マラリアをはじめとする蚊が媒介する多くの病気が原因で毎年100万人近くが死亡している。そのため、蚊と人間の間の致命的な関係を抑制することは、公衆衛生上の重要な課題である。しかし、蚊が人間の匂いを感知する方法を阻害することでこれを実現しようとする試みは、これまで実を結ばなかった。 このたび、新しい研究により、蚊の嗅覚を妨害することが困難である理由が明らかにされた。
2022年8月18日にCell誌に掲載されたこの研究は、ヒトスジシマカが人間を専門に狩りを行い、デング熱、ジカ熱、チクングニヤ、黄熱病などのウイルスを拡散する力を与える絶妙に複雑な嗅覚システムを明らかにするものである。この論文は、蚊が匂いを感知し解釈する方法について、長年の仮定を覆すデータを示している。
「蚊の嗅覚は一見すると意味をなさない。」と、ロックフェラー大学のロビン・ケマーズ・ノイシュタイン教授で、ハワード・ヒューズ医学研究所の最高科学責任者であるレスリー・ヴォスホール博士は言う。「蚊が嗅覚を組織化する方法は全く予想外だ。しかし、蚊にとっては理にかなったことなのだ。嗅覚系は基本的に壊れないように、匂いを解釈するすべてのニューロンが冗長になっている。これが、蚊が人間に引き寄せられるのを断ち切る方法が見つかっていない理由かもしれない。」
嗅覚の法則を破る
昆虫から哺乳類に至るまで、科学者は一般的に、脳が1：1：1のシステムで匂いを処理していると考えている。各嗅覚神経細胞は1つの匂い受容体を発現し、糸球体として知られる1つの神経終末の集まりと連絡を取り合っているのである。昆虫における1ニューロン1レセプター1糸球体モデルの証拠としては、多くの種が糸球体とほぼ同じ数の嗅覚受容体を持つという観察がある。ミバエは約60の受容体と55の糸球体、ミツバチは180：160、タバコの角虫は60：70である。
研究により、ハエ、マウス、そしてヒトのような進化的に遠い生物でさえも、同じ、きれいな1：1：1の比率が存在することが示唆されている。蚊は糸球体の2倍の数の受容体を持っているが、ヴォスホール研究室の先行研究は、蚊も同じ嗅覚の基本法則に従うだろうと示唆している。「すべての生物がこのような働きをすると考えるのは妥当なことでした」と、共同研究者のマーガレット・ヘアー博士は述べている。
苦味を感知する1つの細胞が、苦い食べ物の苦味を均一にするために多くの苦味受容体を発現しているような味覚とは異なり、嗅覚の1：1：1モデルは、普遍的であると同時に必要であるように思われたのだ。「1:1:1の嗅覚モデルは、動物が豊かな嗅覚空間で生活し、さまざまな匂いを感知して識別できるようにするためのものだ」とヘアー博士は言う。
しかし、人間が発する体臭と二酸化炭素の独特なブーケをヤブカがどのように嗅ぎ分けるかを研究していたところ、ヴォスホール研究室の元ポスドクで現在はボストン大学の助教授であるメグ・ヤンガー博士が驚くべき発見をしたのである。1：1：1ルールでは、蚊は体臭を嗅ぐための1つのニューロン、1つの受容体、1つの糸球体を持ち、二酸化炭素については別の方式をとることになっているが、ヤンガー博士はヘアー博士と共同で、複数の異なる受容体を持つ個々の臭気ニューロンを発見したのである。
さらに調査を進めると、さらに混乱した結果が出た。ヴォスホール博士は「まるでお粥のような、列車事故のようだった。ほとんどすべての細胞がすべてを発現していた。蚊の嗅覚系は、本来は無害であるはずのものが、完全に混同されていたのだ」と述べている。ヴォスホール博士の研究室の博士課程に在籍する共同研究者オリビア・ゴールドマン氏が行った単一核RNA配列決定により、ヤブカの嗅覚系が従来のモデルとは異なることが確認され、in vivo電気生理学により蚊の脳細胞の活動が直接測定されて、これらの細胞が実際に複数の匂い分子を感知していることが明らかにされたが、これらは全て、嗅覚に関するドグマに明白に反しているのだ。
研究チームは、さまざまな場所で餌を見つけるマウスや他の一般的な種とは異なり、蚊は血液の餌を全力で追跡するために、独自の嗅覚システムを進化させたのではないかと推測している。血を飲まなければ繁殖できないヤブカにとって、人間を嗅ぎ分けることにレーザーフォーカスした匂い感知は、トウモロコシのような匂いを感知する能力よりも重要なのかもしれない。
一方、嗅覚の中心的な遺伝子をノックアウトしようとしても、蚊がヒトに狙いを定めるのを止められないのは、このシステムの冗長性と回復力のおかげかもしれない。ゴールドマン氏は、「蚊がヒトの居場所を特定する仕組みを理解することは、蚊を媒介とする病気にかかりにくくするために、蚊のシステムを操作するために不可欠だ」と語っている。「このシステムを研究することは、なぜ蚊の嗅覚が壊れないのかをより良く理解するのに役立つだろう。」
ドグマを超える成長
ヴォスホール博士がこの発見に頭を悩ませていた頃、ジョンズ・ホプキンス大学のクリストファー・ポッター博士率いる研究チームが、ミバエの嗅覚パターンも同じように混乱していることを発見した。昆虫の嗅覚について、かつてドグマであったものが、急速に解明され始めたのである。しかし、これまでの研究で昆虫の嗅覚に関する従来のモデルを確立したヴォスホール博士は、動じなかった。
「私は、とてもエキサイティングなことだと思いる。私の初期の研究がこの複雑性を見逃していたことを意味するし、科学の進歩が真実に向かって曲がっていくことを示すものでもあるから」。
しかし、研究者らは、その発見をランダムなノイズとして片付け、自分たちのデータは従来のモデルを覆すのではなく、むしろ支持していると、ありえない結論に達したのである。
「ドグマは便利だが、問題がある。というのも、最初の本能として、自分の実験はうまくいかなかった、ただのノイズだったと思い込んでしまうからだ。我々の発見は、もし何かを見つけたら、何か言ってみようという気にさせるはずだ。 」とヴォスホール博士は言う。
今のところ、「悪いニュースとしては、人間に蚊を惹きつけるのを止めるのは不可能だということが判明したことだ。しかし、今回の結果は、マウスやミバエにとどまらず、他のあまり有名でない生物がどのように匂いを感知するのか、科学者たちに再検討の機会を与えるものであることは言うまでもない。」「誰もが研究している生物種以外にも、もっと多くの生物が存在するのだ」「マダニは従来の嗅覚を持っているのだろうか？ミツバチはどうなのだろうか？モデル生物以外の生物のシステムを研究して、我々が好きな原理が必ずしも適用されないことを発見するのは、とてもエキサイティングなことだ」とヴォスホール博士は述べている。
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赤と緑でラベル付けされた嗅覚ニューロンを持つメスの蚊の触角。複数の種類の嗅覚受容体を発現している嗅覚ニューロンは黄色で表示されている。 (Credit: Margaret Herre).
