠 な生 殖 隔
昆 虫 の 性 フ ェ ロ モ ン研 究 を ひ も と く と,約100年
フ ラ ン ス の 昆 虫 学 者 フ ァ ー ブ ル に 始 ま る.フ
はButenandtが
の 後,1939年
に
性 フ ェ ロ モ ンの化 学 的研 究 に着 手 し
は 日 本 か ら 約4ト
ン も の カ イ コ ガ の 繭 を 輸 入 し,
確 に 同種
の 結 果,種
が 適 切 に 保 存 さ れ て き た と い え る.
し か し,性
フ ェ ロ モ ン の 受 容 メ カ ニ ズ ム に つ い て は,
受 容 体 蛋 白 質 の 同 定 が な さ れ て い な か っ た こ と も あ り,
性 フ ェ ロ モ ン物 質 に 関 す る化 学 的研 究 の 進 展 に比 べ 遅 々
と し て 進 展 し な か っ た.放
ェ ロ モ ン や,光
射 性 同 位 体 で ラベ ル した性 フ
に よ っ て 蛋 白 質 を化 学 修 飾 す る よ う に し
た 性 フ ェ ロ モ ン 誘 導 体 を 用 い て,結
合 蛋 白 質 を 単 離 ・精
メ ス か ら性 フ ェ ロ モ ン を 抽 出 ・精 製 し た 。 ク ロ マ ト グ ラ
製 す る 研 究 が 数 多 く行 な わ れ た が,得
フ ィ ー や 分 析 機 器 が 未 発 達 の 時 代 で あ っ た た め,き
ず れ も フ ェ ロ モ ン 結 合 蛋 白 質(pheromone-bindingpro-
わめ
て 微 量 しか 存 在 し な い 性 フ ェ ロ モ ン の 単 離 同 定 は 困 難 を
tein;PBP)と
極 め た が,1959年,そ
溶 性 の 蛋 白 質 で あ っ た10∼12).
decadienolと
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ァー ブ ル
ス を 誘 引 す る も の の 正 体 が メ ス か ら放 出 さ れ る
化 学 物 質 で あ る こ と を 見 い だ し た3).そ
た.彼
前 の
の メ ス の も とへ オ ス が 誘 引 さ れ る 現 象 を 詳 細 に観
察 し,オ
の 交 雑 を さ け,正
の 相 手 と 交 尾 し て 子 孫 を 残 す こ と が で き,そ
離 を も 達 成 し て い る.
は,蛾
を 獲 得 す る こ と に よ っ て,種
の 化 学 構 造 は(E,Z)-10,12-hexa-
決 定 さ れ,カ
ち な ん でbombykolと
の 後,bombyko1
昆虫における匂い受容機構
同 時 に フ ェ ロ モ ン腺 か ら 空
気 中 へ と微 量 放 出 さ れ て い る こ と が 明 ら か と な っ た が,
bombyka1は
角 リンパ 液 に分泌 され る水
イ コ ガ の 学 名Bombyxmoriに
命 名 さ れ た7).そ
の 酸 化 物 で あ るbombykalも
よ ば れ る,触
フ ェ ロ モ ン 効 果 を 示 さ な か っ た8)(図1a,
b).
昆 虫 の 触 角 に は,フ
ェ ロ モ ン受 容 に特 化 した 感 覚 毛 と
一 般 的 な 匂 い 物 質 受 容 を 行 な う 感 覚 毛 が 存 在 す る .こ
ら 感 覚 毛 の 根 幹 部 に は そ れ ぞ れ2つ
そ の 後,分
離 分 析 機 器 の 進 歩 に 伴 い 多 く の 昆 虫 か ら性
フ ェ ロ モ ン が 単 離 ・構 造 決 定 さ れ,現
が 同 定 さ れ て い る.そ
の 結 果,カ
在 ま で に数 百 種 類
イ コ ガの よ う に単 一 の
質 は 感 覚 毛 上 に 開 い た 孔 か ら な か へ と 入 り,リ
な く,立
で,樹
合 物 と して 生 物 活 性 を示 す こ と も多 い こ とが 明 らか とな
虫 は 性 フ ェ ロ モ ン物 質 の構 造 の わ ず
か な 違 い だ け で な く,そ
の 混 合 比 も正 確 に 識 別 す る 機 能
図1カ
イ コガ性誘 引現象 を支 配 する フ ェロモ ン とその 受容 器官
(a)メ ス の フ ェ ロモ ン腺 か ら,カ イ コ ガ性 フ ェ ロモ ン であ るbombykol(青
(b)bombykolとbombykalの
い物
ンパ液 中
に 存 在 す る 匂 い 結 合 蛋 白 質(odorant-bindingprotein;
OBP)あ
体 異 性 体 な ど複 数 の 構 造 的 に 類 似 し た 物 質 の 混
れ
の 嗅 細 胞 が 存 在 し,
そ の 樹 状 突 起 は 感 覚 毛 内 へ 伸 び て い る(図1c).匂
物 質 で フ ェ ロ モ ン効 果 が ひ き 起 こ さ れ る ケ ー ス だ け で は
っ た9〕.つ ま り,昆
られ た 蛋 白質 は い
る い は フェ ロモ ン結 合 蛋 白質 と結合 す る こ と
状 突 起 上 に 存 在 す る 嗅 覚 受 容 体 へ と移 行 す る と 考
え ら れ て い る.
