発表者
悪原(佐藤) 成見(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 博士1年)
堀尾 奈央(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 特任研究員)
難波(加藤) 綾(花王株式会社 感性科学研究所)
吉川 敬一(花王株式会社 感性科学研究所)
新村 芳人(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 特任准教授/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト・グループリーダー)
伊原 さよ子(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 助教/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト・グループリーダー)
白須 未香(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 特任助教/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト・グループリーダー)
東原 和成(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 教授/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト・研究総括)

発表のポイント

◆香粧品に用いられるムスクの香りのひとつ“ムスコン(注1)”という匂い物質を認識する嗅覚受容体(注2)(ムスコン受容体)を、様々な哺乳類種において同定しました。

◆ヒトを含む複数種のムスコン受容体は、ムスコンのような大環状ムスクだけでなく、化学構造の大きく異なるニトロムスクにも応答を示すことがわかりました。本結果は、様々な構造を有するムスク香料がなぜ同じ質の匂いを呈するのか、という香料業界の長年の疑問を解決するものといえます。

◆ムスクの香りの感知には、特定の嗅覚受容体の働きが重要であることを、ヒト、マウスで明らかにしました。

発表概要

ムスクの香りは、その魅惑的な香りゆえ、古代から香料として用いられています。しかし、近年、ムスコンを代表とする天然ムスク香料は入手困難となり、これに代わる、新たな合成ムスク香料の開発は産業界で常に課題となっています。一方で様々な化学構造をもつ合成ムスク香料や天然ムスク香料が、なぜ我々の鼻で同じようなムスク香と感じられるのかは、化学界・香料業界において長年の謎でした。
 東京大学大学院農学生命科学研究科の東原和成教授らの研究グループは、先に同定されたマウスのムスコン受容体MOR215-1とヒトのムスコン受容体OR5AN1に加えて、4種の霊長類のムスコン受容体を新たに同定しました。さらに、ムスク系香料への応答特異性の解析から、これらの受容体の匂い感知メカニズムを明らかにしました。また、ヒトやマウスがムスクの香りを感知する際には、特定の嗅覚受容体の働きが重要であることを明らかにしました。
 本研究の成果は、ムスクの香りの感知メカニズムを解明すると共に、ヒトムスコン受容体の匂い応答特性を評価系とする新たなムスク香料開発に繋がると期待されます。

発表内容


図1 ムスコン受容体の系統樹とムスコンへの応答性
ヒトムスコン受容体OR5AN1とマウスムスコン受容体MOR215-1と相同関係にある6種の哺乳類(ピンク色:マウス、緑色:霊長類、青色:ヒト)の嗅覚受容体遺伝子系統樹(左)と、これらの嗅覚受容体のムスコンに対する応答強度(右)。それぞれの動物種が、1~2種類のムスコンに応答する嗅覚受容体を有することがわかった。(拡大画像↗

図2 様々なムスク香料に対するヒトムスコン受容体の応答性
 ヒトムスコン受容体OR5AN1は、ムスコンのような大環状ケトンのみならず、化学構造の全く異なるニトロムスクに対しても強く応答する。また、同じ大環状であっても、大環状ラクトンにはわずかな応答しか示さず、一方で大環状に二重結合を含む大環状ケトンには強い応答を示した。これらの結果は、私たちのムスク香に対する実際の感覚をよく反映しており、OR5AN1がヒトのムスク香感知に重要であることが示唆される。(拡大画像↗

図3 ヒト、マウスのムスク香感知におけるムスコン受容体の重要性
 (a)約400種のヒト嗅覚受容体に対し、ルシフェラーゼアッセイを用いてムスク香料に対するスクリーニングを行ったところ、強い応答を示したのはOR5AN1のみであった。この結果は、OR5AN1がヒトのムスク香感知に重要であるという仮説を、より支持するものである。
 (b)マウスのムスコン受容体MOR215-1をノックアウトしたマウスを用いて、ムスコンの匂い探索行動実験を行ったところ、ノックアウトマウスは野生型マウスに比べてムスコンの匂いを大幅に感知しづらくなっていた。(拡大画像↗

