ほ乳類か?多くの匂いセンサーを有して様々な匂いを検知て?きるメカニズムと嗅覚受容体の構造と機能
RTP ノックアウトマウスを用いた実験て?、大多数の嗅覚受容体か?細胞 膜に局在て?きす?嗅覚応答か?低下すること、しかし、一部の嗅覚受容体は細胞膜局在を保つため嗅覚を完全に失わないことを以前報告しています(Sharma et al., eLife 2017)。この報告を基に、一定数の 嗅覚受容体は RTP か?なくても機能すると仮定し、約200種の嗅覚受容体の細胞膜局在性をヒト由来培養細胞 HEK293T細胞を使い評価しました。すると、一部の嗅覚受容体は単独て? HEK293T 細胞に局在て?きることか?分かりました(Traffic ORs と記載)。これら Traffic ORs の 7 回膜貫通タンハ?ク質構造モテ?ルを用いた分子シミュレーション解析により、単独て?細胞膜に局在て?き る嗅覚受容体は他の嗅覚受容体に比へ?タンハ?ク質の立体構造形成か?安定していることか?分かりました (図 1)。Traffic ORs には保存性の高いアミノ酸か?全体に散らは?っていること、また、Traffic ORs はマウス の嗅覚受容体の系統樹に広く分布していたことから、ある特定の嗅覚受容体か? Traffic ORs に属していな いことか?分かりました。
次に、ヒト嗅覚受容体のアミノ酸配列から分けられるク?ルーフ?毎に、アミノ酸配列の共通性の高いコ ンセンサス ORs を人工的に構築し、HEK293T 細胞て?その機能を評価しました。すると、一部のコンセ ンサス ORs は非常に高い細胞膜局在を示し、かつ、匂い分子応答性を示しました(図 2)。コンセンサス ORs に対し、分子シミュレーション解析から熱安定性を高めると予測されたアミノ酸変異を導入したと ころ、さらに匂い分子応答性を保持したまま細胞膜局在量か?増大したことから、嗅覚受容体のタンハ?ク 質の熱安定性と機能発現量の相関関係か?ここて?も実証されました。
タンハ?ク質の熱安定性と機能的発現量に相関を示すことはある程度予想て?きることて?すか?、嗅覚受容 体の場合 1 つのアミノ酸変異て?あっても、その機能性を大きく変化させます。嗅覚受容体はヒトて?は約 400 種、マウスて?は約 1100 種と非常に種類か?多く、それは環境中の多彩な匂いに対応するために遺伝子 変異の速度か?速くなったと考えられています。アミノ酸に変異か?起きることて?、受容体か?応答て?きる匂 い分子か?増える一方て?、その代償としてタンハ?ク質の構造安定性か?低下してしまったと考えられます。 しかし、生物はこの不安定な嗅覚受容体も機能させるために、Receptor transporting protein(RTP)といった シャヘ?ロンタンハ?ク質を生み出し、多様な嗅覚受容体を機能させ、嗅覚を発達させるように進化を遂け? ていったと考えられます。
今回発見した Traffic ORs やコンセンサス ORs は、単独て?高いタンハ?ク質発現を示すため、 従来の嗅覚受容体て?は難しかった機能性のあるタンハ?ク質を精製て?きるなと?、嗅覚受容体タンハ?ク質の 機能解析を行いやすいと考えられます。また嗅覚受容体の細胞内て?の成熟化に至るフ?ロセスはほとんと? 研究か?されていません。多くの嗅覚受容体を補助する RTP に関しても、現在まて?にと?のようにして嗅覚 受容体を細胞膜に運ふ?メカニス?ムは未解明て?、本研究ク?ルーフ?て?は RTP による嗅覚受容体膜輸送機構の 解明にも取り組んて?います(Fukutani et al., J Biol Chem 2019)。今後、RTP なと?の補助を必要とする受容体 と Traffic ORs の比較試験なと?を行うことて?、嗅覚受容体の機能発揮に関する知見か?広か?る可能性か?高い と考えられます。
また、Traffic ORs にはアミノ酸配列に共通性もみられたことから、今後より多くの嗅覚受容体の細胞 膜局在性と匂い分子応答性の情報を網羅的に集め、その情報を集約することて?、将来的にはある匂い分 子に応答て?きる人工嗅覚受容体の創出なと?も可能になるかもしれません。
図１ マウス嗅覚受容体の細胞膜局在性スクリーニング試験の概要とタンパク質構造安定性との関係
図２ コンセンサス嗅覚受容体の構築の概要
代表論文
Structural instability and divergence from conserved residues underlie intracellular retention of mammalian odorant receptors.
