哺乳動(dòng)物味覺感受器T1Rs受體家族及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的研究進(jìn)展

單俐敏,張春雷,陳 宏＊,2,房興堂

(1.徐州師范大學(xué)細(xì)胞與分子生物學(xué)研究所,江蘇徐州 221116;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,陜西省農(nóng)業(yè)分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌 712100)

味覺是哺乳動(dòng)物極為重要的感覺,可以感知五種味覺,甜、酸、苦、咸和鮮。味覺的感受部位即味覺細(xì)胞,也叫味覺感受細(xì)胞(taste receptor cell,TRC),多位于味蕾中央,細(xì)胞的游離端呈毛狀突起即微絨毛,微絨毛上存在多種受體。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)咸味和酸味的受體是離子通道耦聯(lián)受體,其他味覺的受體被認(rèn)為是G蛋白耦聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors,GPCR)。1999年,Hoon.M.A等從多只小鼠的舌頭上提取了一些味覺細(xì)胞,在對其進(jìn)行cDNA文庫的測序時(shí)發(fā)現(xiàn)了T1R1基因,選擇性地在味覺細(xì)胞中表達(dá)。以T1R1基因?yàn)榛A(chǔ)的PCR,又鑒定出T1R2基因[1],接著T1R3基因也在人的DNA文庫中被鑒定出來。這三個(gè)受體屬于GPCR家族C亞型,即T1Rs家族,其中T1R2+T1R3以異二聚體形式共表達(dá)并參與甜味識別,而T1R1+T1R3以異二聚體形式共表達(dá)并參與鮮味(氨基酸味)識別。目前關(guān)于這個(gè)受體家族的研究都集中在小鼠和人上,對牛的T1Rs受體家族的研究還沒有。牛的味覺是很發(fā)達(dá)的,口腔內(nèi)味覺細(xì)胞多達(dá)1.5萬個(gè),比人類有更敏感的味覺感受系統(tǒng),良好的味覺能夠促進(jìn)牛的食欲,提高采食量,促進(jìn)生長發(fā)育,所以有必要對這個(gè)受體家族做進(jìn)一步的探索。近十幾年來由于基因組計(jì)劃、蛋白質(zhì)組計(jì)劃的研究進(jìn)展迅速,分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、行為學(xué)、電生理學(xué)等方法的充分利用,對該受體家族的分子機(jī)制已取得突破性的進(jìn)展。本文從甜味和鮮味兩個(gè)方面對這一受體家族及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的最新研究情況做簡要綜述。

1 哺乳動(dòng)物T1Rs受體家族

T1Rs家族屬于G蛋白耦聯(lián)受體(GPCR)超家族C亞型成員,這個(gè)家族還包括 mGluRs、GABABRs、鈣敏受體、V2R受體等。T1Rs是一類獨(dú)具特色的GPCR,它們擁有大的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域,其中包括捕蠅夾域(venusflytrapdomain,VFT),半胱氨酸富集域(cysteine-rich domain,CRD)和七次螺旋跨膜域(heptahelical transmembrane domain,HD)。VFT主要負(fù)責(zé)配體的識別與結(jié)合,它與細(xì)菌中的外周質(zhì)氨基酸結(jié)合蛋白PBP(perplasmic amino acid binding proteins PBP)具有一定的序列相似性[2]。HD有相應(yīng)的3個(gè)細(xì)胞內(nèi)環(huán)和3個(gè)細(xì)胞外環(huán)。細(xì)胞內(nèi)環(huán)和它們相應(yīng)的跨膜區(qū)段高度保守,是G蛋白的結(jié)合位點(diǎn),而各成員的細(xì)胞外環(huán)差異很大,是配體結(jié)合區(qū)。

T1Rs基因家族由T1R1、T1R2和T1R33個(gè)基因組成。T1Rs受體以異源二聚體的形式發(fā)揮作用:T1R2和T1R3結(jié)合形成甜味受體(僅表達(dá)T1R3受體的細(xì)胞也存在,以同型二聚體的形式,但它只是低親和力的糖受體[3,4]);T1R1和T1R3結(jié)合形成鮮味受體。

2 甜味識別依賴的異二聚體膜受體(T1R2+T1R3)

T1R2+T1R3這兩種受體共同形成感受各種糖和人工甜味劑的功能受體。T1R2或T1R3基因單剔除的小鼠對各種人工甜味劑的反應(yīng)消失,對低濃度糖液的反應(yīng)強(qiáng)烈降低,但對較高濃度的糖液的反應(yīng)則是部分降低。然而T1R2+T1R3的基因雙剔除的小鼠對所有測試的不同濃度的糖液的行為學(xué)與電生理學(xué)反應(yīng)均會(huì)消失。這些實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明T1R2和T1R3形成了針對人工甜味劑的功能性受體與高親和力的糖受體,而僅表達(dá)其中一種受體的則是作為一種低親和力的糖受體[5]。

