Comparative tentacle transcriptomics reveals candidate chemosensory receptors in the gray field slug Deroceras reticulatum

陸地を移動するあらゆる生物は、高精細な視覚や風のわずかな変化を聞き取る聴覚を持たない中で、いかにして食物を見つけ、危険を回避し、配偶者を見つけるかという根本的な問題に直面しなければなりません。農作物に破壊の跡を残す一般的な庭の害虫である、グレイフィールド・スラッグ（gray field slug）にとって、その答えは頭部から突き出た2対の肉厚な触手の中にあります。これらは単なる単純な触覚ではありません。高度な感覚器官なのです。後方触手として知られる上のペアは、空中の匂いを嗅ぎ、光を感知するために上方へと伸び、一方で前方触手として知られる下のペアは、表面を味わい、振動を感じ取るために地面の近くに位置しています。科学者たちは、これらの構造が存在し、異なる挙動を示すことは以前から知っていましたが、その内部にある分子機構、つまりスラッグが匂いや接触を脳への信号へと変換することを可能にする特定のタンパク質については、謎のままとなっていました。この仕組みを理解することは極めて重要です。なぜなら、これらのスラッグは毎年農業に数十億ドルの被害をもたらしており、現在それらを阻止する方法の多くは、他の野生動物にも害を与える毒物に依存しているからです。

このスラッグがどのように世界を感知しているのかという秘密を解明するために、研究者たちはトランスクリプトミクスと呼ばれる手法を用いました。これは、特定の身体部位内で活動している遺伝子の「人口調査」のようなものです。チームは、スラッグのすべての細胞に対する指示書を含む全ゲノムを見るのではなく、触手にのみ焦点を絞りました。彼らはオレゴン州で見つかったグレイフィールド・スラッグの上部および下部の触手と、対照群として用いるための背中の外套膜（mantle）組織を採取しました。タンパク質を作るための指示を運ぶ分子であるRNAを、これら3つの異なる領域から単離することで、感覚器官においてどの遺伝子が体の他の部分に対してオンになっているのかを正確に把握することができました。このアプローチにより、スラッグが環境をナビゲートするために用いる分子ツールに関する詳細なマップを構築することができ、2対の触手の間にある明確な分業体制を明らかにしました。

14万件以上の遺伝子転写物の解析により、驚くべき特化が明らかになりました。空気中の臭気や光を感知する役割を担う上部触手には、神経伝達や光検出のためのタンパク質を構築する遺伝子が詰まっており、そこには多数のGタンパク質共役受容体が含まれていました。これらの受容体は細胞表面における主要なセンサーとして機能し、空気中を漂う化学信号を捉える準備ができています。対照的に、地面や食物に触れる下部触手は、異なる遺伝的プロファイルを示しました。下部触手は、構造変化に関与する遺伝子や、接触した化学物質を処理するのを助ける酵素が豊富であり、遠くの匂いではなく、直接的な接触と味覚に依存する異なる種類の感知のために構築されていることが示唆されました。研究者たちはまた、両方の触手のタイプ間で共有されているものの、外套膜組織には存在しない多数の遺伝子を特定し、これらの構造が感覚タスクのために独自に適応していることを裏付けました。

特定された数千の遺伝子の中で、研究者たちは化学感覚（chemosensation）、すなわち化学物質を検知する能力を司る具体的な候補を見つけることに注力しました。その結果、Gタンパク質共役受容体と呼ばれるタンパク質ファミリーが感覚のレパートリーを支配しており、特定された化学感覚遺伝子のほぼ93パーセントを占めていることが分かりました。データを精査し、触手で非常に活性化しており、かつ体の他の部分には存在しない遺伝子のみを抽出することで、彼らは上部触手については67個、下部触手については38個の強力な候補へと絞り込みました。これらの中には、以前は未知であった、あるいは「オーファン（孤児）」受容体と呼ばれるものも多く含まれており、これらは具体的にどのような化学物質を検知するのかがまだ分かっていないものです。これらの受容体に加えて、チームはイオンチャネル（細胞が電気的な変化に反応するのを助けるもの）や、輸送タンパク質（おそらくスラッグの粘液を通じて化学信号を移動させるもの）といった他の種類のタンパク質も見出しました。研究の正確性を期すため、研究者たちはこれらの遺伝子のいくつかをqRT-PCRと呼ばれる別の手法を用いてテストし、それらの遺伝子が予測通り、特定の触手において実際に最も活性化していることを確認しました。

この研究は、グレイフィールド・スラッグが環境を感知するために、各一対の触手が明確かつ専門的な役割を果たす、高度に洗練された二重システムのアプローチを進化させてきたことを示唆しています。上部触手はスラッグの鼻と目の役割を果たし、遠くからの手がかりをスキャンし、一方で下部触手は手と舌として機能し、直下の表面を分析します。この分子の設計図は、これらの害虫がどのように世界と相互作用しているかを理解するための新しい基盤を提供します。特定されたタンパク質はスラッグの感覚細胞の表面に位置しているため、これらはこれらの害虫を管理するための、より精密で新しい方法の潜在的な標的となります。広範囲に影響を与える毒物を使用する代わりに、将来の戦略は、スラッグが食物の匂いを嗅いだり配偶者を見つけたりする能力を特異的に阻害するように設計できる可能性があり、農作物を保護するための、より標的を絞った環境に優しいアプローチを提供できます。研究者たちは、自らの遺伝子データを科学界に公開しており、これにより、これらの受容体が具体的にどのような化学物質を検知するのか、そしてそれらがどのようにこの執拗な農業問題の制御に利用できるのかを解明するためのさらなる研究への扉を開いています。