Proc Natl Acad Sci USA. (2020) 117:2957-2967.
doi: 10.1073/pnas.1915520117. LINK
RTP ノックアウトマウスを用いた実験て?、大多数の嗅覚受容体か?細胞 膜に局在て?きす?嗅覚応答か?低下すること、しかし、一部の嗅覚受容体は細胞膜局在を保つため嗅覚を完全に失わないことを以前報告しています(Sharma et al., eLife 2017)。この報告を基に、一定数の 嗅覚受容体は RTP か?なくても機能すると仮定し、約200種の嗅覚受容体の細胞膜局在性をヒト由来培養細胞 HEK293T細胞を使い評価しました。すると、一部の嗅覚受容体は単独て? HEK293T 細胞に局在て?きることか?分かりました(Traffic ORs と記載)。これら Traffic ORs の 7 回膜貫通タンハ?ク質構造モテ?ルを用いた分子シミュレーション解析により、単独て?細胞膜に局在て?き る嗅覚受容体は他の嗅覚受容体に比へ?タンハ?ク質の立体構造形成か?安定していることか?分かりました (図 1)。Traffic ORs には保存性の高いアミノ酸か?全体に散らは?っていること、また、Traffic ORs はマウス の嗅覚受容体の系統樹に広く分布していたことから、ある特定の嗅覚受容体か? Traffic ORs に属していな いことか?分かりました。
次に、ヒト嗅覚受容体のアミノ酸配列から分けられるク?ルーフ?毎に、アミノ酸配列の共通性の高いコ ンセンサス ORs を人工的に構築し、HEK293T 細胞て?その機能を評価しました。すると、一部のコンセ ンサス ORs は非常に高い細胞膜局在を示し、かつ、匂い分子応答性を示しました(図 2)。コンセンサス ORs に対し、分子シミュレーション解析から熱安定性を高めると予測されたアミノ酸変異を導入したと ころ、さらに匂い分子応答性を保持したまま細胞膜局在量か?増大したことから、嗅覚受容体のタンハ?ク 質の熱安定性と機能発現量の相関関係か?ここて?も実証されました。
タンハ?ク質の熱安定性と機能的発現量に相関を示すことはある程度予想て?きることて?すか?、嗅覚受容 体の場合 1 つのアミノ酸変異て?あっても、その機能性を大きく変化させます。嗅覚受容体はヒトて?は約 400 種、マウスて?は約 1100 種と非常に種類か?多く、それは環境中の多彩な匂いに対応するために遺伝子 変異の速度か?速くなったと考えられています。アミノ酸に変異か?起きることて?、受容体か?応答て?きる匂 い分子か?増える一方て?、その代償としてタンハ?ク質の構造安定性か?低下してしまったと考えられます。 しかし、生物はこの不安定な嗅覚受容体も機能させるために、Receptor transporting protein(RTP)といった シャヘ?ロンタンハ?ク質を生み出し、多様な嗅覚受容体を機能させ、嗅覚を発達させるように進化を遂け? ていったと考えられます。
今回発見した Traffic ORs やコンセンサス ORs は、単独て?高いタンハ?ク質発現を示すため、 従来の嗅覚受容体て?は難しかった機能性のあるタンハ?ク質を精製て?きるなと?、嗅覚受容体タンハ?ク質の 機能解析を行いやすいと考えられます。また嗅覚受容体の細胞内て?の成熟化に至るフ?ロセスはほとんと? 研究か?されていません。多くの嗅覚受容体を補助する RTP に関しても、現在まて?にと?のようにして嗅覚 受容体を細胞膜に運ふ?メカニス?ムは未解明て?、本研究ク?ルーフ?て?は RTP による嗅覚受容体膜輸送機構の 解明にも取り組んて?います(Fukutani et al., J Biol Chem 2019)。今後、RTP なと?の補助を必要とする受容体 と Traffic ORs の比較試験なと?を行うことて?、嗅覚受容体の機能発揮に関する知見か?広か?る可能性か?高い と考えられます。
また、Traffic ORs にはアミノ酸配列に共通性もみられたことから、今後より多くの嗅覚受容体の細胞 膜局在性と匂い分子応答性の情報を網羅的に集め、その情報を集約することて?、将来的にはある匂い分 子に応答て?きる人工嗅覚受容体の創出なと?も可能になるかもしれません。
図１ マウス嗅覚受容体の細胞膜局在性スクリーニング試験の概要とタンパク質構造安定性との関係
図２ コンセンサス嗅覚受容体の構築の概要
代表論文
Structural instability and divergence from conserved residues underlie intracellular retention of mammalian odorant receptors.
Proc Natl Acad Sci USA. (2020) 117:2957-2967.
doi: 10.1073/pnas.1915520117. LINK