https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rstb.2019.0263#d3e340
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5. Rational design of better-performing semiochemical analogues より優れたセミオケミカル類似体の合理的な設計
（a）生合成アプローチ
「セミオケミカル受容体」
- 昆虫には、受容体は種間を超えて保存されたコレセプター（Orco）と協働し、匂いゲートイオンチャネルとして機能します(昆虫の嗅覚受容体のCryo-EMにより昆虫の嗅覚受容体が４量体構造である論拠が示された)。哺乳動物では、Gタンパク質代謝型受容体ORによって送達されます[24、25]。
- 昆虫と哺乳動物は、(媒質中に分散している)におい結合タンパク質（OBP）とリポカリン様タンパク質によって空気からORへの輸送されます。
- 両分子認識システムは活性分子の予測については十分に理解されていませんが、(選択性にナローチューン、ブロードチューンが存在するなど)本質的に類似しているようです。
- セミオケミカルの分子認識は、嗅覚認識システムと同様に環境内の他の揮発性化合物の広範な範囲からセミオケミカルを区別する必要があるため、高選択的となっている[24]。
「セミオケミカルを考慮した生物活性類似体設計」
薬物や農薬の場合、認識システムは血液/脳関門やその他の生理的フィルターによって保護されているため、生物活性類似体を設計する作業は、セミオケミカルを考慮した設計戦略よりもはるかに合理的ではある。しかし、現在、既存の生合成回路を使用した、新規非天然前駆体を出発原料とするセミオケミストリーリガンドの生物活性類似体の設計に関心が持たれる。既存酵素が新規の前駆体を受け入れることで、天然のセミオケミカルと十分に類似した化学的「空間」内に生成物が得られ、生物活性を示すという仮説を検証しました。
天然植物ストレス関連のセスキテルペン（S）-ゲルマクレンDの類似体を生成させる例では、食用昆虫であるアブラムシに対し非常に活性が高くなった[26]。自然忌避剤（S）-ゲルマクレンD（プッシュ）、および新規類縁体（例： （S）-15-メチルゲルマクレンと新規の誘引物質（S）-14,15-ジメチルゲルマクレンD（プル）を併用したプッシュプルシステムでの害虫駆除がフィールドでテストされています。
ほかにも、7-エピジジベレン[27]は、同様の潜在的な後期生合成前駆体を含む関連生合成経路によって生成される、野生のトマト由来の強力なコナジラミ忌避剤ですが、酵素の特定によりヒトのセミオケミストリーに適用できる可能性があります。双子を用いた蚊の誘引力の相関分析が行われている[14]。
（b）インシリコアプローチ
現在、薬物および農薬の設計の知識、分子設計のための天然および合成のリード構造知見、はかなり蓄積されており、活性な類似体の合成は日常的に行われている。だが、リガンドと嗅覚認識タンパク質の間の相互作用の見積もり技術は未完成であり、新規合成セミオケミカルの予測は未完成である。既存のコンピューターベース（インシリコ）の分子設計は、リガンドベースまたは構造ベースに大別されます。
- リガンドベースの（in silico）戦略は、既知のセミオケミカル(リガンド)構造をもとに、認識タンパク質の3次元構造が直接取得できない場合に役立ちます(特に嗅覚研究等。歴史的にもリガンドベースの方法はセミオケミカル研究で使用されてきました（§5b（i）を参照）)。
- 構造ベース戦略は、ターゲットそのもののタンパク質相互作用の知見がなければ、類似性の高い既知システムからの座標をもとにしたホモロジーモデリングと呼ばれるアプローチを使用することで、嗅覚の構造ベースの研究が可能になる可能性があります（§5b（ii）を参照）
「セミオケミカルの物理化学」
新規セミオケミカル設計と、嗅覚研究では、十分な揮発性を示すには、比較的低分子量であると認識されていたが、十分に親油性であれば比較的高い分子量でも十分な蒸気圧を示す。たとえば、（5R、6S）-6-アセトキシ-5-ヘキサデカノライドには、分子量312.45 Daの4つの酸素原子が含まれていますが、蚊Culex sppが嗅覚を介して応答する産卵フェロモンです。
