なぜ私たちはさまざまな匂いを嗅ぐことができるのでしょうか?非常に基本的だが極めて複雑な科学的疑問

嗅覚は人体で最も早く形成される感覚の一つであり、私たちの生活の中であまりにも一般的であるため、その重要性が見過ごされがちです。嗅覚は、おいしい食べ物を楽しんだり、環境の危険を感知したりするだけでなく、記憶や感情にも深く関係しています。では、なぜ私たちは匂いを嗅ぐことができるのでしょうか?これは非常に基本的な質問ですが、非常に複雑な質問です。嗅覚受容体を探索することが答えを見つける鍵となります。

著者：陳青超（ケンブリッジ大学MRC分子生物学研究所ポストドクター研究員）

多様な物質世界の中には、私たちが見ることも触れることもできないけれど、本当に感じることができる世界があります。それは雨上がりの土や草の香りから来るものかもしれませんし、あるいは食卓の上のおいしい食べ物の誘惑から来るものかもしれません。それは記憶の中にも存在し、感情の流れを繋ぎます。ここは「匂いの世界」です。

匂いには何百万種類もの異なる種類があり、それぞれが異なる特性を持つ何百もの化学分子で構成されています。なぜ私たちはこのように複雑で多様な匂いを感知し、区別できるのでしょうか?これは長い間、生物学においてあまり研究されていないが非常に重要な科学的疑問の一つでした。

図 1. 一般的な果物や野菜（イチゴ、トマト、ブルーベリー）から発せられる香りに含まれる匂い分子。それぞれの円と四角は匂い分子を表します。 |画像出典: salk.edu

実際、「感覚」と「識別」は 2 つの異なる生物学的問題です。1 つは、複雑で多様な匂いの分子を嗅覚系がどのように認識するかという問題です。もう 1 つは、私たちの神経系が匂いの信号を解読して、さまざまな嗅覚知覚を形成する方法です。この記事では主に最初の質問に焦点を当て、過去数十年にわたる嗅覚受容体の構造研究の探究プロセスを紹介します。

嗅覚受容体の探索

嗅覚は人体で最も早く形成される感覚の一つであり、非常に複雑な感覚反応です。私たちは何百万もの嗅覚神経を通して、非常に低い濃度（マイクロモルまたはナノモルの濃度範囲）であっても、構造特性が異なる多種多様な小さな化合物、つまり匂い分子を感知し、区別することができます。 [2]

人間の鼻粘膜は嗅上皮と呼ばれる組織で覆われており、その中で多数の嗅覚感覚ニューロンが成長し、相互に接続されています。嗅覚神経細胞は繊毛を通って鼻腔の内側を覆う粘液層まで伸びています。私たちが特定の匂いを嗅ぐプロセスは次のとおりです (図 1): 匂い分子が鼻粘膜に入り、嗅覚ニューロンの一次繊毛によって感知され、それによって嗅神経細胞が活性化され、化学信号が生成されます。これらの化学信号は神経細胞を刺激して電気信号を発生させ、その電気信号は嗅神経を通って嗅球に伝達され、さらに嗅皮質（嗅覚処理を担う脳の皮質領域）に伝達されます。嗅覚皮質では、脳は入ってくる嗅覚情報を分析して識別します。最終的に、嗅覚神経信号の処理によって、コーヒー、バラ、マンゴーなどのさまざまな匂いを表す意味表現が形成されます。

図 2. 人間の嗅覚システムの模式図。匂いの知覚から信号伝達、最終的な情報処理まで。 |画像出典: nobelprize.org

嗅覚研究の分野における重要な疑問は、細胞が複雑で多様な匂い分子をどうやって感知するかということであった。合理的な仮説としては、嗅覚神経細胞に「嗅覚（匂い）受容体」（Ordorant Receptor、OR）と呼ばれる特殊なタンパク質があり、それが匂い分子の検出に使用されるというものです。科学者たちは、これらの特殊な嗅覚受容体タンパク質を見つけようとしてきました。

1980 年代半ば、さまざまな研究グループによって行われた一連の生理学的および生化学的実験により、嗅覚感覚ニューロンの匂いの活性化は G タンパク質依存性経路によって媒介されることが示されました。