人類能感覺到甜味的甜味劑被許多哺乳動(dòng)物所喜好,但不同的物種對甜味劑的識別不盡相同,如小鼠喜歡糖精、乙?；撬岚封洝⑷日崽呛透仕豙6],但卻感覺不到幾種人工甜味劑(例如:環(huán)已氨磺酸鹽、阿力甜、阿斯巴甜)[7,8]。大鼠的甜味受體對三氯蔗糖反應(yīng)強(qiáng)烈[9],但大鼠不太喜歡三氯蔗糖和甘素[10,11]。豬不能識別一些人工甜味劑(如索馬甜、環(huán)已氨磺酸鹽、新橙皮苷二氫查耳酮(NHDC)、阿斯巴甜等)。

幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室利用人類和小鼠對一些人工的或天然的甜味劑的敏感性不同設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn),利用人鼠嵌合體受體去定位 T1R2+T1R3異二聚體的功能域與一些甜味劑反應(yīng)的關(guān)系。這些實(shí)驗(yàn)大部分利用異源細(xì)胞,揭示出人的T1R2的胞外區(qū)是阿斯巴甜和紐甜(neotame)所需[12],人的 T1R3的CRD區(qū)是植物甜蛋白(brazzein)所需[13]。人 T1R3的HD區(qū)是環(huán)已氨磺酸鹽所需[12,14],同時(shí)也是NHDC作用位點(diǎn)[15]。利用相似的方法揭示,拉克替醇(甜味抑制劑)是人類 T1R3的HD區(qū)所需[12,16],這個(gè)抑制劑就像高濃度的糖精和乙?；撬岚匪徕浺粯邮侨薚1R2+T1R3的反激動(dòng)劑。轉(zhuǎn)基因表達(dá)人T1R2的人化小鼠對阿斯巴甜,莫內(nèi)林和其它甜味劑[4]有反應(yīng)(但對NHDC沒有反應(yīng))。將人的T1R3基因轉(zhuǎn)到nontaster鼠體內(nèi),發(fā)現(xiàn)對甜味劑的反應(yīng)提高了[17],說明T1R3基因與小鼠的sac基因是等同的。貓對任何甜味劑都不喜歡[18],是因?yàn)樨埖腡1R2基因是個(gè)假基因,這為 T1R2+T1R3共同起作用提供了支持[19]。

目前T1Rs受體的晶體結(jié)構(gòu)還沒有得到,所以配體如何結(jié)合并激活受體還不能準(zhǔn)確確定,但可以用同源建模的方法從其它已經(jīng)得到的受體的晶體結(jié)構(gòu)來預(yù)測。存在和缺乏配體基的mGluR1 VFT的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到,T1Rs和mGluRs之間重要的保守結(jié)構(gòu)表明,mGluRs的VFT的晶體是T1Rs同源建模的合理模板[20]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)T1R2的VFT的兩個(gè)位點(diǎn)(在mGluRs同系物中是谷氨酸結(jié)合的關(guān)鍵位點(diǎn))發(fā)生突變,對二肽甜味劑的反應(yīng)就會(huì)喪失,但只能部分影響蔗糖[12],說明這兩類小分子甜味劑都結(jié)合在 T1R2的VFD區(qū),但結(jié)合的區(qū)域不同。GPCR視網(wǎng)膜紫質(zhì)A亞型的晶體結(jié)構(gòu)也已經(jīng)得到,它是T1Rs HD建模的合理模板[15]。T1R3的 HD區(qū)的大范圍誘變揭示HD區(qū)的第三五六環(huán)是環(huán)已氨磺酸鹽,NHDC,和拉克替醇的結(jié)合位點(diǎn)[12,16]。

人和鼠甜味受體的功能學(xué)研究表明,拉克替醇能抑制人的T1R2+T1R3異二聚體的活性,但對鼠沒有反應(yīng)[9],所以Winnig利用定點(diǎn)誘變的方法去研究拉克替醇為什么對鼠的甜味受體不起作用,發(fā)現(xiàn)是T1R3跨膜第五區(qū)的738Val和735Lys造成的(人是738Ala,735Phe),并推測是因?yàn)榘被岬母淖円鸬鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致拉克替醇很難結(jié)合到它的作用位點(diǎn)上[16]。Alexey等人在對T1R3的多態(tài)性與人對蔗糖的敏感性之間關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)C/T的SNPs,T1R3編碼區(qū)的上游區(qū)域與人的蔗糖敏感性非常相關(guān),利用熒光酶報(bào)告分析,這兩個(gè)SNPs的結(jié)果表明T與C相比,降低了啟動(dòng)子的活性,影響基因轉(zhuǎn)錄,啟動(dòng)子的末端區(qū)域潛伏著復(fù)合的順式作用原件,它對啟動(dòng)子有強(qiáng)沉默作用,得出結(jié)論,這兩個(gè)SNPs是通過改變調(diào)節(jié)元件的功能,影響基因轉(zhuǎn)錄。

