- 著者: Mohammed A. Khallaf, Daniel W. Hart, Wenhan Luo, Firdevs Murad, Felipe Cybis Pereira, Daniel Mendez-Aranda, Nicole Hagenah, Alice Rossi, Valérie Bégay, Jan Okrouhlík, Dietmar Krautwurst, Mungo Kisinza Ngalameno, Andre Ganswindt, Alison J. Barker, Radim Šumbera, Markus Knaden, Sophie Pezet, Andrew Woehler, Bill S. Hansson, Nigel C. Bennett & Gary R. Lewin
- Corresponding author: Mohammed A. Khallaf, Gary R. Lewin (Max Delbrück Center for Molecular Medicine in the Helmholtz Association, MDC, Berlin, Germany)
- 雑誌: Nature
- 発行年: 2026
- Epub日: 2026-06-05
- Article種別: Original Article
- PMID: 42457958
背景
真社会性 (eusociality) は哺乳類において極めて稀な社会構造であり、協力的な子育て、世代の重複、そして極端な繁殖分化（reproductive skew）を特徴とする。ハダカネズミ (Heterocephalus glaber) はこの哺乳類における真社会性の最たる例であり、コロニー内の単一の女王のみが繁殖権を独占し、他の雌個体は不妊状態に維持される。この生殖抑制プロセスは主に女王によって制御されており、女王の死や除去に伴い、抑制されていた個体の生殖能力が急速に回復することが既報となっている (Faulkes and Abbott 1990, Margulis et al. 1995)。
昆虫の世界では、女王フェロモンがワーカーの生殖を抑制し、コロニーの調和を維持するメカニズムが詳細に解明されている (Holman et al. 2010, Hoover et al. 2003)。一方、哺乳類においても嗅覚刺激が妊娠の中断（ブルース効果）や、他の社会的シグナルと組み合わさった際の排卵抑制を誘発することが知られている (Bruce 1959, Barrett et al. 1990)。しかし、ハダカネズミのような極端な真社会性哺乳類において、女王が具体的にどのような化学物質を用いてコロニー全体の構造を統御し、他個体の生殖を抑制しているのかという近接メカニズムはこれまで未解明であった。
特に、女王の存在がどのようにして非繁殖個体の内分泌系に作用し、不妊状態を維持させるのかという詳細な経路については知識が不足しており、化学的シグナルの正体とその機能的検証という大きな gap が残されていた。嗅覚コミュニケーションが社会的な結束や協力行動に不可欠であることは示唆されていたが、生殖抑制を直接的に媒介する「女王特異的な化学物質」の同定と、それが脳および内分泌系に与える影響を包括的に示した研究はこれまでになかった。
目的
本研究の目的は、ハダカネズミの女王が分泌し、コロニー全体の生殖抑制と社会的な安定を維持するために機能する化学シグナルを同定し、その生理学的・神経科学的な作用機序を明らかにすることである。具体的には、女王特異的な揮発性化合物を化学的に解析して同定し、その物質が非繁殖個体の嗅覚系をどのように活性化させ、プロラクチン (prolactin) やプロゲステロン (progesterone) といった生殖関連ホルモンのレベルをどのように変動させるかを検証する。さらに、同定した化学物質を人工的に投与することで、女王不在のコロニーにおいて生殖抑制状態と社会的な安定性を擬似的に再現できるかを確認し、哺乳類における真社会性の維持メカニズムを解明することを目指した。
結果
女王特異的な化学物質イソプロピルミリスチン酸 (IPM) の同定: 研究チームは、8つの異なるコロニーから52匹の非繁殖個体および女王を含む計351匹の個体から揮発性化合物を収集し、熱脱着ガスクロマトグラフィー質量分析 (TD-GC-MS) を用いて解析した。その結果、女王において有意に濃縮され、非繁殖個体や繁殖オスではほとんど検出されない化合物としてイソプロピルミリスチン酸 (isopropyl myristate; IPM) を同定した (Fig. 2c)。IPMの定量分析では、女王における存在量が有意に高く (p < 0.001)、特に膣、肛門、口からの分泌物で高濃度に検出された (Fig. 2f)。また、IPMレベルは女王の排卵期にピークに達し、妊娠期や授乳期には低下することが示され、この物質が生殖準備状態と密接に連動していることが明らかになった (Fig. 2g)。さらに、IPMは他の Fukomys 属の4種においても繁殖雌で検出されたが、最も極端な生殖分化を示すハダカネズミにおいて最高レベルに達していた (Fig. 2j)。
