2004年ノーベル生理学・医学賞
受賞理由
嗅覚受容体および嗅覚系組織の発見
受賞者
アメリカ合衆国
アメリカ合衆国
解説
人がにおいを感じるのは、鼻の奥にある小さな『においセンサー』が働くからです。アクセルさんとバックさんは、そのセンサーがどんな形をしていて、どこにあるのかを初めて詳しく調べました。センサーは鍵穴のように決まった形をもち、におい分子という鍵が入ると『においがあるよ』と脳に知らせます。センサーの種類はとても多く、それぞれが違うにおいを見分ける働きをします。私たちが花の香りやカレーの匂いを区別できるのは、このしくみのおかげです。彼らの発見により、どうして世界が色々なにおいであふれているのかが分かりやすくなりました。研究は、においを使った虫よけやおいしい食べ物作りにも役立っています。
関連キーワード
嗅覚受容体
嗅覚受容体は鼻の嗅上皮に存在する7回膜貫通型のGPCRで、におい分子を検出する最前線のタンパク質です。哺乳類ではゲノム中に数百から千を超える遺伝子コピーがあり、遺伝子ファミリーとしては最大規模を誇ります。1つの受容体は限られた化学構造の分子に結合しますが、におい分子側から見ると複数の受容体を活性化することが多く、この重複が高精度な匂い識別を可能にします。受容体の発現は1細胞1受容体の原則で制御され、これが神経配線と脳マッピングに直結します。医薬や農業分野では、特定の受容体を標的としたにおい制御技術の開発が進んでいます。
Gタンパク質共役受容体
GPCRは細胞膜を7回貫通する構造を持ち、外部からの刺激を細胞内シグナルに変換する大規模な受容体群です。視覚・嗅覚・味覚などの感覚系やホルモン応答に不可欠で、ヒトでは800種類以上が知られています。嗅覚受容体もGPCRに属し、リガンド結合によりGタンパク質Golfを活性化し、cAMP合成酵素を刺激します。生成したcAMPがイオンチャネルを開き、嗅細胞を電気的に興奮させます。GPCRは薬剤ターゲットとしても重要で、市販医薬品のおよそ3割がGPCRを標的にしています。
嗅球
嗅球は脳の前方に位置する球状の構造で、嗅細胞から送られてきた情報を最初に処理します。嗅細胞の軸索は糸球体と呼ばれる微小領域に集まり、同じ受容体を発現するニューロンは同じ糸球体に接続します。この空間配置により、におい分子の組み合わせコードが地図として描かれます。糸球体の次には僧帽細胞が情報を取り込み、大脳皮質や扁桃体などの上位中枢へ伝達します。嗅球の可塑性は学習や経験によって変化し、記憶と匂いの結びつきを強める役割も担っています。
嗅上皮
嗅上皮は鼻腔の奥に張り付いた薄い組織で、嗅覚受容体をもつ嗅細胞や支持細胞、基底細胞が含まれます。表面の粘液層はにおい分子を溶かし、受容体との接触を助けます。嗅細胞は約30～60日で新生と死滅を繰り返し、環境に応じて感覚細胞のレパートリーを更新します。ゾーンと呼ばれる領域ごとに異なるOR遺伝子セットが発現し、脳内マッピングの基礎を作ります。化学物質やウイルスで損傷すると、一時的に嗅覚障害が起こることがありますが、基底細胞の再生能力により回復も可能です。
組み合わせコード
組み合わせコードは、複数の受容体の同時活性化パターンで匂いを表現する情報符号化様式を指します。1種類のにおい分子は複数のORを刺激し、逆に1つのORは多くの異なる分子に応答します。この重ね合わせにより、限られた数の受容体で膨大な数の匂いを識別できます。脳内ではグロメリュラスの活性パターンとして地図化され、経験学習によって可塑的に変化することも知られています。この概念は免疫系の抗体多様性や視覚系の錐体細胞組み合わせとも比較され、神経科学全体の共通テーマになっています。
遺伝子ファミリー
遺伝子ファミリーは、共通の祖先遺伝子からコピーや変異を介して派生し、類似した配列や機能を持つ遺伝子の集まりです。嗅覚受容体遺伝子は哺乳類ゲノム最大のファミリーであり、重複・突然変異・偽遺伝子化を繰り返して多様化してきました。種ごとの生活様式に応じてコピー数が増減し、嗅覚能力の進化を反映します。遺伝子ファミリー解析は系統進化の手がかりとなり、機能予測や比較ゲノムに不可欠な手法です。医薬品開発では、ファミリー内で保存されたモチーフをターゲットにすることで薬の選択性を高める戦略が取られています。