1991年,BuckとAxelに
よ っ て,嗅
が ラ ッ トで 初 め て 同 定 さ れ,こ
丸)とbombykal(赤
覚 受容 体 遺伝子
れ がGPCRフ
ァ ミ リー に
丸)が 空 気 中へ と放 出 さ れ る,
構 造,
(c)オ ス の触 角 には多 数 の感 覚 毛 が 存 在 し,フ ェロ モ ンの 認 識 を行 な って い る,感 覚 毛 根 元 に は2つ の 嗅 細胞 が 存 在 す る,
bombVkolを
触 角 で受 容 した オス は 婚 礼 ダ ンス と よ ば れ る 性 行 動 を 示 し,メ ス の も と へ と誘 引 さ れ る,bombykalはbombykol活
害 す る,一 方,タ バ コス ズメ ガ で はbombykalが
1564
蛋 白 質 核 酸 酵素VoL50No.12(2005)
性誘 引 フ ェロ モ ン と して使 わ れ るな ど,種 特 異 性 が み られ る.
性を阻
図2カ
イ コガ オス触 角特 異的 な嗅覚 受容体
(a)カ イ コガ 嗅覚 受 容 体BmOR1の7回
膜貫 通 構造.
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(b)カ イ コ ガ触 角 にお け る81η0月 遺 伝 子の 性 特 異 的な 発 現 パ ター ン.BmOR1,BmOR3,BmOR4は
BmOR6は
オ ス 優 位 な発 現 を 示す,BmOR2は
オス ・メス い ず れ に も発 現 して いる,
(c)BmOR1の
性 ・組 織 ・発 生 段 階 にお け る発 現パ ター ン.上:性
下:発 生 段 階 に お け る発 現 パ ター ン,BmOR1は
オ ス特 異 的 な発 現 を示 し,BmOR5,
・組 織 別 の 発 現パ ター ン,BmOR1は
オ ス触 角 特 異 的 に 発 現 して い る.
羽 化 前4日 か ら成 虫 期 を通 して 発 現 して い る こ と が わ か る.PBP:フ
ェ ロ モ ン結 合 蛋 白
質,
属 す る こ とが 明 ら か と な っ た13).昆 虫 の 触 角 に お い て
こ とが 示 唆 され て い る16).し か し,こ の 味 覚 受 容 体 を ノ
も,匂 い や フ ェ ロモ ン刺 激 に よっ て イ ノ シ トー ル トリ ス
ッ ク ア ウ ト した オ ス も 正 常 に メ ス との 交 尾 ま で 至 る の
リ ン酸(IP3)の 蓄 積 が 起 こ る こ とや,ボ
で,シ
ス ホ リパ ー ゼC
ョウ ジ ョ ウバエ の 性 行 動 は,視 覚,聴
覚,味 覚,
変 異 シ ョウ ジ ョ ウ バ エ で は 匂 い応 答 が 減 少 す る こ と か
嗅覚 に よ っ て複 合 的 に制 御 さ れ て い る と考 え られ る.こ
ら,昆 虫 の 嗅 覚 受 容 体 もGPCRで
の よ う な こ とか ら も,高 感 度 かつ 高 選 択 性 の フ ェ ロ モ ン
た14・15).1999年,シ
っ て 約60個
あ る と推 定 さ れ て い
ョウ ジ ョウバエ の ゲ ノム解 析 に よ
の 昆 虫 嗅 覚 受 容 体 遺 伝 子 が 同 定 され,予
どお りそ の 翻 訳 産 物 はGPCRフ
想
受 容 メ カニ ズ ム を 明 らか にす る た め に は,性
フェロモ ン
行 動 に お い て もっ と も単 純 な シ ス テ ム を も ち,さ
らに,
ァ ミリーに属 して いた
成 虫 は 食 べ る こ と もせ ず 異 性 との 交 尾 を 達 成 す る た め だ
が,線 虫 や 哺 乳 類 の 嗅 覚 受 容 体 との 配 列 保 存 性 は な か っ
け に特 化 して い る カ イ コ ガ を対 象 とす る の が も っ と も適
た.そ の 後,シ
切 と思 わ れ た.
ョウ ジ ョウバ エ の 遺 伝 子 操 作 を駆 使 した
解 析 に よ り,そ れ ぞ れ の 嗅 覚 受 容 体 が 幅 広 い匂 い リガ ン
ドを 選 択 的 に 認 識 して い る こ と が 明 ら か と な っ た.ま
た,哺 乳 類 の 嗅 覚 受 容 シ ステ ム と 同様 に,シ
バ エ の 嗅 細 胞 は あ る特 定 の 嗅 覚 受 容 体1種
カイコガ性フェロモン受容体候補遺伝子の単
ョウ ジ ョ ウ
離 ・同定
類 の み を発 現
して お り,嗅 細 胞 の 匂 い 応 答 性 は発 現 して い る1種 類 の
嗅覚 受 容 体 に 依 存 す る こ とが 明 らか とな っ た6).