G タンパク質は細胞内で非常に重要なタイプのシグナル伝達分子です。 Gタンパク質共役受容体（GPCR）と連携して、ホルモンや神経伝達物質などのさまざまなシグナル因子によって生成されたシグナルを細胞内に伝達し、さらに酵素、イオンチャネル、トランスポーター、その他のさまざまなタンパク質の機能を制御します。嗅覚ニューロンでは、Gタンパク質がアデニル酸シクラーゼの活性化を媒介し、環状アデノシン一リン酸（cAMP）の細胞内濃度を上昇させ、cAMP依存性イオンチャネルを活性化し、ニューロンを脱分極させる[4]。

同じ時期に、G タンパク質や cAMP 依存性イオンチャネルをコードする遺伝子を含む、多数の嗅覚特異的遺伝子がクローン化され、嗅覚シグナル伝達における G タンパク質シグナル伝達経路の重要な役割がさらに確認されました。これらの研究は、嗅覚受容体が G タンパク質共役受容体 (GPCR) である可能性が高いことを強く示唆しました。

1991年、リンダ・バックとリチャード・アクセルはサイエンス誌に画期的な研究を発表し、ラットの嗅覚受容体GPCR遺伝子ファミリーを初めてクローン化して特定しました[6]。さらに分析を進めると、これらの受容体はラットの嗅覚上皮細胞でのみ発現しており、他の8つの組織（脳、網膜、肝臓など）では発現していないことも実証されました。さらに、嗅覚遺伝子ファミリーのサイズを推定するために、研究者らは DNA 混合物をプローブとして使い、ラットのゲノムライブラリをスクリーニングしました。当時のスクリーニング結果では、ラットの半数体ゲノムには少なくとも500〜1000個の嗅覚受容体遺伝子が含まれていることが示されました。

その後、バック氏とアクセル氏は独立して研究を進め、ヒトの嗅覚組織における嗅覚受容体 GPCR 遺伝子の存在をさらに発見し、ヒトの嗅覚系におけるその重要な役割を確認しました。

これらの先駆的な研究は、嗅覚という神秘的な感覚に対する理解と研究の重要な基礎を築き、この功績により二人は2004年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。

図 3. 2004 年のノーベル生理学・医学賞は、リチャードアクセル (左) とリンダ B. バック (右) の「嗅覚受容体と嗅覚系の構造の発見」により共同で受賞しました。 |画像出典: nobelprize.org

2004年以降、ヒトゲノム計画の完了により、ヒトの嗅覚受容体遺伝子の特定と分類が可能となり、嗅覚受容体研究の発展がさらに促進されました。

現在では、嗅覚受容体は主に 7 つの膜貫通領域を持つ G タンパク質共役受容体 (GPCR) であることがわかっています。 GPCR は人体内に 800 を超えるファミリーメンバーが存在し、真核生物における細胞表面受容体の最大のファミリーです。それらは人体のほぼすべての生命活動の調節に関与しています。このため、GPCR は科学研究における「スター分子」となり、医薬品開発の重要なターゲットとなっています。米国食品医薬品局（FDA）によって承認されたすべての薬剤のうち、約3分の1は、さまざまなGPCRの活性を標的とし、その活性を調節することによって作用します[7]。人体に存在するすべての GPCR のうち、約 400 個が嗅覚受容体に分類され、GPCR メンバーの半数を占め、最大のタンパク質ファミリーを形成しています。

嗅覚受容体の構造解明のジレンマ

嗅覚受容体が1991年に初めて発見されて以来、構造生物学者は嗅覚受容体の構造を解明し、匂い分子を認識するメカニズムを解明する研究を続けてきました。しかし、過去30年間にわたり、嗅覚受容体の構造の解析は順調に進んでおらず、多くの課題に直面してきました。

まず、ほとんどのヒト嗅覚受容体は主に鼻の神経細胞で低レベルで発現しています。したがって、構造解明のために十分な量のタンパク質（通常はミリグラム単位）をヒトの組織サンプルから直接得ることは困難です。異種発現（動物細胞や細菌における発現）の効果も理想的ではありません。発現レベルが非常に低いだけでなく、ミスフォールディングにより生物学的活性も欠如しています。