IPMによる嗅覚回路の活性化と神経応答: IPMが嗅覚を通じて検出されるかを確認するため、非繁殖個体の嗅覚上皮から ex vivo 電気嗅覚図 (electro-olfactogram; EOG) 記録を行ったところ、IPM (1:10 v/v in DMSO; 85 µg/µl) への曝露により、溶媒コントロールよりも大きな短潜時の電位変化が誘発された (Extended Data Fig. 4c)。また、IPMに90分間曝露させた個体の全脳を mesoSPIM ライトシート顕微鏡でイメージングし、即時早期遺伝子 FOS の発現を解析した結果、嗅球における FOS 陽性細胞密度がコントロール群と比較して有意に上昇していた (n=3 animals, p=0.0117) (Fig. 3b, c)。さらに、機能的超音波イメージング (functional ultrasound imaging; fUSI) を用いて麻酔下での脳活動をリアルタイムで測定したところ、IPM刺激によって梨状皮質、膝状核、扁桃体関連領域において、脳血流量 (cerebral blood volume; CBV) の有意な増加（z-score > 3.58, p < 0.01）が認められた (Fig. 3d, e, f)。
IPMによるランク特異的な行動変容と嗅覚依存性: T-maze を用いた二者択一試験において、高ランク個体 (n=34) は IPM 含有の寝床を顕著に回避したが、低ランク個体 (n=29) では明確な嗜好性を示さなかった (p=0.0019) (Fig. 4a)。この回避行動は嗅覚に依存しており、メチミゾール (methimazole) を投与して嗅覚 sensory neurons (olfactory sensory neurons; OSNs) を除去した高ランク個体では、IPM への回避行動が消失した (n=11, p=0.045) (Fig. 4b)。また、メチミゾール投与による嗅覚除去は、未知の個体に対する攻撃性の開始を著しく抑制することが示された (p < 0.0001) (Fig. 1d)。
IPMによるプロラクチン上昇と生殖抑制の誘導: 非繁殖雌の血漿プロラクチン濃度を測定したところ、女王の排卵期および妊娠期（IPMのコロニー内濃度がピークとなる時期）に有意に上昇していた (n=8, p=0.0196 vs non-ovulating) (Fig. 4c)。コロニーから隔離された雌ではプロラクチンレベルが低下し、同時にIPMレベルが上昇することが確認された (p=0.0081) (Fig. 4d)。また、メチミゾールによる嗅覚除去は、血漿プロラクチンレベルの有意な低下を招いた (n=4, p=0.0359) (Fig. 4e)。これにより、IPMの嗅覚的な検出がプロラクチン分泌を促進し、生殖抑制を維持しているメカニズムが示唆された。
IPMによる妊娠抑制の機能的検証: 非繁殖のオスと雌をペアにして隔離し、(1) コントロール（無刺激）、(2) コロニー寝床、(3) IPM daily 投与 (500 µl, 約 425 mg) の3群で比較した。コントロール群では 6 ペア中 5 ペア (83.3%) で妊娠が成立し、体重増加と膣穿孔などの生殖活性化が認められた (Fig. 4h)。対照的に、コロニー寝床群 (0/6) および IPM 投与群 (0/7) では妊娠は一切認められず、生殖器の成熟（拡大）も抑制されていた (p=0.0047 vs blank) (Fig. 4h)。また、糞便中のプロゲステロン代謝物レベルはコントロール群でのみ漸増したが、IPM 投与群では低値に維持されており、コントロール群と比較して顕著な抑制効果（数倍以上の差）が認められた (Fig. 4g)。
女王除去後のコロニー安定化とIPMの擬似的な作用: 女王を除去したコロニーに IPM (500 µl) を毎日投与したところ、通常であれば発生する激しい攻撃性や優位権争いが 12 週間にわたって完全に抑制され、社会的な安定が維持された。この期間中、非繁殖個体の血漿プロラクチンレベルは高いまま維持され (Fig. 4j)、糞便中プロゲステロン代謝物も低値のままであった (Fig. 4k)。しかし、IPM 投与を中止すると、1ヶ月以内にプロラクチンレベルが有意に低下し (p=0.0120)、同時にプロゲステロン代謝物が急増して複数の雌で性的行動が出現した。投与中止から1週間後には高ランク個体間で攻撃性が再燃し、1匹の雌が死亡する致死的な攻撃が発生した (Fig. 4i)。最終的に、生存した優位雌 1 匹が体重を増加させ、プロラクチン低下とプロゲステロン上昇を伴って妊娠し、新たな女王として君臨した (Fig. 4l)。