ムスクは、その魅惑的な香りから、多くのトイレタリー製品や香粧品に用いられます。最初に発見された天然ムスク香料であるムスコンは、ジャコウジカ(注3)の雄の臭腺から分泌され、性フェロモンのような役割をもちます。しかし、ジャコウジカは現在保護動物に指定されているため、天然ムスクは非常に希少となっています。そのため、同じムスク香をもつ様々な化学構造の合成ムスク香料がこれまで開発されてきましたが、中には皮膚への感作性(注4)をもつものや難分解性のものがあり、安全性と香気性を兼ね備えたより良いムスク香料の開発は、未だに香料業界の課題となっています。さらに、化学構造の異なるこのような化学物質が、受容体レベルでどのように感知されているのか、長年疑問でした。

私たちは、鼻の奥にある嗅覚受容体というセンサータンパク質に、匂い分子が結合することで、その匂いを感じることができます。通常、匂い分子は複数の嗅覚受容体に認識され、その受容体の組み合わせによって、物質による匂いの違いが生じます。近年当研究室では、天然ムスクのムスコンを感知するマウスとヒトの嗅覚受容体を同定しました。さらに、マウスではムスコン受容体が非常に少数であり、ムスコンのような大環状ケトンにのみ応答する高い選択性を示すことがわかりました。

本研究では、系統解析(注5)と培養細胞を用いた実験を組み合わせて、新たに6種の哺乳類のムスコン受容体を同定しました(図1)。まず、13種の哺乳類における嗅覚受容体の遺伝子配列から、先に同定されたマウスとヒトのムスコン受容体周辺の系統樹を作成しました。ヒトムスコン受容体OR5AN1が含まれる遺伝子グループには、マウスの遺伝子の他、複数の霊長類の遺伝子が存在しました。一方、マウスムスコン受容体MOR215-1の遺伝子グループに含まれるのは、本遺伝子のみでした。また、これら2つの遺伝子グループのちょうど間に位置するグループには、複数種の霊長類の遺伝子が含まれていました。そこで、これら3つの遺伝子グループに着目し、これらに含まれる嗅覚受容体遺伝子の、ムスコンへの応答性を調べることにしました。

嗅覚受容体の匂い物質に対する応答の解析には、HEK293培養細胞を使ったルシフェラーゼアッセイ(注6)を用いました。上記3つの遺伝子グループに含まれる嗅覚受容体を培養細胞に発現させ、ムスコン刺激を行ったところ、それぞれの種で1~2個の嗅覚受容体が応答を示しました。ここから、3つの遺伝子グループに含まれる嗅覚受容体は、ムスコンへの応答能を有しており、マウスからヒトに至るまで、その応答能は保存されていることがわかりました。

次に、これらのムスコン受容体の、様々なムスク香料に対する応答性を解析しました(図2)。ムスク香料は、ムスコンのような大環状構造をもつ大環状ムスク、ベンゼン環にニトロ基のついたニトロムスク、環状構造が連なる多環式ムスク、炭素鎖をもつ鎖状ムスク、並びにムスク香料ではないもののムスコンと構造的に関連した化合物、計25種を使用しました。その結果、全てのムスコン受容体は大環状ムスク、特にムスコンと同じくケトン基をもつ大環状ケトンに対して応答を示しました。また興味深いことに、ヒトムスコン受容体OR5AN1は、ムスコンとは全く異なる化学構造をもつニトロムスクに対しても強い応答を示しました。さらに、ニトロムスクだけでなく、大環状中に二重結合をもつ、不飽和大環状ケトンといった、私たちが実際に匂いを嗅いでみてムスク香が強いと感じる物質に対して、OR5AN1は強い応答を示しました。

ムスコンには鏡像異性体が存在し、l (R) 体は強く華やかなムスク香をもつのに対して、d (S) 体はムスク香が弱いことが知られています。ルシフェラーゼアッセイを用いて、ヒトムスコン受容体OR5AN1のムスコン鏡像異性体に対する応答性を調べたところ、l体に対して、d体よりも強い応答を示すことがわかりました。この結果はOR5AN1の応答性がヒトのムスク香に対する感覚と一致していることを示しています。

さらに花王株式会社との共同研究では、約400種存在するヒト嗅覚受容体から、ムスク香料のムスコンとニトロムスクに応答する受容体を探索するスクリーニングを行いました(図3a)。その結果、どちらのムスク香料も、強い応答を示したのはOR5AN1のみでした。OR5AN1はムスコンに限らず、ヒトのムスク香の感知に大きく寄与している可能性が示唆されました。

マウスでは、最も感度の高いマウスムスコン受容体MOR215-1を欠失させた変異マウスを作製しました。匂い探索実験の結果、この変異マウスは野生型マウスに比べて大幅にムスコンの香りを感知しづらくなることがわかりました(図3b)。このことはマウスにおいても、ムスクの匂いの感知には、ムスコン受容体であるMOR215-1が重要な役割を果たしていることを示唆しています。