第二に、GPCR のタンパク質構造を解析するためには、特定の高親和性リガンド分子、つまり適切な匂い分子を結合させる必要があります。しかし、匂い分子の化学的多様性と嗅覚受容体の数の多さから、特定の嗅覚受容体がどの匂い分子と相互作用するかを判定する効率的な方法が現在のところ存在しません。

学術界では、現在、各嗅覚受容体がすべての潜在的な匂い分子のサブセットと相互作用できること、1 つの匂い分子が複数の嗅覚受容体を活性化できること、そして異なる受容体は異なる匂い分子に対して異なる親和性を持つことが徐々に認識されつつあります。この相互作用の複雑さにより、多くの嗅覚受容体が適切な匂い分子リガンドを見つけられず、これらの受容体は「孤児受容体」と呼ばれています[8]。現在、オーファン受容体に適したリガンドを見つけるための効果的なスクリーニング方法を開発するために、「脱オーファン化」に関する研究が数多く行われています。さらに、揮発性の臭気分子のほとんどは溶解度の低い疎水性分子であるため、臭気分子リガンドの調製の難易度が大幅に高まります。

第三に、細胞膜上でのシグナルの感知と伝達に重要な分子である GPCR は、不活性、半活性、活性、さまざまな調節分子との結合など、さまざまな立体構造で絶えず変化する非常に動的なタンパク質分子です。したがって、他のほとんどの GPCR と同様に、嗅覚受容体を精製する際の難しさの 1 つは、受容体タンパク質を特定の構造に安定化させることであり、これはタンパク質結晶の形成にとって非常に重要です。

近年、多くの研究グループが、安定性変異を通じてタンパク質結晶化のための非常に安定した受容体変異体を得ることなど、GPCR のさまざまな立体配座を安定化するための多くの方法を開発してきました。「ミニGタンパク質（miniG）」に結合することにより、Gタンパク質に結合したGPCRの構造を完全に活性状態で安定化する。高親和性小分子リガンド（アゴニスト、アンタゴニスト、逆アゴニストなどを含む）を組み合わせること。 GPCR のさまざまな複合体構造を安定化するための新しいナノボディ (ナノボディ) を開発します。特定の GPCR の場合、特定のコンフォメーションを安定化するにはさまざまな方法を試す必要があり、これは非常に時間と労力を要するプロセスです。

希望の夜明け：昆虫から人間へ

今日、構造生物学は結晶回折からクライオ電子顕微鏡の時代へと移行しました。完全な単粒子クライオ電子顕微鏡法では、精製されたタンパク質を非結晶性のガラス質氷の薄い層で瞬時に凍結し、透過型電子顕微鏡を使用して画像化し、数十万から数百万のタンパク質粒子のデータを記録して、3次元再構成と正確なモデリングを行います（図4）。従来の結晶学的方法と比較して、単粒子クライオ電子顕微鏡（Cryo-EM）技術には、結晶を取得する必要がない、必要なサンプル量が少ない、サンプル調製方法が多様であるなど、生物学的高分子の高解像度構造を解明する上で明らかな利点があります。これは、GPCR と下流タンパク質の複雑な構造を解明するために広く使用されており、嗅覚受容体構造の解明に希望をもたらしました。

図 4. 単粒子クライオ電子顕微鏡法 (Single Particle Cryo-EM) の基本的なワークフロー: 精製されたタンパク質サンプルをグリッド上に配置し、液体エタンでガラス化します。薄い氷の中に埋め込まれたタンパク質粒子はさまざまなランダムな方向を持ち、透過型電子顕微鏡 (TEM) によって画像化されます。その後、一連の画像処理を通じて三次元的に再構築され、最終的に高解像度のタンパク質クライオ電子顕微鏡構造が得られます。 |画像出典: pdf.medrang.co.kr

