2019 Fiscal Year Annual Research Report

細胞外物質による化学感覚機能機構の解明と、高機能性センサー開発への展開

Research Project

Project/Area Number	19H02531
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	佐藤幸治東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任准教授 (20444101)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	川野竜司東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90401702) 岩槻健東京農業大学, 応用生物科学部, 教授 (50332375)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	匂いセンサー / 嗅覚 / 生体機能利用 / 嗅粘液 / 電気化学 / 味覚
Outline of Annual Research Achievements	平成３１年度ではまず、気体状の匂い分子を培養細胞で検出するための基盤技術となる、気相匂い応答測定装置の開発を行った。これまで開発した装置では細胞表面のマイクロスケールの薄液層の制御ができなかった。そこで、シリンジポンプなどの精密還流系とフォトリソグラフィーで作製した、液層を保持するマイクロ流路を備えた観察チェンバーの組み合わせで、この問題を解決した。その結果、およそ１時間にわたって安定的な応答が測定でき、気相だけでなく流路を介した液体状の物質刺激も可能となった。そこで嗅覚受容体だけでなく、TRPチャネルなどの様々な化学感覚受容体を用いて、本装置の汎用性を検証した。また前年度に、本研究課題で匂いセンサーとして使用している昆虫嗅覚受容体の立体構造が、nature誌で報告された。そこで類似したタンパク質の立体構築が推測されている昆虫味覚受容体に対し、立体モデリングを試みた。その結果、味覚受容体と嗅覚受容体間で、多くの構造・機能的類似点が見つかった。細胞外物質と匂い物質との相互作用を詳細に解析するためにこれまで、人工環境下での匂い物質を電気化学的に計測する技術開発を行ってきた。前年度までは特に疎水性の匂い分子の電気化学応答を精密に取得するため電極の種類の検討と、それを用いた計測法に関し重点的に最適化を行なってきた。今年度ではこれまでに開発した技術をバニリンとその誘導体を中心に適用し、計測可能な物質を探索した。センサー細胞の対照として、小腸のオルガノイドを導入している。小腸上皮細胞の中で、Tuft細胞と内分泌細胞が化学受容細胞であるため、培地成分を変化させることで、より多くのセンサー細胞を分化させることに成功した。最後に、嗅粘液分泌量の減少が予想される遺伝子欠損動物の匂い応答を、電気生理学的に測定し、粘液の影響について検討した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 平成３０年度において大きな技術的課題であった、気相匂い刺激時の培養細胞表面の液層制御に成功し、開発したシステムによって、細胞表面の液層のもつ物理化学的特性の匂い応答への影響を詳細に解析することが可能になった。また遺伝子改変動物の匂い応答測定にも、着手することができた。このように本研究実施における技術的課題の多くが解決でき、研究推進が加速できる見込みとなった。また電気化学計測における電極表面の物質吸着の課題を克服し、いくつかの匂い物質において、その酸化還元電流から拡散係数を求めることに成功し、細胞外物質がこれに影響することを明らかにすることができた。またpHに対する応答変化に関しても検討を行なった。このように細胞実験・電気化学計測の双方で、コアとなる計測技術が計画通り完成しつつある。
Strategy for Future Research Activity	これまでの研究は、匂いの濃度変化に対して優れたセンサー特性を持つ昆虫の嗅覚受容体を中心に、細胞生理学的な実験を行ってきた。今後はイヌの鼻のような超高感受性を備えたセンサーの開発を目指し、その準備として哺乳類の嗅覚受容体ファミリーの発現ベクターの作製に着手する。また継続している、受容体感度に影響を与える物質の探索も引き続き行う。それらのうち、昨年度見出した嗅覚受容体と相互作用する不揮発性物質について、細胞内シグナル伝達系と受容体相互作用の関連を解析する。これらの受容体感度の調節に関わると予想される細胞外物質や、様々な嗅覚受容体について、開発した気相匂い刺激装置を用いて、気体状匂い物質刺激に対する反応を測定・解析することを試みる。電気化学計測に関し、細胞外物質存在下での匂い物質の電流計測が可能になった。そこで細胞外物質がどのように匂い物質応答に影響を及ぼすかについて、確立した電気化学計測法により検討を行う。さらに構造・化学的性質が似通った誘導体分子をスクリーニング計測することで、細胞外物質との相互作用に関わる官能基などの特性を明らかにする。様々な化学感覚受容体を発現するオルガノイドには、受容細胞だけでなく、細胞外物質を分化する細胞も含まれている。感度調節に関わる物質のスクリーニングや、細胞共培養を利用したセンサー開発などを見据えている。今後は小腸オルガノイドからの分泌細胞分化誘導、細胞外物質の分泌について検討する。