考察/結論
先行研究との違い: これまで、ハダカネズミの生殖抑制には女王の存在が必要であることは知られていたが、単に女王の使用済み寝床や尿を転送するだけでは隔離個体の抑制を維持できないという報告があった (Faulkes and Abbott 1993)。本研究の結果はこれと対照的であり、IPM という特定の低揮発性エステルが、適切な濃度と頻度で提示されれば、単独で生殖抑制と社会的安定を維持できることを示した。これは、従来の「複雑な臭いのブレンド」や「尿成分」による制御という考え方とは異なり、単一の強力な化学シグナルが主導的な役割を果たしている可能性を示唆している。
新規性: 本研究で初めて、哺乳類の真社会性において女王が分泌し、コロニー全体の生理状態を制御する「女王フェロモン」に相当する物質として IPM を新規に同定した。嗅覚受容から脳内の梨状皮質や扁桃体などの回路を活性化し、それが内分泌系（プロラクチン上昇）を介して生殖腺の活動を抑制するという一連の経路を実証したことは、哺乳類における社会的な生殖制御メカニズムを解明した点で極めて独創的である。
臨床的意義: 本知見は、嗅覚刺激が視床下部-下垂体-生殖腺 (HPG axis) 軸を介して不妊を誘導するという基本原理を提示しており、これは人間を含む哺乳類における授乳期不妊などの生理的メカニズムの進化的転用であると考えられる。臨床的意義として、特定の嗅覚シグナルが内分泌系を介して行動や生殖を制御する経路を詳細に記述したことは、将来的にホルモン依存性の疾患や行動異常に対する嗅覚的なアプローチを検討する上での基礎的な知見となり得る。
残された課題: 今後の検討課題として、IPM が具体的にどの嗅覚受容体に結合し、どのような神経回路を経てプロラクチン放出を促進するのかという分子メカニズムの解明が挙げられる。また、女王自身や繁殖オスが IPM に曝露されていながら自己抑制に陥らない理由（受容体のダウンレギュレーションや脳の可塑性など）は未解明であり、今後の研究方向性として重要である。Limitation として、本研究は主に実験室環境での検証であり、野生下での複雑な環境要因や、稀に存在する複数女王コロニーにおける IPM の動態についてはさらなる検証が必要である。
方法
動物および飼育: ベルリンおよびプレトリアの施設において、ハダカネズミ (H. glaber) および Fukomys 属などのアフリカモグラネズミ類を飼育した。ハダカネズミは 30-32 °C、湿度 50-70% の環境下で管理された。個体の性別判定には、唾液スワブから抽出したゲノム DNA を用い、Y 染色体上の Sry 遺伝子を標的とした PCR 法を用いた。
行動解析: 社会的なランク付けは、2 匹を透明チューブに入れ、どちらが上に乗るか（climbing over）をスコア化するアッセイを用いて決定し、ランキング指数 (R.I.) を算出した。IPM の嗜好性試験には、T-maze オルファクトメーターを用い、DeepLabCut によるビデオトラッキングで滞在時間を定量化した。
化学分析: 揮発性化合物の収集には PDMS チューブを用い、熱脱裂ガスクロマトグラフィー質量分析 (TD-GC-MS) を実施した。分析装置には Agilent 7890A GC および 5975C MSD を使用し、NIST スペクトルライブラリを用いて化合物を同定した。IPM の定量には、既知濃度の IPM をスパイクした PDMS チューブを用いて検量線を作成した。
神経科学的解析:
- 嗅覚除去: メチミゾール (75 mg/kg, i.p.) を投与し、嗅覚上皮の OSNs を除去した。除去確認には OMP および STMN1 の免疫染色を用いた。
- FOS イメージング: IPM 曝露後 90 分で固定した脳を mesoSPIM ライトシート顕微鏡でイメージングし、FOS 陽性細胞をカウントした。
- fUSI: Iconeus One 超高速超音波システムを用い、麻酔下での脳血流量 (CBV) 変化を測定した。解剖学的レジストレーションには Allen Mouse Brain Atlas を使用した。
内分泌および統計解析: 血漿プロラクチン濃度は、市販の ELISA キット (Elabscience) を用いて測定した。糞便中のプロゲステロンおよびテストステロン代謝物は、免疫酵素測定法 (EIA) により定量した。統計解析には、t検定、Mann-Whitney 検定、二元配置反復測定 ANOVA (Geisser-Greenhouse 補正あり) および Tukey の多重比較検定を用い、p < 0.05 を有意とした。
細胞スクリーニング: ヒト嗅覚受容体への反応性を調べるため、HEK293 細胞に 766 種類のヒト嗅覚受容体バリアントを発現させ、GloSensor cAMP ルミネッセンスアッセイを用いて 100 µM の IPM に対する反応をスクリーニングした。