2018年、米国ロックフェラー大学のルタ研究所の研究者らは、寄生蜂の嗅覚共受容体であるオルコの単粒子クライオ電子顕微鏡構造を約3.5Åの解像度で解明した[9]。哺乳類とは異なり、昆虫の嗅覚受容体は GPCR ではなく、嗅覚受容体 OR と高度に保存された共受容体 Orco から構成されるヘテロ多量体イオンチャネルであるゲート型イオンチャネルです。このイオンチャネルは、荷電粒子が流れる細孔のように機能し、受容体が標的の匂い分子に遭遇したときにのみ開き、嗅覚細胞を活性化します。科学界では長い間、オルコが独立した嗅覚受容体として機能できるかどうかについて論争があり、昆虫の匂いの知覚とシグナル伝達の統一モデルは形成されていません。この研究は、昆虫の嗅覚共受容体オルコホモテトラマーの微細構造を初めて実証し、「昆虫の嗅覚共受容体オルコは、新しいタイプのヘテロマーリガンド依存性イオンチャネルを形成できる」と決定的な証拠を提供し、構造分析を得てその機能を確認し、昆虫の末梢嗅覚機構の理解に重要な新しい洞察を提供しました。

2021年、Ruta研究室の別の研究では、カワゲラ（Machilis hrabei）の嗅覚受容体OR5のクライオ電子顕微鏡構造が解明されました[10]（図5）。研究者らは、3つの異なる匂い分子に結合したOR5の構造を比較することにより、匂い分子の結合は主に疎水性相互作用に依存しており、リガンド認識を媒介することが多い他の分子間力（水素結合など）に固有の厳密な幾何学的制約が欠けていることを発見した。

疎水性相互作用は、タンパク質の三次元構造を安定させる力であり、通常は 2 つ以上の非極性アミノ酸残基間で発生します。極地の環境（最も一般的には水）にいるとき、彼らは水を「嫌う」ため、極地の環境との相互作用をできるだけ少なくするために、特定の方法で互いに近くに留まります。この非特異的な弱い相互作用は、1 つの嗅覚受容体が異なる匂い物質を認識できる理由を説明する新しいメカニズムを提供します。これは、他の多くの受容体 - リガンド相互作用の古典的な「鍵と鍵穴」モデルとは異なります。しかし、OR5 受容体の非特異性は、それが選好性を持たないことを意味するものではありません。多くの異なる匂い分子に結合できますが、他の多くの匂い分子に対しても鈍感です。さらに、結合ポケット内のいくつかのアミノ酸を単に変異させるだけで、受容体は、本来は嫌う分子に結合できるように再形成することができます。この発見は、昆虫が進化の過程で突然変異を通じて何百万もの嗅覚受容体を進化させ、遭遇するさまざまな生活環境に適応し、独自のライフスタイルを形成することができた理由を説明するのにも役立ちます。

図5. Machilis hrabeiの嗅覚受容体OR5のクライオ電子顕微鏡構造。匂い分子が嗅覚受容体に結合すると、嗅覚受容体チャネルの孔（青）が拡張します（ピンク）。 |画像出典: rockefeller.edu

昆虫の嗅覚受容体に関する上記の構造生物学研究は、匂い認識のメカニズムの理解に多くの新たな知見をもたらしました。しかし、人間と昆虫はやはり違います。人間の嗅覚知覚の「ベール」を明らかにするには、人間の嗅覚受容体の高解像度構造が早急に必要です。

2023年3月にネイチャー誌に掲載された論文で初めて人間の嗅覚受容体の構造の謎が明らかになった[11]。

この研究のために、研究者らはOR5E2と呼ばれる嗅覚受容体を選択しました。彼らがこの受容体を選んだのは、この受容体が嗅覚ニューロンだけでなく前立腺などの他の非嗅覚器官でも発現しており、異種システムでの発現により適していると考えられるためである。つまり、十分なタンパク質を摂取しやすくなります。

この受容体に適合する分子も容易に入手可能です。これまでの研究では、この受容体は水溶性短鎖脂肪酸（SCFA）の匂い分子であるプロピオン酸に結合し、反応できることが示されています。短鎖脂肪酸は腸内細菌叢によって生成されるシグナル伝達分子の一種です。これらは揮発性があり、独特の刺激臭があり、多くの病気の発生と進行に重要な役割を果たします。

さらに、OR5E2 は進化の過程で比較的保存されており、これはおそらく、多くの動物種の生存に重要な匂いを認識するためであり、研究者らは、この嗅覚受容体は進化において安定性によってより制約を受ける可能性があると推測している。