この よ う に,食 物 な どか ら放 出 さ れ る匂 い 物 質 を認 識
筆 者 ら は,カ
イ コ ガ の オ ス の み がbombykolに
メ ス は 反 応 し な い こ と か ら,性
の 触 角 に特 異 的 に発 現 す る 嗅 覚 受 容 体 で あ る とい う仮 説
す る機 構 が 発 達 して い る シ ョウ ジ ョ ウ バ エ で の 研 究 か
を 立 て た.そ
ら,一 般 的 な匂 い 受 容 の 分 子 機 構 が 明 らか と な っ て き
作 製 し,ほ か の 組 織 のcDNAプ
た.し か し,シ
シ ャ ル ス ク リ ー ニ ン グ を 行 な っ て,オ
ョウ ジ ョ ウバ エ にお い て 高 感 度 で 作 用 す
反応 し
フ ェ ロ モ ン受 容 体 は オ ス
こ で,オ
ス の 触 角cDNAラ
イ ブ ラ リー を
ロ ー ブ との デ ィ フ ァ レ ン
ス の触 角 に特 異 的
る揮 発 性 フ ェ ロ モ ン物 質 に 関 す る知 見 は な く,フ ェ ロ モ
も し く は 多 量 に 発 現 す る 遺 伝 子 の 単 離 を め ざ し た.そ
ン受 容 機 構 に 関 す る知 見 は ほ とん ど得 られ て い な か っ
結 果,得
た.唯 一,性
を コ ー ドす る こ と が 予 測 さ れ,こ
行 動 に か か わ る もの と して,交 尾 前 の シ ョ
ら れ た ク ロ ー ン の ひ と つ は7回
膜 貫 通 型GPCR
れ は オ オ タバ コ ガ嗅 覚
ウ ジ ョウ バ エ の オ ス と メ ス の 一 連 の 性 行 動 に お け る接 触
受 容 体HR13の
行 動 に お い て,オ
伝 子 を カ イ コ ガ 嗅 覚 受 容 体 遺 伝 子BmOR1(Bombyxmori
ス 特 異 的 な 味 覚 受 容 体 が 関与 して い る
の
ア ミ ノ 酸 配 列 と類 似 性 を 示 し た.こ
蛋 白 質 核 酸 酵素VoL50No.12(2005)
の遺
1565
olfa
ctoryreceptor1)と
子 は,8つ
命 名 し た17)(図2a).BmOR1遺
の エ キ ソ ン と7つ
る 全 長9,870塩
の イ ン ト ロ ン か ら構 成 さ れ
基 の 遺 伝 子 と し て,性
色 体 に コ ー ド さ れ て い た.ち
がZWで
BmOR1遺
染 色 体 で あ るZ染
な み に,性
の い ず れ か で ヘ テ ロ 接 合 と な る が,カ
雄 がZZ,雌
伝
染色体 は雄か雌
イ コ ガ の 場 合 は,
あ る.
世界 で
か し,ア
フ リ カ ツ メ ガ エ ル の卵 母 細 胞 で 発 現 させ た
BmOR1の
活 性 化 に は,オ
ス カ イ コ ガ の フ ェ ロ モ ン行 動
を 誘 発 す る濃 度 よ り も 高 濃 度 のbombykolが
必要であ
り,生 体 で の 高 い 感 受性 を説 明 す る に は不 十 分 な結 果 で
伝 子 は オ ス の 触 角 で 特 異 的 な 発 現 を 示 し,
卵 や 幼 虫 期 の 組 織 で は 発 現 が み ら れ ず,羽
化4日
前 の蛹
か ら 成 虫 期 を つ う じ て 発 現 し て い た(図2b,c).こ
現 パ タ ー ン は,カ
か らお よ そ 半 世 紀 とい う時 間 を 経 て,BmOR1が
初 め て 同定 さ れ た 昆 虫 性 フ ェ ロモ ン受 容 体 と な っ た.し
の発
イ コ ガ の 性 フ ェ ロ モ ン受 容 に 関 与 す る
あ っ た.つ
ま り,BmOR1が
ア フ リ カ ツ メ ガ エ ル卵 母 細
胞 で機 能 的 に 発 現 し,bombyko1刺
激 に 対 して 効 率 よ く
シ グナ ル を伝 達 す る た め に は,な ん らか の 因子 が 不 足 し
て い る もの と考 え られ た.
と 推 定 さ れ て い る フ ェ ロ モ ン結 合 蛋 白 質 の 発 現 パ タ ー ン
と よ く 一 致 し た.オ
ス の 触 角 に お い て,BmOR1遺
伝 子
嗅覚 受容 体Or83bフ
ァミ リー の関 与
陽 性 細 胞 は 感 覚 毛 が 存 在 す る 側 の 感 覚 上 皮 に 存 在 し,触
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角 ク チ ク ラ 下 約10∼20μmの
た17).ま
た,BmOR1を
嗅 細 胞 付 近 に 存 在 して い
発 現 す る 嗅 細 胞 は フ ェ ロモ ン結
Or83bは
シ ョ ウ ジ ョウバ エ で 同 定 され た 嗅 覚 受 容 体 の
ひ とつ で あ る が,ほ
か の 嗅 覚 受 容 体 とは 異 な るユ ニ ー ク
合 蛋 白 質 発 現 支 持 細 胞 に 隣接 また は 囲 まれ て い る こ とか
な 特 徴 を も っ て い る18}.第1に,1つ
ら,こ
類 の 嗅 覚 受 容 体 が 発 現 し て い る が,Or83bは
れ は フ ェ ロ モ ン感 受 性 感 覚 毛 内 に 存 在 す る 嗅 細 胞
で あ る こ と が 推 定 さ れ た.こ
れ ら の 結 果 は,BmOR1が
の 嗅 細 胞 で 発 現 し て お り,ほ
の 嗅 細 胞 に は1種
ほぼすべ て
か の 嗅 覚 受 容 体 と共 発 現 し
カ イ コ ガ に お け る 性 フ ェ ロ モ ン受 容 体 で あ る こ と を 強 く
て い る.第2に,Or83bは
示 唆 す る 結 果 で あ っ た が,そ の 証 明 に はBmOR1がbom
昆 虫 種 間 で き わ め て 高 い 配 列 保 存 性 を も っ て い る.こ
bykolを
ら の 特 徴 か ら,Or83bは
実 際 に 受 容 す る こ と を 示 す 必 要 が あ っ た.
