アフリカゾウはイヌの２倍、ヒトの５倍もの嗅覚受容体遺伝子を持つ
～ゲノムの比較が明らかにした哺乳類の嗅覚受容体遺伝子の多様性～

ポイント

• アフリカゾウは、これまでに報告されたどの動物よりも多い、約２０００個もの嗅覚受容体遺伝子を持つことを見出しました。この数はイヌの２倍以上、ヒトの約５倍です。
• 個々の嗅覚受容体遺伝子がたどってきた進化の道筋を明らかにするための新しい手法を確立し、この手法を用いて、哺乳類の進化過程で遺伝子の重複や欠失がなく、遺伝子配列もほとんど変化していないものを３種類発見しました。
• さまざまな動物の持つ嗅覚受容体遺伝子を進化的な視点から比較し、その共通点と相違点を明らかにすることで、ヒトの嗅覚に対する理解も深まることが期待されます。

＜発表内容＞

生物が匂いを知覚するための最初のステップは、空気中の匂い分子が、鼻腔の嗅上皮にある嗅覚受容体（ＯＲ）に結合することです。環境中の多様な匂い分子に対応するため、ＯＲをコードする遺伝子は非常に多く存在します。ＯＲ遺伝子の数は生物種によって大きく異なり、ラットでは約１２００個、ヒトでは約４００個です。それらの遺伝子は、進化の道筋をさかのぼっていくと、やがてはたった一つの祖先遺伝子に行き着きます。このような遺伝子群は「遺伝子ファミリー」と呼ばれます。遺伝子ファミリーは、進化の過程で、遺伝子の重複や欠失が生じることによって数が増えたり減ったりします。これまでの研究から、ＯＲ遺伝子ファミリーは、とりわけ進化の過程における遺伝子数の増減が大きいことが分かっています。しかし、数百から千個以上もあるＯＲ遺伝子の一つ一つに着目したときに、遺伝子数の増減の程度にどのくらいの差異があるかは分かっていませんでした。今回、東京大学 大学院農学生命科学研究科・ＥＲＡＴＯ　東原化学感覚シグナルプロジェクトの新村 芳人　特任准教授、東原 和成　教授らの研究グループは、ＯＲ遺伝子を対象に、遺伝子の進化的な「個性」について調べました。

まず、正確なゲノム配列が利用可能な１３種の有胎盤類について、コンピューターを用いてすべてのＯＲ遺伝子を網羅的に同定しました（図）。１３種全体で１万個以上のＯＲ遺伝子が見つかりましたが、中でもアフリカゾウは遺伝子数が際立って多く、約２０００個（偽遺伝子^注５）を含めると約４３００個）ものＯＲ遺伝子を持つことが明らかになりました。この数は、これまでに報告された中で最多のラットをはるかにしのぎ、イヌの２倍以上、ヒトの約５倍に相当します。

これまでの研究で、ゾウは実際に鼻が良いことが示唆されています。アジアゾウを用いた行動実験によれば、アジアゾウは、ヒトを含む霊長類が識別できないような微妙な匂いの違いを嗅ぎ分けることができます。また、野生のアフリカゾウは、マサイとカンバというケニアに住む２つの民族集団を匂いで区別できるという報告もあります。マサイは槍を用いてアフリカゾウの狩りを行う風習があるのに対し、カンバは農耕民族なので、アフリカゾウはマサイを避けようとするのです。ゾウの鼻はだてに長いのではなく、その能力も非常に優れているといえます。

研究グループは次に、ＯＲ遺伝子の進化的な「個性」について調べました。１億年ほど前に棲息していた有胎盤類全体の共通祖先は、ネズミのような小さな夜行性の動物だったと考えられていますが、その祖先種もＯＲ遺伝子を持っていました。上で述べた１３種の有胎盤類が持つＯＲ遺伝子のそれぞれは、祖先種のどれか一つのＯＲ祖先遺伝子に由来します。各ＯＲ遺伝子について、その祖先遺伝子がわかれば、祖先を同じくする「親戚」の遺伝子同士でグループ分けすることができます。このような「親戚」ＯＲ遺伝子からなるグループを、「オーソロガス遺伝子グループ」（ｏｒｔｈｏｌｏｇｏｕｓ　ｇｅｎｅ　ｇｒｏｕｐ，ＯＧＧ）と名づけました。例えば、多くのメンバー（親戚）がいるＯＧＧは、何度も遺伝子重複を起こして、大勢の子孫を残すことができた繁栄したグループといえます。つまり、ＯＧＧを比較することで、各ＯＲ遺伝子がたどってきた進化的な道筋が明らかになります。