つまり、これらの戦略を通じて、研究者たちは、ほとんどの嗅覚受容体の発現レベルが低いこと、ほとんどの揮発性臭気物質の溶解度が低いこと、精製された嗅覚受容体が非常に不安定であることなどの課題を巧みに回避したのです。研究者らは、ミニGタンパク質を融合して発現させ、Gβ1γ2タンパク質とナノ抗体Nb35を組み合わせることで、プロピオン酸に結合したOR5E2の活性化状態を安定化し、クライオ電子顕微鏡を使用してその3次元高解像度構造を解明しました（図6）。

図 6. ヒト嗅覚受容体 OR51E2 (緑) の 3D 構造。紫、赤、青のコイルともつれは受容体に結合する G タンパク質サブユニットであり、オレンジ色のものは構造を安定させるために使用されるナノボディです。 |画像出典: Kristina Armitage/Quanta Magazine;出典: NIH/NIDCD; ArtBalitskiy/iStock;アルホンテス/iStock

この構造では、OR51E2 受容体が匂い分子のプロピオン酸を小さな閉じた結合ポケットに閉じ込めます。この小さなポケットの中で、プロピオン酸は極性相互作用（水素結合とイオン結合）と非特異的疎水性相互作用の 2 種類の相互作用を通じて OR51E2 に結合します。したがって、OR51E2 は昆虫の匂い依存性イオンチャネルとは異なる方法で匂い分子に結合し、より選択的であると考えられます。

多くの嗅覚受容体は化学的に多様なさまざまな匂い物質に反応しますが、OR51E2 は短鎖脂肪酸にのみ結合するようです。では、この選択性を決定する要因は何でしょうか?この構造をさらに分析すると、OR51E2 の短鎖脂肪酸に対する選択性は、酢酸やプロピオン酸などの短鎖脂肪酸を収容できるが、より長い脂肪酸鎖の結合を防ぐ閉じた結合ポケット (31 Å) の容積に起因していることが明らかになりました。そのため、研究者たちは、結合ポケットの容積が匂い分子の重要な選択要因であると考えています。

これは、匂い分子リガンドに結合したヒト嗅覚受容体の活性化構造として初めて公表された、非常に興味深い研究成果です。これにより、嗅覚受容体とGタンパク質の結合など多くの点で完璧ではないものの、匂い分子が嗅覚受容体に結合する仕組みを初めて観察できるようになりました。

リガンドが GPCR に結合すると、通常は構造変化が起こり、それによって G タンパク質と結合し、さらにシグナルが G タンパク質に伝達されます。生理学的条件下では、哺乳類の嗅覚受容体は、相同性の高い 2 つの G タンパク質、Gαolf と Gαs に結合することができます。この構造では、研究者らはGαolfやGαsを結合させず、代わりにminiGαsの融合発現を使用し、Gβ1γ2とナノ抗体Nb35を組み合わせて、受容体とGタンパク質ヘテロ三量体の構造を安定化させました。嗅覚受容体と G タンパク質の間にはいくつかの相互作用が発見されていますが、これは生体内での実際の G タンパク質 Gαolf および Gαs との相互作用メカニズムを説明するには不十分です。

2023年5月24日、山東大学基礎医学部の孫金鵬研究室は、4つの内因性アミンリガンド（フェニルエチルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン、カダベリン、スペルミジン）を認識し、下流のGαsおよびGαolfタンパク質と結合するマウス微量アミン嗅覚受容体TAAR9（mTAAR9）の構造を体系的に解析した論文をNature誌オンライン版に発表しました[12]。

微量アミン関連受容体 (TAAR) は、ナノモル濃度の微量アミンを感知できる、脊椎動物における進化的に保存された G タンパク質共役受容体の一種です。微量アミンはアミノ酸の脱炭酸反応によって生成され、動物においては捕食動物や獲物の存在、交尾相手の接近、食物の腐敗などのさまざまな刺激を感知する匂い分子として機能し、匂いに応じて種内または種間の誘引または嫌悪反応を引き起こすことができます。近年、人体内の微量アミンがさまざまな精神障害に関連していることを示す研究が増えています。そのため、TAAR は統合失調症、うつ病、薬物依存症などの精神疾患の潜在的な新たな治療ターゲットとなっています。

