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doi:10.1021/ci034203t

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Abstract

複雑な立体化学を持つ98個のアンバーグリス中に含まれる匂い化合物のデータセットに、定量的構造活性相関'Combi-QSAR'アプローチを適用しました。Combi-QSARアプローチは、さまざまな独立した記述子のコレクションとさまざまな個別の相関手法のすべての可能な組み合わせを探索し、内部（トレーニングセット）と外部（テストセット）の精度が高い統計的に有意なモデルを取得します。 市販のMOE、CoMFA、CoMMA、Dragon、VolSurf、MolconnZで7グループの異なる記述子セットに加えて、私たちの研究室で最近開発されたキラリティートポロジー記述子も含めました（Golbraikh,A.; Bonchev,D.; Tropsha,A.J. Chem.Inf.Comput.Sci.2001,41,147-158）。CoMMA記述子は、MOE記述子と組み合わせて、MolconnZ記述子は、キラリティー記述子と組み合わせて各記述子コレクションは使用され、k最近傍（kNN）分類、サポートベクターマシン（SVM）、決定木、バイナリQSARなどの4つの相関解析法と個別に組み合わされ、28の異なるタイプのQSARモデルを検討しました。データセットはトレーニングセットとテストセットに分割されました。オーバーフィッティングを回避し、信頼性の高い予測能力を実現するために、各予測モデルはトレーニングセットのLEAVE 1 OUT 交差検定で検討されました。 Yランダム化テストによるターゲットプロパティ（においの強さなど）のランダム化と、テストセットを使用した外部予測精度の評価という、2つの検証手法が採用されました。データモデリング手法と記述子コレクションの組み合わせが、すべて良好なQSAR予測モデルを生成するわけではないことが分かりました。アンバーグリスデータセットのトレーニングとテストセットすべてで、トレーニングセットとテストセットの両方で0.7以上の正しい分類率の予測モデルが取得されたため、CoMFA記述子と組み合わせたkNN分類は、最良のQSARアプローチであることが判明しました。多くの予測QSARモデルは、kNN分類法と他の記述子セットの組み合わせを使用すると、良好なモデルを生成することが分かりました。組み合わせQSARにより、自動化、計算効率が達成され、単一のQSARメソッドに依存した従来のアプローチよりも実験データセットの重要なQSARモデルを特定する確率が高いことが分かりました。

Memo

Characterizing human odorant signals: insights from insect semiochemistry and in silico modellingPhil., Ashish Radadiya, John A. Pickett, 2020, Trans. R. Soc. B37520190263http://doi.org/10.1098/rstb.2019.0263　での「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]。」における[45]

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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）

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2. Capturing semiochemicals from insects　昆虫からのセミオケミカルの捕獲

方法	説明
溶媒法	ヒトや他の脊椎動物のフェロモンの研究では、多くの溶媒が刺激を引き起こし、直接適用できないかもしれません(ヒトの皮膚のサンプリングでは可能)が、昆虫は溶媒と耐性が高く、外傷なしで炭化水素溶媒を受け入れることができます(節間領域など)。
高分子吸収剤①	逆相液体クロマトグラフィー用[5]など、ヒトの皮膚の揮発性物質を直接抽出し、分析のために溶媒または不活性ガスの流れによって脱着された揮発性物質で溶出できます。
高分子吸収剤①	多孔質ポリマーへのエントレインメント・固相マイクロ抽出（SPME）。ガスクロマトグラフ（GC）分析へ直接インジェクション可能な吸収性ポリマー繊維からできたシリンジデバイスが、フェロモン放出する昆虫のヘッドスペースでセミオケミカルを吸着し、昆虫の上空に放出されるフェロモン組成を正確に測定できます[6]。ヘッドスペースの比較的小さな部分がサンプリングされるという欠点があり、サンプルは直接GC装置に溶出されるため、たとえば化学組成や生物活性の複数の分析ができません[7]。
高分子吸収剤③	最も成功したアプローチ。生体サンプルの上から空気を取り込み（図3）、多孔質ポリマーを通して空気を吸引し、精製溶媒で溶出して、複数のタイプの分析用の液体サンプルを取得することです[6]。身体の部分を選択的にポリエステルなどバッグを使用しサンプリングし、外来の揮発性物質を除外します。