本研究により、“ムスク香料が異なる化学構造をもつにも関わらず、同じようなムスク香をもつのは、同じ受容体で認識されるからである”ということがわかりました。また、ヒトのムスコン受容体の匂い応答特性を用いた匂い物質スクリーニング技術について国内特許を取得中であり、受容体応答性を評価指標とした産業的に有用なムスク香料の開発に繋がると期待されます(現在国内企業2社に実施許諾中)。

図(写真)がご入用の場合は下記に問い合せください。
  東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 生物化学研究室
   教授 東原 和成
   Tel: 03-5841-5109、Fax: 03-5841-8024
   Email:ktouhara@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
   特任助教 白須 未香
   Tel: 03-5841-5109、Fax: 03-5841-8024
   Email:ashirasu@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp

東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻生物化学研究室HP
  http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/biological-chemistry/

JST ERATO 東原化学感覚シグナルプロジェクトHP
  http://www.jst.go.jp/erato/touhara/

発表雑誌

雑誌名
「The Journal of Neuroscience」
論文タイトル
Ligand specificity and evolution of mammalian musk odor receptors: the effect of single receptor deletion on odor detection
著者
Narumi Sato-Akuhara, Nao Horio, Aya Kato-Namba, Keiichi Yoshikawa, Yoshihito Niimura, Sayoko Ihara, Mika Shirasu, and Kazushige Touhara
DOI番号
10.1523/JNEUROSCI.3259-15.2016
論文URL
http://www.jneurosci.org/content/36/16/4482.short

問い合わせ先

<研究に関すること>
東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 生物化学研究室
教授 東原 和成
Tel:03-5841-5109
Fax:03-5841-8024
Email:ktouhara@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
特任助教 白須 未香
Tel: 03-5841-5109
Fax: 03-5841-8024
Email:ashirasu@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp

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〒102-0076 東京都千代田区五番町7 K’s五番町
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Fax:03-3222-2068
Email:eratowww@jst.go.jp

用語解説

注1 ムスコン(Muscone)
15員環の大環状ケトンの一つで、ジャコウジカ(麝香鹿、Moschus moschiferus)の成熟雄の臭腺から分泌される。組成式はC16H30O。ムスク(麝香)は元々ジャコウジカが分泌する匂いのことを指しており、1906年に Walbaum は、ジャコウジカの臭腺からムスクの香りを呈する物質を単離し、ムスコンと名付けた 。その後、 1926年に Ruzicka により化学構造が解明された。その魅惑的な香りから需要が絶えないが、ジャコウジカが保護動物のため天然のムスコンは非常に希少であり、また、合成も困難である。
注2 嗅覚受容体
鼻腔粘膜上皮の嗅神経細胞に存在する匂い物質を感知するセンサータンパク質。匂い物質が結合すると、細胞が電気的に興奮し、物質の存在を感知する。
注3 ジャコウジカ(麝香鹿、Moschus moschiferus
ヒマラヤ付近に生息する小型のシカの一種。成熟雄は、下腹部の両脇に臭腺と呼ばれる分泌腺をもち、ここからムスコン(注1)を主成分とするムスクの香りを放つ。この香りは、縄張りを示し、雌を惹きつける、フェロモンのような役割をもつ。香料としてはもちろん媚薬や漢方としても使用され、その産業的需要から乱獲が進み、現在保護動物に指定されている。
注4 皮膚への感作性
皮膚に接触することにより、かぶれなどの遅延型アレルギー反応を起こす性質。
注5 系統解析
遺伝子の塩基置換から、種間の系統関係を明らかにする解析。嗅覚受容体遺伝子は、魚類からヒトに至るまで脊椎動物間に広く保存されており、それぞれの種のもつ受容体のレパートリーは生存環境によって大きく異なり、進化の過程において重複や欠失が極めて多い。
注6 ルシフェラーゼアッセイ
ホタルの発光色素ルシフェリンを基質とする酵素ルシフェラーゼを利用したハイスループットなスクリーニングアッセイ系。嗅覚研究においては、培養細胞に、嗅覚受容体発現ベクターと共にcAMP産生に応じてホタルルシフェラーゼを発現するレポータープラスミドを導入し、受容体の匂い物質に対する活性(匂い応答)を定量化する。