ほ か の 嗅 覚 受 容 体 と 違 っ て,
れ
匂 い物 質 の受 容 を行 な うの で はな く,
昆 虫 の 嗅 覚 受 容 シス テ ム に不 可 欠 な 別 の 機 能 を担 う こ と
BmOR1の
筆 者 ら は,ア
β配OR1遺
フ リカ ツメ ガエ ルの 卵 母細 胞 を用 いて
伝 子 の 機 能 的 発 現 ・機 能 解 析 を 行 な っ た.上
述 の よ う に,昆
虫 の 嗅 覚 に はG蛋
白質経路 が か か わ っ
て い る こ と が 示 唆 さ れ て い た の で,カ
性Gαq蛋
cRNAを
イ コ ガの 触 角 内 在
白 質 で あ るBmGαqとBmOR1を
合 成 し,卵
る こ と で,G蛋
鋳 型 と した
母 細 胞 に 同時 に イ ンジ ェ ク シ ョ ンす
白 質 と 受 容 体 と を 共 発 現 さ せ た.こ
母 細 胞 でbombykol刺
こ ろ,Ca2+依
だ7).ま
が 示 唆 さ れ て い た.そ
フ ェロモ ン受 容機 能
激 に対 す る 電 流 応 答 を測 定 し た と
存 性Cl-チ
ャネ ル を介 した 電 流 が発 生 し
た,BmOR1はbombykolに
示 し,bombykolの
の卵
対 して の み 反 応 を
酸 化 物 で あ るbombykalや
ほか の一
こ で 筆 者 ら は,種
さ れ て い るOr83bフ
ァ ミ リ ー の 配 列 を も と に,カ
ガ に お け るOr83b遺
伝 子BmOR2を
た.BmOR2は
お り,す
べ て のBmOR1発
の 結 果 か ら,オ
はBmOR1の
機 能 発 現 に か か わ っ て い る こ とが 示 唆 さ れ
れ ら の 結 果 に よ り,フ
対 し て 電 気 応 答 を 示 し た .こ
ァー ブ ル が 性 フ ェ ロモ ンを介 した
異 性 間 の 交 信 と い う現 象 を 記 述 し て か ら実 に1世
して,Butenandtが
1566
蛋 白質
性 フ ェ ロ モ ンbombykolを
核 酸 酵 素Vol.50No.12(2005)
紀,そ
同 定 して
ス の 触 角 に お い てBmOR2
た.
そ こ で,BmOR1とBmOR2を
共 発 現 させ た ア フ リ カ
ツ メ ガ エ ル 卵 母 細 胞 のbombykol刺
激 に対 す る 応 答 測 定
を 行 な っ た.そ
共 発 現 させ る こ と で
BmOR1の
の 結 果,BmOR2を
細 胞 膜 で の 発 現 量 が 増 大 し,bombykolに
す る 応 答 性 も 数 百 倍 に 上 昇 し た19)(図3).ま
択 性 カ チ オ ン 電 流 がbombykol濃
換 えバ キ ュ ロ ウ イ ル ス を 感 染 させ た メ ス カ イ
共発現 し
て い た19).こ
対 す る 高 い リ ガ ン ド 選 択 性 を も っ て い た.さ
コ ガ の 触 角 がbombykolに
ク ロ ー ニ ン グ し
現 細 胞 はBmOR2を
共 発 現 で み ら れ たCa2+依
BmOR1組
イ コ
カ イ コ ガ触 角 の 多 くの 嗅細 胞 に 発 現 して
般 的 な 匂 い 物 質 に 対 し て は 反 応 を 示 さ ず,bombykolに
ら に,
間 を こ え て保 存
存 性Cr電
対
た,BmGαq
流 とは異 なる非 選
度 依 存 的 に 発 生 し た.