• 溶媒法例；ミツバチの採餌と群れ行動に関与するフェロモン採取は、閉鎖型分泌型Nasonov腺から、少量の不活性溶媒（図1）注入で達成されました[2]。
• 吸着法例；病原性マラリアを媒介する蚊の誘引が増加した、短鎖オキソ置換アルカンのグループが特定されました（図4）[9]。
• ただし、EAGや化学分析を導入したGC分析では、Porapak QやTenax TAなどの多孔性ポリマー（図3）エントレインメントが採用されています[9]。

3. Capturing semiochemicals from the insect environment, including on the host　宿主を含む昆虫環境からセミオケミカルの最近の知見

• 宿主上にいるときに放出される性フェロモンは他のフェロモン応答との相乗効果により、幼虫のための食物マーカーとなっていることが指摘されています[15、16]。
• 宿主の植物を食べている昆虫によるセミオケミカルは、忌避効果として働き、宿主をめぐる競争を回避していることが指摘されている
• 特に植物宿主とする昆虫について最近レビューされており[17]、脊椎動物宿主についても、特に摂食ストレスと非宿主関連忌避剤との関係の点で議論されている[18,19]
• ヒトや他の脊椎動物のストレス下のセミオケミカルの研究により、病原体または寄生虫の発達のマーカーを特定できることであり[9]、これは早期診断に役立つ可能性があります。

4. Exploitation of haematophagous insects　吸血性の昆虫、感染症を媒介する昆虫に関する知見

コンテキストとして行動につながるセミオケミカル

• 脊椎動物の寄生虫～吸血性の昆虫は、セミオケミカル認識によってより良い宿主を探すだけでなく、適切でない近縁の動物を回避することもできます。この宿主由来セミオケミカル混合物に、回避・反発を引き起こす特定の化合物の存在や相対的レベルを検出する現象は、昆虫の複合的なコンテキストに基づく忌避の例です[18,19]。
• サハラ以南のアフリカで動物のトリパノソーマ症またはナガナを媒介するツェツェバエ、Glossina種は、家畜の牛には誘引されるが、非ホストだがウシ科のKobus ellipsiprymnus defassaを回避することが知られています。セミオケミカルである、ペンタン酸、2-メトキシフェノール、6-プロピルテトラヒドロ-2H-2-オン、（E）-6,10-ジメチルウンデカ-5,9-ジエン-2-オン、が回避に影響を与えると特定され、野原の牛のトリパノソーマ感染からの保護に使用されます[20]。
• 蚊の忌避剤の「ゴールドスタンダード」であるDEETとは別のアプローチで、ヒトの腕のセミオケミカルをもとにマラリアを媒介するハマダラカガンビエを含む蚊の忌避剤開発につながる可能性があります[21]。
• 家畜の種内[10]やヒト個体間のセミオケミストリーにおける変動は、複合的なコンテキストに基づく忌避を引き起こします[8]。

ヒトのセミオケミカル研究のツールとしての寄生～吸血性の昆虫

• 月経周期によるヒトの生理変化が黄熱病蚊、Aedes aegyptiに知覚されいる行動的な知見があります（JG Logan and CM Woodcock 2000、未発表）。
• ヒトのセミオケミカルの神経生理学的検出のための直接的な非侵襲的分子ツールの開発が待たれている一方で、吸血性昆虫の触角活動をEAGなどでライブ記録し、ヒトのセミオケミカルを検出できることに関心がもたれています[22]。
• ヒトのセミオケミカルと吸血昆虫との密接な関係から、ヒトのフェロモンがこれらの昆虫の嗅覚認識によって検出される可能性が示唆されており、D. melanogasterショウジョウバエの「空の」ニューロンにほかの昆虫の嗅覚受容体を異種発現させることで嗅覚タンパク質をファンクショナルに発現させる[23]ことも報告されており、昆虫のEAGベースでヒトのフェロモン成分の同定できる可能性があります。
• 最終的には、異種発現系のシステム上で発現したヒトの嗅覚受容体タンパク質をEAGなどによりヒトのセミオケミストリーを直接同定することが可能になると考えられます（昆虫と哺乳動物の嗅覚系の基本的な違いは§5aを参照）