図 7. さまざまなリガンドと Gas および Gaolf タンパク質の三量体を含むマウス嗅覚受容体 mTAAR9 複合体の構造。 |画像出典: Nature

この研究で研究者らは、嗅覚受容体TAARがN末端と第二細胞外セグメントの間に一対のジスルフィド結合を形成していることを発見した。これは、構造が知られている他のGPCR受容体ではこれまで発見されたことがないものである。さらに、このジスルフィド結合のペアは、mTAAR9 がリガンドを認識し、受容体活性化状態の細胞外構造を安定化させるために重要です。

単一の TAAR 嗅覚受容体は複数のアミン臭分子を認識することができ、同じアミン臭分子も複数の嗅覚受容体によって認識されます。この相互作用の複雑な性質は、アミン分子の嗅覚知覚にとって重要な基礎となります。この研究では、アミン臭分子を認識するためのmTAAR9の共通構造モチーフと、異なるアミン臭分子を認識するための複合構造モチーフを発見し、アミン臭分子の認識に関する新たな知見をもたらしました。

研究者らが、下流の2つのGタンパク質GαsおよびGαolfと結合したmTAAR9受容体の分子構造も解明したことは注目に値する。これは、嗅覚受容体と Gαolf の複合体の構造を初めて実験的に決定したものであり、下流の G タンパク質結合に続く哺乳類の嗅覚受容体の完全な活性化に関する重要な洞察を提供します。

今後の課題

クライオ電子顕微鏡の助けにより、嗅覚受容体の構造解析の兆しが見え始めており、より大きな課題が待ち受けています。

上記の構造は活性化された構造のみを示していますが、生理学的条件下では嗅覚受容体は非常に動的です。タンパク質構造予測の分野における人工知能の急速な発展に伴い、研究者らは理論モデルを改善するためにコンピューターシミュレーションを通じて受容体の動的変化を実証しようと試みてきましたが、これは実際の生理学的条件下での構造変化と完全に同等ではありません。嗅覚知覚の完全な生物学的「ブラックボックス」を明らかにするためには、より多くの嗅覚受容体の構造を異なる時間的ダイナミクス下で分析し、高解像度の受容体タンパク質の動的モニタリング法を開発する必要があります。

近年、シーケンシング技術の継続的な発展により、嗅覚受容体の発現は、心臓、呼吸器、腎臓、肝臓、肺、皮膚、脳などのより多くの非嗅覚組織でも発見されています。非嗅覚組織におけるこれらの嗅覚受容体の発現は、普遍的かつ特異的です。研究により、鼻腔外で発現する嗅覚受容体は特定の組織において特定の生物学的機能を持つことが示されています[13]。いくつかの研究では、嗅覚受容体の機能異常が神経系疾患や腫瘍などの疾患の発生や進行に関連していることが明らかになっています。非嗅覚組織におけるこれらの受容体の生理学的構造を分析することで、嗅覚受容体構造の研究に新たな方向性と課題がもたらされます。これらの嗅覚受容体は将来的に重要な薬剤ターゲットとなることも期待されています。

この記事の冒頭の質問に戻りましょう。なぜ私たちの嗅覚系は、このように複雑で多様な匂いを感知し、区別できるのでしょうか?科学的には、この質問にはまだ完全に答えられていませんが、嗅覚受容体の構造についてさらに学び、理解が深まるにつれて、この質問はより複雑になるようです。嗅覚受容体が空気中の匂い分子に選択的に反応する仕組みは、匂いという大きなパズルのほんの一部に過ぎず、研究者たちはさらに複雑な課題に直面しています。それは、受容体によって伝えられる電気化学信号を脳が匂いの知覚にどのように変換するかを理解することです。

嗅覚の謎を解明するには、まだ長い道のりが残っています。

参考文献

[1] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28424010/

[2] https://academic.oup.com/nar/article/50/D1/D678/6362078

[3] https://www.ingentaconnect.com/content/ben/cn/2019/00000017/00000009/art00010

[4] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK55985/

[5] https://www.science.org/doi/10.1126/

[6] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1840504/

[7] https://www.nature.com/articles/nrd.2017.178

[8] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AD%A4%E5%84%BF%E5%8F%97%E4%BD%93

[9] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0420-8

[10] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03794-8