ア フ リ カ ッ メ ガ エ ル 卵 母 細 胞 発 現 系 に お い て,GPCRの
活 性 化 に よ っ て非 選択 性 カチ オ ン電 流 が 生 じる とい う報
告 例 は こ れ ま で に な く,こ
で あ る 可 能 性 が 高 い.ま
れ は新 規 の シ グナ ル伝 達 経 路
た こ の カ チ オ ン電 流 は,シ
ジ ョ ウ バ エ の 嗅 覚 受 容 体 で あ るOr47aとOr83bを
ョウ
共発
現 させ た 卵 母 細 胞 に対 す る匂 い リ ガ ン ド刺 激 に よ っ て も
生 じた19).つ ま り,Or83bフ
ァ ミ リー と嗅 覚 受容 体 の複
合 体 か ら流 れ る シ グ ナ ル伝 達 は,フ
さ れ た もの で は な く一 般 的 な匂 い 受 容 で も起 こ って い る
こ とが 示 され た.こ れ は,Or83bを
フェロモン受容体の リガン ド選択性
ェ ロ モ ン受 容 に 限 定
ノ ック ア ウ トした シ
カ イ コ ガ の ゲ ノ ム デ ー タ ベ ー ス よ り 同 定 さ れ た29個
の 嗅 覚 受 容 体 の う ち,BmOR1以
ョウ ジ ョ ウバ エ で は,あ る 特 定 の匂 い に対 して だ け で は
(BmOR3∼BmOR6)が
な く匂 い全 般 に対 す る応 答 が 消 失 す る とい う最 近 の 報 告
発 現 す る こ と がRT-PCRに
と矛 盾 しな い20).こ の よ う な メ カニ ズ ム は哺 乳 類 の 嗅 覚
2b).ま
シ ス テ ム で は み られ な い現 象 で あ り,昆 虫 が 高 感 度 の化
結 果 か ら,こ
外 に4つ
の嗅覚受容体
オ ス特 異 的あ る いは オス優 位 に
た,insituハ
よ っ て 明 らか と な っ た19)(図
イ ブ リダ イ ゼ ー シ ョ ン法 を用 い た
れ ら4つ
の 嗅 覚 受 容 体 の う ちBmOR3は,
学 受 容 シ ス テ ム を獲 得 す る う え で の 基 礎 基 盤 で あ っ た と
考 え られ る.
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性フェロモン受容の高感受性
BmOR1とBmOR2の
共 発 現 卵 母 細 胞 のbombykolに
対 す る 応 答 閾 値 濃 度 は30nMで
あ っ た(図4a).こ
は,一 般 的 な 匂 い 受 容 体 で あ るOr47aとOr83bの
の値
共発
現 卵 母 細 胞 の匂 い 応 答 閾 値 に 比 べ 数 百 倍 低 く,フ ェ ロモ
ン物 質 に対 す る 高 感 度 な認 識 は 受 容 体 が 担 っ て い る とい
う考 え を支 持 す る 結 果 で あ る.一 方,bombykolは
分 子 で1匹
約80
の オ ス を興 奮 させ る こ とが 可 能 で あ る と計 算
さ れ て い る こ とか ら も,invivoの
状 態 で は非 常 に 高 感 度
に 認 識 され る21).卵 母 細 胞 の 溶 液 中 で のinvivoア
イ の 閾 値 と,触 角 感 覚 毛 の 気 相 か らのinvivo応
ッセ
答 の閾
値 は 単 純 に は比 較 で き な い が,触 角 感 覚 毛 に 高濃 度 に存
在 す る フ ェ ロ モ ン結 合 蛋 白 質 に よ っ て フ ェ ロ モ ンが リ ン
パ 液 中 に効 率 よ く溶 解 され,応
答閾値 濃度 がみかけ よ り
低 くな って い る 可 能 性 もあ る.
数 十 分 子 のbombyko1で
オ ス に特 徴 的 な性 行 動 の 誘 発
が 起 こ る た め,嗅 細 胞 の 発 火 後 に シ グナ ル の増 幅 が 起 こ
っ て い る も の と考 え られ る.一 般 的 に,フ
ェ ロ モ ン と匂
い 物 質 で は脳 内 で の投 射 経 路 お よ び情 報 処 理 器 官 が 異 な
る22).匂 い物 質 を受 容 す る 嗅 神 経 は そ の軸 索 を中 大 脳 の
触 角 葉 へ と投 射 して い るが,フ
ェ ロ モ ン受 容 嗅神 経 はそ
の 触 角 葉 の なか で も大 糸 球 体 とい う フ ェ ロ モ ン情 報 処 理
に 限 定 さ れ た 部 位 へ 投 射 を 示 す(図5).さ
らに 高次 で
は,大 糸 球 体 か ら投 射 ニ ュ ー ロ ンが 運 動 を つ か さ ど る部
位 に投 射 さ れ,羽 を ば た つ かせ る な どの 性 行 動 を 制 御 し
て い る.こ
の よ う に,脳 内 に お い て フ ェ ロ モ ン受 容 情 報
が 独 立 した 経 路 で増 幅 して 伝 わ る こ と に よ り,少 数 の 受
容 体 の 活 性 化 で性 行 動 を誘 発 す る こ とが で きる と考 え ら
れ る.
図3BmOR1とBmOR2の
共 発現 卵 母細 胞で は フェロ モ ン
刺激 によ って非 選択 性 力 チオ ン電流 が 生 じる
(a)bombykol刺
激 に 対 して 生 じる 電 流 の 波 形 の 違 い,BmOR2
共発 現 に よ って 生 じる 電 流(右)は,BmGαq共
発 現 の とき にみ ら
れ たCa2+依 存 性Cl-チ ャネル を 介 した 電 流(左)と 、異 なる 電 流 波
形 を示 す,LPA:リ
(b)BmOR2の
ゾ ホ ス フ ァ チジ ン 酸,
共 発 現 に よD,BmOR1の
が 増 大 し(右下,ウ
細 胞膜における発現量
ェス タ ン ブロ ッ ト),bombykol刺
激 に よ り非
選択 性 力 チ オ ン電 流 を 生 じる.