（個人的コメント）

• 将来的な俯瞰についても言及されているので興味深い
• contextual inhibition (of potential host characteristics) ＝複合的なコンテキストに基づく忌避；特定の化合物種による誘引/忌避ではなく複数の化合物の混合物のバランスに基づき誘引/忌避の行動に結び付く現象
• ショウジョウバエの亜種での餌の変化と誘引行動の変化と嗅覚受容体ファミリーの変容をディスカッションしていた論文があったが、言及してほしい。受容体レベルでの変化なのか、発現制御のレベルなのか、神経回路のレベルの変化なのか関心がもたれる。またこれが後天的にどの程度変容するのか（先天的なフレキシビリティがどの程度設計されているのか？）関心がもたれる。

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Memo

生物における化学物質を介したコミュニケーション「セミオケミストリー」は1980年代から存在する概念。今回紹介する論文は総説的な論文。近年の技術の進展を中心に分野を俯瞰し、現状の研究環境について見直す。

本文についても確認をしてみる。(途中まで読んだのでその内容をまとめてみる)

(個人的に注目していたことは)　昆虫の嗅覚受容体のCryo-EMは昆虫の嗅覚受容体が４量体構造である論拠になっている。これを元にMD等を合わせて考察することで香気分子に対する選択性を評価できる可能性がある。昆虫の嗅覚受容体についての研究土壌は大きく前進した。

用語

1. 化学コミュニケーション＝chemical communication : 「ホルモンやフェロモンのように、化学物質を介して行われる情報交換。」
2. semio-chemical : セミオケミカル、「情報化学物質(英語：Semiochemical、もしくは信号物質)とは、情報のやり取りに使われる化学物質および混合物の事である[1]。この情報のやり取りは、同種間と異種間の大きく2種類に分けられる[2]。化学生態学の分野で、フェロモン、アロモン、カイロモン、防虫剤、誘引剤の意味で使われる[1]。 」

3. Semiochemistry : セミオケミストリー、(生体)信号物質の化学

4. 情報化学物質

5. 生体機能分子の科学
6. Mammalian Semiochemistry: The Investigation of Chemical Signals Between Mammals | Albone, Eric S. | Mammals 1984
7. Semiochemistry--flavors and pheromones: Proceedings Unknown Binding – January 1, 1985

1. Introduction

• 害虫駆除のメカニズム、受粉などの生態系内イベントの研究など、昆虫のセミオケミストリーに関する研究はヒトのセミオケミストリーよりも注目されています。
• 脊椎動物、特に哺乳類、おそらくヒトにも、中枢神経系に高度に進化した信号物質によるがあると考えられ、昆虫セミオケミストリーは、ヒトや他の脊椎動物のセミオケミストリーの発見にヒントとなる。
• セミオケミカルの研究の最初のステップは、生物学的に活性な化合物サンプルの取得であり、昆虫の場合、外分泌系から得られることが多いです。

• これまでに昆虫では、表皮や排泄の場所に表在する細菌でセミオケミストリーが報告されています。Andreas NatschとRoger Emterによる論文[1]でヒトの共生細菌による必須前駆体の変換からの強い影響を与えるヒトのセミオケミカルの生成について説明してます。ヒトでも、細菌や他の寄生虫に関連するセミオケミカルが疾患に関する非侵襲性のマーカーとなる可能性があり、関心が集まっています。

• 昆虫では、交配または寄生宿主の場所、シグナル伝達プロセスに生態学的に関連する状況などで、個々の昆虫種のフェロモンの特定のセミオケミカル組成が知られています(特定の種内変動がある可能性があります)。
  ヒトや他の哺乳類は、個人を区別する特定のフェロモンとして働くセミオケミカルが知られています。