「分子認識の再現の困難性。」
- セミオケミカルは、OBPに結合したうえでORによって認識される[§5a、24、25]と考えられます。
- in vitro研究では、フェロモンターゲットなど特定のORは高選択的認識しますが、OBPは明らかに非常に無差別であり、多くのORは高選択性を示さないが、in vivoでの分子認識は非常に選択的で感度が高くなることがわかっています。
- 昆虫のORは、共発現されたOrco（「調整」受容体サブユニットとしても知られている[28–31]）とヘテロマー複合体を形成する場合にのみアクティブであり、ORニューロンもシグナル伝達に介在する役割を果たします[32,33]。
（i）リガンドベースのアプローチ
- 嗅覚におけるリガンドベースの研究は、フェロモンおよび他のセミオケミカルの化学構造と昆虫における活性との間の構造活性相関（SAR）であった。その後、定量的な量的構造活性相関（QSAR）によって定量的に研究され、一連の類似分子をもとにした数学モデルにつながった。
- 昆虫の場合はEAGをもとに導き出すことができるが、ヒトの生理学的活動の場合、同等の測定は困難である（§4を参照）。
- 通常、セミオケミカルのQSARの物理化学的特性については、分子パラメーターから予測される揮発性[34]や物理化学的特性の他のコンポーネントに追加する必要があります[35,36]。
- セミオケミカルの場合、分子形状、静電特性、3次元空間で計算された疎水特性などの化学構造の3次元特性を使用して開発された高度なQSARモデリング手法3D-QSARは、新しいセミオケミカルの開発に役立ちます。
「Agrotis segetumのメスの性フェロモンの(Q)SAR研究例」
- 最初の昆虫の嗅覚でのSAR試験は、Agrotis segetumのメスの性フェロモン（Z）-7-ドデセニルアセテートおよび（Z）-5-デセニルアセテートを含むその他の微量成分の同定だった[37]。
- A.segetumにおけるフェロモン活性のSARは、（Z）-7-ドデセニルアセテートの合成類似体による極性官能基の厳密な要件とアセテート基の重要性に関するSARを導き[38]、フェロモンにおけるE二重結合の活性付与を特定し、マイナーなフェロモン成分（Z）-5-デセニルアセテートの（Z、E）-ジエン類似体の有用性を見出し[39]、アルキル鎖長を変化させた（Z）-5-デセニルアセテートの類似体からはタンパク質末端の疎水性部分との相互作用には特定の鎖長が必要であることを示唆しました[40]。その後、（Z）-5-デセニルアセテートの炭素鎖へのメチル基の導入[41]からは光学異性体[42]間の識別が示された（図5）。
- 49の類似体のデータが3D-QSARモデリングに使用され、標的タンパク質の潜在的な結合ポケットの3次元等高線図を提供しました[43]が、新しいセミオケミカルの生成にはつながらず、構造活性相関の難しさを指摘しました。
「アンバーグリスのヒト嗅覚における知覚の(Q)SAR研究例」
初期のヒトの嗅覚・セミオケミストリーのQSARによる研究の試みは、アンバーグリスの嗅覚的に活性な成分を標的にしたものです。アンバーグリスは、香料における固定特性で知られている天然に生成された脂質様分泌物ですが[44]、主成分であるトリテルペンアルコールであるアンブレインは、さまざまなヒトの匂い知覚につながる化合物に酸化・誘導されます。これらの化合物98について訓練されたヒトのボランティアのパネルを使用し、アルゴリズムはSVMなどが使用され、10の一連の意味的匂い記述子（アーシー、ウッディ、ショウノウ様、フルーティー、バラ色、マリン、白檀、ムスキー、シダーウッドなどの匂い記述子）とキラリティーやその他のトポロジカル要素、原子の接続性などの分子記述子、物理化学的特性との活性相関(QSAR)研究が検討されました[45]。
「DREAM Olfaction Prediction Consortium」
- ヒトのセミオケミカルの物理化学的パラメーターを嗅覚と相関させるために、DREAM Olfaction Prediction Consortium(クラウドソーシング非営利コミュニティ)の設立され、476の構造的に多様な匂い分子を区別できる機械学習アルゴリズム開発[46]が行われた。