蛋 白質
核酸
酵 素Vol.50No.12(2005)
1567
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図4BmOR1とBmOR3の
リ ガ ン ド選 択 性 と 発 現 パ タ ー ン
(a)ア フ リカ ツ メ ガ エ ル 卵 母 細 胞 にBmOR2と
と も に発 現 さ せ た 性 フ ェ ロ モ ン 受 容 体 の,濃 度 依 存 的 反 応 お よ び 濃 度 依 存 曲 線.上:
BmOR1のbombykolに
対 す る 応 答,下:BmOR3のbombykalに
(b)BmOR1とBmOR3の
(c)オ ス カ イ コ ガ触 角 で のBmOR1とBmOR3の
とBmOR3は,感
対 す る応 答.
リガ ン ド選 択 性,BmOR1はbombykolに,BmOR3はbombykalに
発現 分 布.BmOR1陽
特 異 的 な反 応 を示 す.
性 細 胞 は 緑,BmOR3陽
性 細胞 は紫 に染 色 さ れ て い る.BmOR1
覚 毛 中の1対 の 嗅 神経 細 胞 に 、そ れ ぞれ 排 他 的 に局 在 して い る.
BmOR1と
ほ ぼ 同 じ 割 合 の 嗅 細 胞 で 発 現 し,さ
BmOR2と
共 発 現 し て い る こ と が わ か っ た.ほ
BmOR4∼BmOR6に
つ い て はinsituハ
ら に,
か の
イブ リダイゼー
ル で の結 果 と よ く一 致 す る8).つ ま り,性 フ ェ ロ モ ン受
容 に お け る 高 リ ガ ン ド選 択性 は受 容 体 レベ ル で 生 み 出 さ
れ て お り,bombykolに
対 して 電 気 的 応 答 を示 す 嗅 細 胞
シ ョ ン法 で は ほ と ん ど発 現 細 胞 が 検 出 され な い こ とか
に はBmOR1の
ら,カ
示 す 嗅 細 胞 に はBmOR3の
イ コ ガ の 触 角 で は 機 能 して い な い受 容 体 で あ る可
能 性 が 高 い.こ
れ ら の オ ス 特 異 的 な 嗅 覚 受 容 体 は,オ
オ
タバ コ ガの オ ス特 異 的 な 嗅 覚 受 容 体 と分 子 系 統 樹 上 で 隣
接 し て い る(図6).今
め ば,匂
後,よ
り多 くの 昆 虫 で の 解 析 が 進
い と フ ェ ロモ ンの 受 容 を 担 う嗅 覚 受 容 体 遺 伝 子
の 進 化 的 議 論 が で き る よ う に な る だ ろ う.
対 して 非 常 に 高 い リ ガ
現 細 胞 とBmOR3発
胞 は 互 い に 隣 り合 う よ う に 存 在 し て お り,こ
み が 発 現 す る とい う排 他 的 発
カ イ コ ガ で は,単 一 フ ェ ロモ ン成 分 が オ ス に対 して 誘
引 効 果 を示 す 点 で 他 種 の蛾 とは 異 な る が,フ
ェ ロ モ ンの
受 容 ・処 理 機 構 にお い て は 共 通性 が あ る と思 わ れ る.先
ェ ロモ ン受 容 に 特 化 した 嗅 神 経 は 大 糸
球 体 に投 射 して い る.一 般 的 に,性
フ ェ ロ モ ンの 主 成 分
を受 容 す る フ ェ ロ モ ン受 容 嗅 神 経 は 大 糸 球 体 のtoroid
と よ ば れ る 部 位 に投 射 し,副 成 分 を 受 容 す る 神 経 はcu
ン ド選 択 性 を 示 す こ と が 明 ら か に な っ た(図4a,b).ま
た 興 味 深 い こ と に,BmOR1発
対 して応 答 を
の選 択 性 を保 証 して い るの で あ る(図5).
述 した よ う に,フ
ア フ リ カ ツ メ ガ エ ル卵 母 細 胞 発 現 系 を用 い た応 答 解 析
に よ り,BmOR3はbombykalに
現 が,そ
み が 発 現 し,bombykalに
現細
れ ら2種
の
mulusと
い う区 画 に投 射 して い る こ とが 知 られ て い る.