• 昆虫の場合、微小電極を用いた触角電気生理学的手法により嗅覚器官の直接観測が可能(EAG)、セミオケミカル混合物のクロマトグラフィーで分離された成分を直接検出できる。生物学的に活性な化合物を早期に特定でき、行動テストのために個々の成分を特定しやすい。
  ショウジョウバエの場合、遺伝的に改変することも可能であり、化合物と受容体のキャラクタリゼーションに加えて、昆虫のセミオケミストリーの行動学的調査ができる。
• 将来的にヒトでも、遺伝学的手法による分子認識の発現系を用いたセミオケミストリー研究が実現する可能性があります。
• ヒト由来のセミオケミカルを検出する吸血性のハエの研究例など、昆虫のシステムを利用したヒト～昆虫間のセミオケミストリーの研究が進んでいます
• 昆虫の、生態系に存在するセミオケミカルの特異性をもとにしたアゴニスト・アンタゴニスト設計は、薬物や農薬の発見よりも困難です(いくつかは合成生物学的手法によって実現されています)。
• 分子設計への新しい理論的アプローチも今後期待される。

（続く）

ref.1
ref.2
ref.3

続きを読む Caballero-Vidal, G., Bouysset, C., Grunig, H. et al. Machine learning decodes chemical features to identify novel agonists of a moth odorant receptor. Sci Rep 10, 1655 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-58564-9

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/j.1750-3841.2006.00047.x

続きを読む Specific Anosmia Observed for β‐Ionone, but not for α‐Ionone: Significance for Flavor Research – Plotto – 2006

https://flavourjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/2044-7248-1-9
https://doi.org/10.1186/2044-7248-1-9

続きを読む Newcomb, R.D., Xia, M.B. & Reed, D.R. Heritable differences in chemosensory ability among humans. Flavour 1, 9 (2012). https://doi.org/10.1186/2044-7248-1-9

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/137455v2.full
doi: https://doi.org/10.1101/137455
Now published in Genome Biology and Evolution doi: 10.1093/gbe/evz279

Abstract

Wrangel島のマンモスは、孤立と同時に急激な個体数減少のエピソードを経験し、少数の集団、遺伝的多様性の減少、および推定上有害なアレル遺伝子の固定をもたらしましたが、これらのプロセスによる遺伝子上の機能性への影響は不明です。

ここでは、Wrangel島のマンモスが、多様な行動および発達上の欠陥を引き起こしたであろう有害な突然変異の蓄積を示します。Wrangel島マンモス遺伝子の復元と遺伝子機能の解析により、

• 発達障害（HYLS1）
• 乏精子症、男性の生殖能力低下（NKD1）
• 糖尿病（NEUROG3）
• 花の匂いを知覚する機能（OR5A1）

に関連する遺伝子の変異による機能喪失と獲得の両方が特定されました

Wrangel島のマンモスが個体数の減少と孤立から悪影響を被った可能性があることを示唆しています。

Memo

From: Google Scholar アラート scholaralerts-noreply@google.com
Sent: 2020年2月12日(水曜日) 19:44
Subject: "The missense of smell: functional ...; 言語: 英語, 日本語 - 新しい結果

Wrangel島のマンモス

「ウランゲリ島」　

「マンモス絶滅の原因は気候変動や「狩り」ではない、研究」

「ケナガマンモス＝Mammuthus primigenius」

• 本土のウーリーマンモスは約10,500年前に絶滅。
• 西ヨーロッパからアジアおよびベリンギアを経由して広大な草原ツンドラに生息。
• 海面の上昇により、約14,000年前にベーリング海のセントポール島と、約9,000年前に北極海のウランゲル島に生息していた小個体群が中部完新世まで生存
• Wrangel島のマンモスの絶滅の最終的な原因は不明
• 個体数が減少、遺伝的多様性が減少、近親交配　→　有害な対立遺伝子が定着　→　「突然変異によるメルトダウン‘mutational meltdown’ (Rogers and Slatkin, 2017)」

「集団遺伝学」

使用したゲノム配列

• 現代のアジアゾウ（Elephas maximus）
• 44,800年前オイミャコンマンモス（Palkopoulou 2015）→ホモ接合非同義置換を最初に決定
• 20,000年前のM4マンモス（Dikov、1988; Gilbert et al。、2008; 2007; Lynch et al。、2015; Miller et al。、2008）
• ～4,300年前のWrangel島のマンモス（Palkopoulou 2015）。

