Functional evolution and adaptation of taste receptors in Malagasy primates (lemurs)

マダガスカル産霊長類（キツネザル）を対象とした味覚受容体の機能進化・適応に関する研究

Taste is classified into five basic tastes (sweet, umami, bitter, sour, salty) and detected by each corresponding taste receptor expressed in the tongue and oral cavity. Of the five taste qualities, sweet, umami, and salty tastes are preferable tastes (identifiers for nutrients) whereas bitter and sour tastes are aversive tastes (identifiers for toxic or spoiled matters).  Taste receptors are believed to be adapted to each feeding habit. Of the primate lineages, lemurs (Strepsirrhini) inhabit the Madagascar island and are classified into about 100 species. They have diversified diets that include most major dietary types of primates. Therefore, I am investigating the functional differences and evolutionary histories of taste receptors in lemurs to understand the evolution of taste perception underlying dietary adaptation.

味覚は甘味、旨味、苦味、酸味、塩味の基本五味に分類され、舌や口蓋に発現するそれぞれの味質に対応した味覚受容体を介して認識されます。甘味・旨味・塩味は嗜好性の味質で栄養素の指標であり、苦味と酸味は忌避性の味質で有毒物質や腐敗物の指標です。そのため、栄養源や有毒物を直接受容する味覚受容体は個々の動物の食性・採食生態に応じて異なる性質を持っていると考えられています。私が主に研究対象としているキツネザル類（曲鼻猿類）はマダガスカル島固有の霊長類で、現在約100種が知られています。彼らはマダガスカル島の様々な環境に適応し、霊長類の主要な食性タイプを網羅するほどに多様な食性を持ちます。そこで、私はキツネザル類を対象とした味覚受容体機能の種間差と進化史の研究を通じて、食性適応とその背景にある味覚の進化の関係解明を目指しています。

Now I am expanding the taste receptor research to a wide range of vertebrate lineages. 

Functional analysis of all bitterness receptors in the monotremes (echidna and platypus) was conducted and their relationship to their ecology was discussed. We found functional similarities between the monotremes TAS2Rs and the closely related marsupial and eutherian TAS2Rs, indicating that a specific group of TAS2Rs may have been responsible for the sensation of a specific class of plant secondary metabolites since the common ancestor of mammals (Iotigawa et al. 2022 Mol. Biol. Evol.).

We discovered that cartilaginous fishes (sharks and rays) possess a bitter taste receptor gene TAS2R, which is expressed in the taste buds in the oral cavity and can detect bitter substances. This finding indicates that the bitter taste receptor gene emerged at an earlier evolutionary stage than previously thought (Iotigawa et al. 2024 Curr. Biol.).

Amphibians have a remarkably large number of TAS2R genes among vertebrates, but their ecological significance and the mechanism of gene number increase have not been fully understood. We discussed the mechanism of TAS2R gene expansion by analyzing the arrangement of TAS2R genes in the amphibian genome and surrounding genomic regions, and analyzed how amphibians use a large number of TAS2Rs by examining the transcriptomes of various organs. We also identified ligands for TAS2R using cell-based functional analysis of receptors and inferred the extra-oral functions of TAS2Rs (Higgins & Itoigawa et al. 2025 PLoS Genet.).

単孔類であるハリモグラとカモノハシの全苦味受容体の機能解析を実施し、彼らの生態との関連を考察しました。また、単孔類TAS2Rと近縁な有袋類・有胎盤類TAS2Rとの機能的共通性を見出し、特定のTAS2R群が哺乳類の共通祖先の時から植物の二次代謝産物の一種の受容を担っていた可能性を示しました（Iotigawa et al. 2022 Mol. Biol. Evol.）。

軟骨魚類（サメやエイの仲間）が苦味受容体遺伝子を持つことを発見し、これが口腔内の味蕾で発現し苦味物質を検出できることを示しました。これにより従来考えられていたよりも進化的に早い段階で苦味受容体遺伝子が誕生したことを見出しました（Iotigawa et al. 2024 Curr. Biol.）。

両生類は脊椎動物の中でも際立ってTAS2R遺伝子の数が多いことが知られていましたが、その生態学的意義や遺伝子数増大のメカニズムについては十分に理解されていませんでした。我々は、両生類のTAS2R遺伝子のゲノム中での配置や周辺ゲノム領域の解析を通じてTAS2R遺伝子の増大メカニズムについて論じると共に、様々な臓器のトランスクリプトームを調べることで両生類がどのように大量のTAS2Rを使い分けているのかを解析しました。また、受容体の機能解析によってTAS2Rのリガンドを同定し、非口腔に発現するTAS2Rが持つ機能を推定しました（Higgins & Itoigawa et al. 2025 PLoS Genet.）。

• Itoigawa A*, Hayakawa T*, Zhou Y, Manning AD, Zhang G, Grutzner F, Imai H*. Functional diversity and evolution of bitter taste receptors in egg-laying mammals. 2022 Molecular Biology and Evolution 39(6), msac107. DOI: 10.1093/molbev/msac107

• Itoigawa A, Toda Y, Kuraku S, Ishimaru Y*. Evolutionary origins of bitter taste receptors in jawed vertebrates. 2024 Current Biology 34(7) P271-P272. DOI: 10.1016/j.cub.2024.02.024

• 2024年度日本霊長類学会高島賞（学術奨励賞）日本霊長類学会 2024年7月

• 日本味と匂学会第56回大会 優秀発表賞 日本味と匂学会 2022年8月（宮城）

• 日本比較生理生化学会第42回大会 発表論文賞（大会委員長賞）, 日本比較生理生化学会, 2020年11月（山形）

• 第64回プリマーテス研究会 最優秀口頭発表賞 プリマーテス研究会 2020年1月（愛知）

• 日本味と匂学会第53回大会 優秀発表賞 日本味と匂学会 2019年9月（高知）

• 第35回日本霊長類学会大会 優秀ポスター発表賞 日本霊長類学会 2019年7月（熊本）

• 第34回日本霊長類学会大会 最優秀口頭発表賞 日本霊長類学会 2018年7月（東京）