カ イ コ ガ の場 合 は,bombykol受
容 神 経 がtoroid部 位 へ
受 容 体 は 同 一 感 覚 毛 内 の 一 対 の 嗅 神 経 細 胞 にそ れ ぞ れ排
と投 射 し,bombykal受
他 的 に 発 現 し て い る こ と が わ か っ た19)(図4c).1978年,
して い る23)(図5).複
Kaisslingら
物 質(構 造 異 性 体 や 鏡 像 体)の 混 合 比 を敏 感 に感 知 す る 蛾
に よ っ て,オ
受 性 感 覚 毛 内 の1対
に,も
ス カ イ コ ガ の 性 フ ェ ロモ ン 感
の 嗅 神 経 細 胞 は,片
う 一 方 がbombykalに
こ と が 電 気 生 理 学 的 に 示 さ れ て お り,筆
1568
蛋 白質
核酸
方 がbombykol
対 して特 異 的 な応 答 を示 す
酵 素Vol.50No.12(2005)
者 ら の 分 子 レベ
の 場 合 で は,大
容 神 経 がcumulus部
位 へ と投 射
数 の 構 造 的 に類 似 した フ ェ ロ モ ン
糸 球 体 の 活 性 化 部 位 が 定 ま った パ ター ン
を示 す こ とで は じめ て 性 的 行 動 が ひ き起 こ され る の で あ
ろ う.他 種 の 蛾 の性 フ ェ ロモ ン受 容体 は まだ 同 定 され て
図5性
フ ェロモン受容のメ 力ニズム
bQmbykol応
答 嗅 神 経 細 胞(紫)は
BmOR1を
発 現 し,bombykal応
神 経 細 胞(赤)はBmOR3を
答 嗅
発 現 して い
る,そ れぞ れ の 嗅神 経 細 胞 は フ ェロ モ ン
結 合 蛋 白質(PBP)発
現 支 持 細 胞(緑)に
囲 ま れ て 存 在 す る.bombykol受
容嗅
神 経 細胞 は大 糸 球 体 のtroid部 位 に投 射
し,bombykal受
容 嗅 神経 細 胞 はcumu-
lus部 位へ と投 射 す る.bombykol刺
激
はオ ス カ イコ ガ に婚 礼 ダ ン ス をひ き 起 こ
す が,bombykal受
容 に よ りそ の 行 動
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は抑 制 され る,バ ー は5μm.
い な いが,オ
オ タバ コ ガ で も数種 類 の オ ス 特 異 的 な 嗅 覚
受 容 体 が あ る の で,そ れ らが 性 フ ェ ロ モ ンの構 成 成 分 に
対 し て 高 い リ ガ ン ド選 択 性 を も っ て い る と推 定 さ れ
る24).究 極 の 識 別 セ ンサ ー を進 化 の過 程 で 獲 得 して きた
昆 虫 の フ ェ ロモ ン受 容 機 構 の 全 貌 解 明 は そ う遠 くな い と
思 わ れ る.
おわ りに
い ま ま で,昆 虫 の性 フ ェ ロ モ ン受 容 機 構 に関 して は,
末梢 感 覚 器 で あ る触 角 にお け る電 気 生 理 学 的 な 知 見 と,
触 角 葉 に お け る情 報 処 理 部 位 の解 剖 学 的 な 知 見 しか なか
っ た.今
回,性
フ ェ ロモ ン受 容体 が 同 定 され,そ の 機 能
発 現 機 構 が解 明 さ れ た こ とに よ り,電 気 生 理 学 的 知 見 と
行 動 学 的 ・解 剖 学 的 知 見 の あ い だ に あ っ た ブ ラ ッ ク ボ ッ
クス の ベ ー ル が は が れ て きた.性
フ ェ ロ モ ン受 容体 は,
これ まで に 知 ら れ て い る嗅 覚 受 容 体 の な か で も と くに高
い リ ガ ン ド選 択 性 と低 い 応 答 閾 値 濃 度 を も って お り,昆
図6昆
虫 嗅覚 受容 体の 分子 系統樹
異 な る 種 の嗅 覚 受 容 体 の枝 を 異 なる 色 で 示 す(カ イ コ ガ:青,オ
虫 が もつ 高 選 択 性 か つ 高 感 受 性 の フ ェ ロモ ン認 識 が 受 容
タバ コ ガ:赤,キ
体 レベ ル で確 立 して い る こ とが わ か っ た.
カイ コ ガ の オ ス 特 異 的 嗅 覚受 容体 と性 フ ェ ロモ ン受 容 体 は,オ オ
で は,性
フ ェ ロ モ ン受 容 体 は 嗅 覚 受 容 体 フ ァ ミ リ ーで
あ る に も か か わ らず,ほ か の 嗅 覚 受 容 体 に比 べ 低 い 閾 値
イ ロ シ ョ ウジ ョウバ エ:黄,八
オ
マ ダ ラカ:緑).
タバ コ ガ の オ ス 特 異 的 嗅 覚 受 容 体24)と同 じ ク ラ ス ター に 含 ま れ
る.Or83bフ
ァ ミ リー は 生 物 間 で近 接 した ク ラ ス ター を 形 成 す
る.