Wrangel島のマンモスゲノムの112の遺伝子で115の「おそらく損傷を与える」アミノ酸変異を同定しました。

Worangel島のマンモスで「恐らく損傷を与える」変異を持つ遺伝子の21/115がOrdorant受容体

(論文内では複数の疾患候補について書かれているが嗅覚に関する部分をメモにする)適応と中立的な出生死プロセス（Nei 2008）として解析すると、Wrangel島のマンモスゲノムに関する以前の研究では、象の系統（Niimura 2014）と比較し嗅覚受容体で高率の偽化（Rogers and Slatkin、2017）

β-イオノンセンサーをコードするOR5A1の損傷

• 「おそらく損傷を与える」アミノ酸置換を伴う嗅覚受容体の例として、哺乳類のβ-イオノンセンサーをコードするOR5A1があります（Jaeger 2013）
• Wrangel島のマンモスOR5A1 S193F（c.578C> T）置換配列は、ヒトのβ-イオノンに対する感受性の違いの原因でもあるヒトD183N多型（rs6591536）（図5A、Jaeger 2013）に近い。
• β-イオノンは、バラやスミレなどの花の香りのキーであり、ヘビーフローラル香調。
• β-イオノン感受性の人は、β-イオノンは「香りがよい」「花」と表現し、β-イオノンを添加した食品や飲料を非感受性の人よりも簡単に区別できますが、非感受性の人はβ-イオノンを強いAcidと感じる。

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(13)00853-1?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982213008531%3Fshowall%3Dtrue

Abstract

• OR5A1の遺伝的変異体rs6591536がβ-イオノンに対する感受性を決定する
• rs6591536は、単独でも食品および飲料でも、β-イオノン香気の性質を変化させます
• rs6591536は、β-イオノンを含む食品および製品の嗜好性に影響します

多くの匂いに対する鋭敏さはヒト個体で異なり[1、2、3、4]、嗅覚受容体（OR）遺伝子内の変動がこれらの違いに寄与しています[5、6、7、8、9]。このような変化が匂いの経験や食品の選択にどのように影響するかは、そのような影響が味覚に対して発生することを考えると、不明確なままです[11、12、13、14、15]。ここでは、極端な感度の違いを示すβ-iononeを調査します[4、16、17]。 β-イオノンは、食品および飲料においてキーになる芳香であり[18、19、20、21]、心地よいフローラルな香りを与えます[22、23]。

全ゲノムおよびin vitroアッセイでは、rs-651536がβ-イオノンの匂い感受性の原因となる変異として示されています。 rs6591536は、OR5A1の2番目の細胞外ループでN183D置換をエンコードし、観察された表現型の変動の> 96％を説明し、単一遺伝子の形質の特徴を満たします。 β-イオノン感受性の遺伝子型を持つ個人は、β-イオノンを添加した場合と添加しない場合で、食品と飲料の刺激をより簡単に区別できます。感受性遺伝型の人は通常、食品や飲料中のβ-イオノンを「香りのよい」と「花のような」と表現しますが、感受性遺伝型でない人はこれらの刺激を別様に表現します。 rs6591536遺伝子型も官能的知覚のずれ、食品や製品の嗜好性のずれにつながります。

これらの研究は、嗅覚の感受性に影響を与えるORバリアントの存在と、食品、飲料、その他の製品に対するORバリアントを持つ人々の官能的知覚に影響がおよぶ可能性があることを示しています。

Memo

ニュージーランドNewcomb研。

Current biology : CB, ISSN: 1879-0445, Vol: 23, Issue: 16, Page: 1601-5
Publication Year2013
PMID23910657
DOI10.1016/j.cub.2013.07.030

Beta Ionone

Beta Ionone is sweet floral violet raspberry woody fruity floral distinctive beeswax modification warm dry freesia grape strawberry soap pine needle frags berry cherry muscatel nut licorice candy.