- 21のセマンティックニオイ記述子からなる生理学的パラメーターは、49人のボランティアのパネルの個々の認識から決定されました。追加の19のセマンティックニオイ記述子は、同じく49人のボランティアから、認識を平均化することによって導き出されました。
- 人工知能アプローチにより、QSARで通常利用できるよりも多くの物理化学的特性を、ニオイ分子の嗅覚特性と相関させることができました[47]。476の分子構造からのデータセットのうち、338は国際レベルで19の参加チームに与えられましたが、省略された69は認定テストで使用されました。参加している19チームで、知覚の予測に特化したインシリコモデルの機械学習が開発されました[47、48]
- 多くの分子構造が分析され、機械学習アプローチを利用する場合、セミオケミカル類縁体生成への単純なQSARおよび3D-QSARベースのアプローチの使用はより価値があります[47,48]。
- 新規セミオケミカルの発見のために、合成可能性の評価には問題がありますが、多様なライブラリの作成は価値があります。数百万の分子構造を含むEnamine-REAL [49]やZINC [50]などの市販の仮想ライブラリによりセミオケミカル候補の探索ができます。QSAR研究は通常、完全にランダムなライブラリを使用できないですが、予期しないSARを見逃さないように構造の多様性を含めることが不可欠です。特に、構造的に関連のないが、類似の生物活性を持つ化合物が存在するセミオケミストリーにとって重要です。
（ii）構造ベースのアプローチ
- Gタンパク質共役ORの機能と分子メカニズムを特定することが重要です。ORを含む嗅覚系のメカニズムと生理学の多くの側面は不明のままです。ORは比較的高分子量の膜貫通タンパク質であり、結晶化が困難であるため、嗅覚の研究やヒトのフェロモンの同定が制限されます。
- 昆虫ORsの機能に不可欠な昆虫Orco（共発現共受容体）のクライオEM構造が最近低解像度ながら報告されました[24]が、400近くのヒトのORが確認されていますが、X線、核磁気共鳴、または極低温電子顕微鏡（cryo-EM）ベースの構造も含め報告されていません[51、52]。このような実験的な構造データがない場合、構造ベースの計算生物学を含むホモロジーモデリングを使用した化学生物学のアプローチが用いられます。
- ORのホモロジーモデルは、①タンパク質配列アライメント検索ツール[53,54]、②タンパク質データバンク[55,56]から類似のタンパク質またはタンパク質ドメイン構造を特定するステップで構築が提案され、相同性モデルの構築のためのテンプレートとして使用できます[57、58]。
「OR5AN1およびOR1A1」
ムスク様化合物のヒトニオイ受容体OR5AN1およびOR1A1の仮想3次元ホモロジーモデルが、ムスカリン性アセチルコリン受容体のX線結晶構造をテンプレートとされ、結晶構造がありアルカロイドムスカリンとの相互作用がある相同タンパク質から、導出されています[60]。OR5AN1およびOR1A1のホモロジーモデルを使用して、芳香族ニトロ、多環式、および大環状ムスクの着臭剤の3つのクラスすべてを含む、35のムスク関連香料について、分子間相互作用が計算され、リガンドの結合特異性が特定され、匂い分子がOR5AN1とOR1A1のホモロジーモデルとどのように差異を持って相互作用するかが示されました。分子生物学実験的にもOR5AN1およびOR1A1タンパク質をヒト細胞株（Hana3A）を使用して異種発現実験により確認されました。さらに、ホモロジーモデルで分子認識に不可欠であると識別されたアミノ酸残基は、OR5AN1でのTyr260からPhe、OR1A1タンパク質でのTyr251からPheおよびTyr258からPheへの直接突然変異研究によって実験的に確認されました[60]。
「OR7D4」
別の研究では、OR7D4のホモロジーモデルが、β2-アドレナリン受容体のテンプレートタンパク質構造から開発されました[61]。次に、このモデルを使用して、アンドロステノンが悪臭または快い臭いであるとの認識の違いを調査しました。この研究は、ヒトORの自然変異体OR7D4-WMに関連しており、Arg88からTypへ、Thr133からMetへの変異により、アンドロステノンの認識がファウルから楽しいものに変わることをインシリコで確認しました。以前の研究と同様に、嗅覚識別に重要であると識別されたアミノ酸は、75％の成功率で、実験的突然変異研究によって確認されました[61]。
（ここまで）