蛋 白質
核 酸 酵 素Vol.50No.12(2005)
1569
と高 い リ ガ ン ド選 択 性 を もつ の は なぜ だ ろ う.BmOR1
とBmOR3の
ア ミ ノ酸 配 列 に は構 造 的 に特 徴 的 な保 存 部
位 が ない の で,受
容 体 レベ ル で どの よ う に して リ ガ ン ド
選 択 性 が 生 み 出 され て い る の か に つ い て は た い へ ん興 味
深 い.さ ら に,今 回観 察 され た カチ オ ンチ ャ ネ ル活 性 は,
い ま まで の7回 膜 貫 通 型 受 容 体 で は み られ な か った 新 し
い タ イ プ の シ グ ナ ル で あ る。 膜 貫 通 予 測 プ ロ グ ラ ム に よ
る と,BmOR2は
ア デ ィ ポ ネ ク チ ン受 容 体 と 同 様 に25),
N末 端 が細 胞 質 側 に あ る と い う予 測 で あ るの で,既 存 の
GPCRの
枠 に は ま ら な い こ と も考 え ら れ る.一
GPCRの
リ ガ ン ド結 合 様 式 とシ グ ナ ル伝 達 機 構 と の 関 連
で,創 薬 分 野 にお け る応 用 も期 待 で きる.ま
般的な
た今 後,ほ
か の 蛾 にお け る性 フ ェ ロモ ン受 容 体 が 明 らか に な れ ば,
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地 球 上 の 生 物 の70%を
占 め る と い う最 大 の 種 に ま で 進
化 した 昆 虫 が,ど の よ うに して 種 分 化 と生 殖 隔 離 に 重 要
な フ ェ ロモ ン分 子 の 選 択 とそ の 受 容 メ カ ニ ズ ム の獲 得 を
行 な っ て き た か が わ か る だ ろ う.
昆 虫 フ ェ ロ モ ン研 究 は,フ
ァー ブ ル の 観 察 か ら始 ま
り,こ れ ま で に 天 然 物 化 学,有 機 化 学,行 動 学,神
学,生
化 学,分
経科
子 生 物 学 とい っ た研 究 分 野 で さ ま ざ ま な
ア プ ロー チ が 駆 使 され て きた.性
定 され た と は い え,ま
フ ェ ロ モ ン受 容 体 が 同
だ ま だ未 解 決 の 課 題 が 多 数 残 っ て
い る,領 域 横 断 的 な 非 常 に魅 力 的 な研 究 で あ る.本 稿 を
4) Vosshall, L. B., Amrein, H., Morozov, P. S., Rzhetsky, A.,
Axel, R. : Cell, 96, 725-736(1999)
5) Clyne,P. J. et al. : Neuron, 22, 327-338(1999)
6) Hallem, E. A., Ho, M. G., Carlson, J. R. : Cell, 117, 965-979
(2004)
7) Butenandt, V.A., Beckmann, R.,Stamm, D.,Hecker, E. : Z
Naturforschg., 14b,283(1959)
8) Kaissling, K. E., Kasang, G., Bestmann, H., Stransky, W.,
Vostrowsky, 0.: Naturwissenschaften, 65, 382(1978)
9) Kaissling,K.E.: Chem.Senses, 21, 257-268(1996)
10) Feixas, J.,Prestwich, G.D.,Guerrero, A. : Eur. J. Biochem.,
234,521-526(1995)
11) Leal,W. S. : Top. Curr. Chem.,240,1-36 (2005)
12) Maida, R., Steinbrecht, A., Ziegelberger, G.,Pelosi, P. : In
sect. Biochem.Mol. Biol., 23, 243-253(1993)
13) Buck, L., Axel,R.: Cell, 65,175-187(1991)
14) Breer, H., Boekhoff, I., Tareilus, E. : Nature, 345, 65-68
(1990)
15) Riesgo-Escovar, J., Raha, D., Carlson, J. R. : Proc. Natl.
Acad. Sci. USA,92, 2864-2868(1995)
16) Bray, S., Amrein, H. A. : Neuron, 39,1019-1029(2003)
17) Sakurai, T. et al. : Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101,1665316658(2004)
18) Vosshall,L. B., Wong, A. M., Axel, R. : Cell, 102, 147-159
(2000)
19) Nakagawa, T., Sakurai, T., Nishioka, T., Touhara, K. : Sci
ence, 307,1638-1642(2005)
20) Larsson, M. C. et al. : Neuron, 43, 703-714(2004)
21)桑
22)
読 ん だ 少 しで も多 くの 読 者 が 性 フ ェ ロモ ン研 究 に誘 引 さ
れ,嗅
覚研 究 分 野 が 活 性 化 して ます ます 発 展 して い く こ
23)
と を期 待 して い る.
24)
25)
1)
2)
3)
1570
Karlson, P., Luscher, M. : Nature, 183, 55-56 (1959)
Wyatt, T. D.: Pheromones and Animal Behavior, Cam
bridge University Press, Cambridge (2003)
Faber, J.: Souvenirs Entomologiques, 8th ed., Librairie
Delagrave, Paris (1904)
蛋白質 核酸
酵 素Vol.50No.12(2005)
原 保 正:性
フ ェ ロ モ ン,講
談 社(1996)
Hansson, B. S., Ljungberg, H., Hallberg, E., Lofstedt, C.
Science, 256,1313-1315 (1992)
Kanzaki, R., Soo, K., Seki, Y., Wada, S. : Chem. Senses, 28,
113-130(2003)
Krieger, J. et al. : Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 1184511850(2004)
Yamauchi, T. et al. : Nature, 423, 762-769 (2003)
仲川 喬雄
略 歴:2005年
東 京 大 学 大 学 院 新領 域 倉1」
成科 学研究 科 先端生
命 科 学 専 攻 博 士 課 程 修 了,2005年7月
大 学 博 士 研 究 員.研
機 構 の 解 明,
よ りロック フェラー
究 テ ー マ:カ イ コ ガ性 フ ェ ロ モ ン 受 容