https://www.perfumersworld.com/view.php?pro_id=3IF00238

rs-651536がβ-イオノンの匂い感受性の原因となる変異として示されています。
OR5A1の2番目の細胞外ループでN183D置換
monogenic mendelian traits"単一遺伝子の作用によって現れる個体の形質"

論文外参考；
https://www.snpedia.com/index.php/Rs6591536
https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=OR5A1

SNPと匂いの「官能的知覚」

バリアントの違いが匂いの性質(官能的知覚)に及ぼす性質を調べた別の例；
androstenone (5α-androst-16-en-3-one, an odorous steroid derived from testosterone)の官能評価とSNPとの相関
https://www.nature.com/articles/nature06162

Memo-2

Functional architecture of deleterious genetic variants in the Wrangel Island mammoth genome, Erin Fry, Sun K. Kim, Sravanthi Chigurapti, Katelyn M. Mika, Aakrosh Ratan, Alexander Dammermann, Brian J. Mitchell, Webb Miller, Vincent J. Lynch, bioRxiv 137455; doi: https://doi.org/10.1101/137455

内における「Wrangel島のマンモスの絶滅の最終的な原因は不明, 個体数が減少、遺伝的多様性が減少、近親交配　→　有害な対立遺伝子が定着　→　「突然変異によるメルトダウン‘mutational meltdown’ (Rogers and Slatkin, 2017)」, ～4,300年前のWrangel島のマンモス（Palkopoulou 2015）では、象の系統（Niimura 2014）と比較し嗅覚受容体で高率の偽化（Rogers and Slatkin、2017）, Wrangel島のマンモスOR5A1 S193F（c.578C> T）置換配列は、ヒトのβ-イオノンに対する感受性の違いの原因でもあるヒトD183N多型（rs6591536）（図5A、Jaeger 2013）に近い」におけるJaeger 2013

(個人的興味)類似構造を持つケトン類は興味深い香気のものが多いので、代謝経路(生成経路)やケミカルコミュニケーションでの役割、OR5A1の種を超えた保存性についても詳しく知りたいところ。OR5A1と受容特性が類似した受容体が存在しないかについても知りたいところ。

https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2020.103389.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0965174820300783

Abstract

• 昆虫におけるニオイ知覚；宿主の位置、配偶者の誘引、産卵場所の選択など、さまざまな行動に重要な役割
• ほとんどの双翅目でのニオイ受容体（OR）研究は、ショウジョウバエと蚊（Schistocerca americana, Drosophila melanogaster）に焦点が当てられている。
• ミバエ科のBactrocera minaxの嗅覚をターゲットとし、触角と脚からトランスクリプトーム分析
• 12種類のB. minaxトランスクリプトームを配列解析し、合計59の匂い受容体候補（OR）遺伝子を取得
• 半定量的逆転写PCR（RT-PCR）は、触角でいくつかのBminORが高度に発現していることを示しました。
• アフリカツメガエル卵母細胞での異種発現実験で、BminOR24 / BminOrcoは、リナロールに有意に応答しました。

Keywords: Bactrocera minax; Transcriptome; Odorant receptor; Xenopus oocytes; Linalool

Memo

From: Google Scholar アラート scholaralerts-noreply@google.com
Date: May 2, 2020, 23:28 +0900
Subject: 「Coding of odors by a receptor ...; 言語: 英語, 日本語」 - 新しい引用

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AA%E3%83%8A%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AB

Bactrocera minax

https://www.cabi.org/isc/datasheet/8726
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1226861515300881

Semi-quantitative reverse transcription PCR (RT-PCR)

"逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（ぎゃくてんしゃポリメラーゼれんさはんのう、Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, RT-PCR）とは、RNA を鋳型に逆転写を行い、生成された cDNA に対して PCR を行う方法である。

PCR法では鋳型となる DNA にプライマーを付着させ、DNAポリメラーゼによって目的のプライマー配列にはさまれる DNA を特異的に検出する。PCR法は DNA の検出に用いることは可能であるが、RNA の検出をすることができない。そこで、RNA を逆転写によって cDNA に変換し、その cDNA に対して PCR法を行う。"

https://en.wikipedia.org/wiki/Reverse_transcription_polymerase_chain_reaction