しかし、上で述べたように、ＯＲ遺伝子は進化過程での遺伝子数の増減がとても多いため、これまでＯＲ遺伝子のＯＧＧを決めることは非常に困難でした。研究グループは、ＯＲ遺伝子の系統樹^注６）に基づいてＯＧＧを決定するための、新しいバイオインフォマティクスの手法を開発することに成功しました。この手法は、アフリカゾウのＯＲ遺伝子数が非常に多いことを利用して、系統樹の中のゾウ遺伝子の位置に着目してＯＧＧの同定を行います。この手法を使うことで、１３種の有胎盤類が持つ１万個以上ものＯＲ遺伝子を、７８１グループのＯＧＧに分類することができました。

次に、それらのＯＧＧをさらに解析したところ、ほとんどのＯＲ祖先遺伝子は少数の子孫遺伝子しか残していませんでしたが、例外的に、１００個以上もの子孫遺伝子を残しているものもありました。例えば、アフリカゾウの系統だけで８３回もの遺伝子重複を起こしているＯＲ遺伝子が見つかりました。このＯＲの機能はよく分かっていませんが、ゾウの生活環境にとって重要な匂いを検出するためのものだと推測されます。また、遺伝子の重複や欠失を全く起こしていないようなＯＧＧは非常にまれで、７８１グループ中たったの３グループしかありませんでした。これらのＯＧＧに含まれるＯＲ遺伝子は、異なる生物種間での遺伝子配列もとてもよく類似していることから、進化の過程で安定して維持されてきたことが分かります。このことから、これらのＯＲは、匂い分子の受容という機能だけでなく、あらゆる有胎盤類に共通した重要な生理機能を担っていることが示唆されました。

嗅覚のメカニズムは哺乳類間で基本的に共通していますが、ＯＲ遺伝子のレパートリーは生物種によって大きく異なっています。その違いは、それぞれの生物種の生活環境の違いを反映していると推測されます。さまざまな動物の持つＯＲ遺伝子を比較し、進化的な解析を行うことで、ヒトの嗅覚に対する理解も深まることが期待されます。今後は、進化的に興味深いＯＲの機能の詳細を生化学的・電気生理学的に調べるとともに、比較する生物種の数をさらに増やして、各生物の生活環境とＯＲ遺伝子レパートリーとの関係を解析していく予定です。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 匂い分子

匂い分子は、分子量が約３００以下の揮発性低分子化合物であり、自然界には数十万種類存在するといわれている。匂い分子とその知覚との関係は非常に複雑であり、よく似た構造の分子が全く違う匂いを示すこともあるし、逆に、構造は大きく異なるのに、匂いが似ているような例も数多く知られている。現在のところ、ある分子構造が与えられたとき、その構造から匂いを予測するための一般的なルールは存在しない。

注２） 嗅覚受容体（ｏｌｆａｃｔｏｒｙ　ｒｅｃｅｐｔｏｒ，ＯＲ）

匂い分子を認識する膜タンパク質。鼻腔の嗅上皮にある嗅神経細胞で発現している。

注３） 有胎盤類

哺乳類の中で、カモノハシなどの単孔類と、カンガルーやオポッサムなどの有袋類を除いた、哺乳類の主要なグループ。ヒト、マウス、イヌ、ウシ、ウマ、ゾウなどを含む。

注４） 遺伝子重複

細胞分裂の際に染色体が複製されるが、まれに、複製のエラーにより、染色体上に同じ遺伝子のコピーが作られてしまうことがある。これを遺伝子重複という。遺伝子重複でできたそれぞれのコピーに別々の突然変異が起きると、少しずつ遺伝子の配列が変わっていき、やがて２つの異なる機能を持つ遺伝子へと進化することがある。

注５） 遺伝子の欠失／偽遺伝子

遺伝子に有害な突然変異が入り、遺伝子の機能が失われてしまうことがある。このように、かつては機能していたが、もはや機能を失ってしまった遺伝子の残骸を偽遺伝子という。偽遺伝子は、長い時間が経つと、やがてゲノムから消えてなくなってしまう。これを遺伝子の欠失という。

注６） 系統樹

同じ遺伝子ファミリーに含まれる遺伝子が、どのような順序で分岐してきたかを示す図。遺伝子の枝分かれの様子を樹木のように描くため、このように呼ばれている。遺伝子の配列を比較し、数学的なモデルに基づいて系統樹を作成する。

＜発表雑誌＞

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新村 芳人（ニイムラ ヨシヒト）
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　特任准教授
Tel：03-5841-5590　Fax：03-5841-8024
研究室HP：https://www.jst.go.jp/erato/touhara/

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