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線虫Caenorhabditis elegansにおける必須アミノ酸摂取のための嗅覚基盤:イソアミルアルコールがロイシン豊富食への誘引を媒介する


核心概念
C. elegansは、バクテリアが産生するイソアミルアルコール(IAA)を嗅覚的手がかりとして利用し、必須アミノ酸であるロイシンが豊富な細菌を選んで摂食する。
要約

線虫C. elegansにおける嗅覚に基づく必須アミノ酸の認識

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書誌情報: Callaham, G. R., Mathew, N., Sivakumar, R., Al-Fageeh, M., Chng, Q., & Srinivasan, V. (2023). Olfactory basis for essential amino acid perception during foraging in Caenorhabditis elegans. PLOS Genetics, 19(10), e1010701. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010701 研究目的: 本研究は、土壌に生息する線虫Caenorhabditis elegansが、必須アミノ酸(EAA)を多く含む細菌をどのようにして探し出し、選択的に摂食するのか、その嗅覚メカニズムを解明することを目的とした。 方法: C. elegansの自然環境における共生細菌群であるCeMbioを用い、各細菌種に個々のEAAを添加した場合の線虫の摂食選好性を、「匂いのみ」の選好性試験により評価した。 ガス クロマトグラフィー質量分析法(GC-MS/MS)を用いて、各細菌のヘッドスペース中の揮発性物質を分析し、EAA添加による変化を調べた。 線虫の嗅覚神経細胞であるAWAおよびAWCの機能を欠損させた変異体を用い、特定の匂いに対する応答と摂食選好性への影響を評価した。 野生型線虫と比較して特定の匂いに対する応答が変化した変異体を用い、IAAの受容体候補となるGタンパク質共役受容体(GPCR)を同定した。 主要な結果: C. elegansは、CeMbioに属する特定の細菌種(Enterobacter hormaechei、Lelliottia amnigena、Sphingobacterium multivorum)に対して、ロイシンを添加した場合にのみ、摂食選好性を示した。 ロイシンを添加した細菌のヘッドスペースでは、イソアミルアルコール(IAA)の濃度が有意に増加していた。 AWC嗅覚神経細胞を欠損させた線虫は、ロイシン添加細菌に対する選好性を示さず、IAAに対する走化性も低下していた。 AWC神経細胞で発現するGPCRであるSRD-12を欠損させた線虫は、IAAに対する走化性が低下し、ロイシン添加細菌に対する選好性も低下していた。 結論: C. elegansは、細菌が産生するIAAを嗅覚的手がかりとして利用し、ロイシンが豊富な細菌を選んで摂食する。IAAは、細菌におけるロイシン代謝経路であるEhrlich経路によって産生される。AWC神経細胞で発現するSRD-12は、IAAの受容体として機能し、線虫の摂食行動を制御する。 意義: 本研究は、線虫における嗅覚に基づく栄養素探索の分子メカニズムを明らかにした初めての報告である。IAA-SRD-12経路は、線虫が自然環境において最適な栄養源を獲得するために重要な役割を果たしていると考えられる。
統計
C. elegansは、10種類の必須アミノ酸のうち、ロイシンが添加された細菌に対してのみ選好性を示した。 ロイシンを添加した細菌のヘッドスペースでは、IAAが全体の最大90%を占めていた。 ilvE遺伝子の発現量は、ロイシンを添加した細菌において有意に増加した。 野生型線虫9系統はすべて、IAAに対して強い走化性を示した。

深掘り質問

C. elegans以外の生物、例えば昆虫や哺乳類においても、IAAやその他の揮発性物質が必須アミノ酸の探索に利用されているのだろうか?

はい、C. elegans 以外の生物、例えば昆虫や哺乳類においても、IAA やその他の揮発性物質が必須アミノ酸の探索に利用されている可能性を示唆する証拠が複数報告されています。 昆虫における例: ミバエ: IAA は、ミバエを引き寄せる果実の香り成分の一つとして知られています。果実はミバエにとって産卵場所であり、幼虫の餌資源となるため、IAA を介した必須アミノ酸の探索は、ミバエの生存と繁殖に重要な役割を果たしていると考えられます。 ハナアブ: ベンジルアセトンは、必須アミノ酸であるフェニルアラニンから合成される香り成分であり、ハナアブやガ、アリなどを引き寄せることが知られています。これらの昆虫は、花蜜に含まれる必須アミノ酸を求めて訪花するため、ベンジルアセトンは、花と昆虫の相互作用において重要な役割を担っていると考えられます。 哺乳類における例: ラット: ラットは、必須アミノ酸であるロイシンを多く含む餌を好んで選択することが報告されています。この選好性は、ロイシンそのものに対する味覚ではなく、ロイシン代謝産物や腸内細菌叢の変化によって生じる可能性が示唆されています。 これらの例は、IAA やその他の揮発性物質が、C. elegans だけでなく、昆虫や哺乳類を含む様々な生物において、必須アミノ酸の探索に利用されている可能性を示唆しています。

細菌叢の組成や代謝活性の変化が、線虫の嗅覚選好性や摂食行動にどのような影響を与えるのだろうか?

細菌叢の組成や代謝活性の変化は、線虫の嗅覚選好性や摂食行動に大きな影響を与える可能性があります。 細菌叢の組成変化による影響: 線虫は、特定の細菌種に対して誘引または忌避を示すことが知られており、細菌叢の組成変化は、線虫の嗅覚選好性を変化させる可能性があります。例えば、線虫の腸内に IAA を産生する細菌種が多い場合は、IAA に対する感受性が高まり、IAA を産生する餌を好んで選択するようになる可能性があります。 代謝活性の変化による影響: 細菌叢の代謝活性は、線虫が利用できる栄養素の種類や量に影響を与えます。例えば、細菌叢が必須アミノ酸を効率的に合成する場合、線虫は必須アミノ酸を多く含む餌を必要としなくなる可能性があります。また、細菌叢が特定の揮発性物質を産生する場合、線虫の嗅覚選好性や摂食行動に影響を与える可能性があります。 これらのことから、細菌叢の組成や代謝活性の変化は、線虫の嗅覚選好性や摂食行動を変化させることで、線虫の栄養状態や寿命に影響を与える可能性があります。

IAA受容体の機能を操作することで、線虫の栄養状態や寿命を制御することは可能だろうか?

IAA 受容体の機能を操作することで、線虫の栄養状態や寿命を制御できる可能性はあります。 IAA 受容体の活性化: IAA 受容体を活性化することで、線虫が IAA を産生する餌をより好んで摂取するよう誘導できる可能性があります。IAA を産生する細菌は、ロイシンなどの必須アミノ酸を豊富に含んでいる可能性があり、線虫の栄養状態を改善することで寿命延長につながる可能性も考えられます。 IAA 受容体の阻害: IAA 受容体を阻害することで、線虫が IAA を産生する餌を選択することを妨げ、特定の細菌種への曝露を減らすことができる可能性があります。これは、特定の細菌種が線虫の健康に悪影響を及ぼす場合に有効な手段となりえます。 しかし、線虫の栄養状態や寿命は、IAA 受容体のみによって制御されているわけではありません。他の感覚受容体や代謝経路、遺伝的背景なども複雑に影響し合っているため、IAA 受容体の操作だけで線虫の栄養状態や寿命を完全に制御することは難しいと考えられます。 さらなる研究により、IAA 受容体と他の因子との相互作用を解明することで、線虫の栄養状態や寿命をより精密に制御できるようになる可能性があります。
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