人類和其它哺乳類動(dòng)物對甜味劑的喜好不同,利用這些差異已經(jīng)做了很多實(shí)驗(yàn),也得到了很多信息。但對糖這種哺乳動(dòng)物都喜歡的甜味劑卻無法檢測。Nie等利用一種光譜學(xué)的方法研究了純化的T1R2和T1R3VFD區(qū)與配體的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)兩個(gè)亞基與三種糖(葡萄糖、蔗糖、三氯蔗糖)都能結(jié)合,但親和力不同。

某些甜味劑如糖精鈉和乙酰磺酸胺鉀會(huì)產(chǎn)生甜味后覺反應(yīng),在低濃度時(shí)糖精鈉和乙?；前匪徕浗Y(jié)合到一個(gè)高親和力的結(jié)合點(diǎn)上,產(chǎn)生甜味;而在高濃度時(shí),它們會(huì)結(jié)合到第二個(gè)低親和力的抑制點(diǎn)上,產(chǎn)生苦味。當(dāng)甜味抑制成分被水洗掉時(shí),甜味受體重新激活,甜味的感覺又回來了。甜味味覺受體并不局限于味覺上皮,T1R2和T1R3也在胃腸道的營養(yǎng)感知細(xì)胞中,起到對營養(yǎng)的識別、同化吸收的作用。小鼠β細(xì)胞中也存在的一種蛋白質(zhì)和構(gòu)成舌頭的甜味受體的蛋白質(zhì)的堿基序列完全一樣。

3 鮮味識別依賴的異二聚體膜受體(T1R1+T1R3)

鮮味(氨基酸味)是五種基本味覺之一,主要指谷氨酸鈉(味精)的味道,在1908年被Ikeda.K首次發(fā)現(xiàn),但在最近才被大眾接受作為一種基本味覺。研究發(fā)現(xiàn)許多物質(zhì)具有這種味道,如組成蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸,嘌呤核苷酸(如肌苷酸(IMP)、鳥苷酸(GMP))。

不同的物種在味覺感覺上有選擇性和特異性。鼠T1R1+T1R3對20種L-型氨基酸都有反應(yīng),但人T1R1+T1R3只選擇性地對谷氨酸鈉(MSG)和天冬氨酸有反應(yīng)。

T1R1+T1R3能感受天然的20種L-型氨基酸(T1R1+T1R3能識別 L-氨基酸,但不能識別甜-D-氨基酸,如 D-Trp),只有在感知谷氨酸時(shí)IMP才對其具有加強(qiáng)作用,這是鮮味的主要特點(diǎn)-協(xié)同作用。鮮味受體和甜味受體共享一個(gè)共同的T1R3,但能識別不同的味質(zhì),說明 T1R1和 T1R2的N-末端胞外域決定了鮮甜受體的配體特異性。利用甜-鮮嵌合體,誘變分析和分子建模方法揭示谷氨酸和IMP協(xié)同激活鮮味受體。T1R1的N-末端胞外域是IMP和GMP起加強(qiáng)作用的結(jié)合部位,L-Glu配體結(jié)合到鉸鏈區(qū)(VFD區(qū)中的一小段),5'核苷酸結(jié)合到捕蠅域開口的位點(diǎn),進(jìn)一步穩(wěn)定閉合現(xiàn)象,通過延長L-Glu留在受體嘴部的時(shí)間從而增強(qiáng)鮮味味覺。

環(huán)已胺基磺酸鹽與人的T1R3的TMD區(qū)起作用,對鮮味和甜味受體有不同的作用,它是甜味受體的激活劑,是鮮味受體的增強(qiáng)劑。最近,一種關(guān)于GPCRs的C亞型激活的亞基重排機(jī)制被提出,所以Zhang.F等提出環(huán)已胺磺酸鹽誘引T1R3的 TMD的信號改變,導(dǎo)致兩個(gè)TMD的亞基重排,可能是這兩種受體的能量障礙不同,所以這種重排只能激活T1R2+T1R3。

4 甜味和鮮味的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

為,人和靈長類動(dòng)物的味覺傳入通路中,孤束核的神經(jīng)元是第二級神經(jīng)元,由孤束核的神經(jīng)元發(fā)出的纖維到丘腦腹后內(nèi)側(cè)核;嚙齒類動(dòng)物的味覺傳入通路,由孤束核投射到腦橋的臂旁核,由臂旁核中繼后分兩條徑路投射到丘腦的腹后內(nèi)側(cè)核、下丘腦外側(cè)區(qū)、經(jīng)其中繼后投射到皮質(zhì)的中央后回最下部的味覺中樞進(jìn)行味覺感知。

由于甜味化合物化學(xué)構(gòu)成不同,導(dǎo)致甜味信息的轉(zhuǎn)導(dǎo)有著不同的途徑。甜味在味覺細(xì)胞內(nèi)的傳導(dǎo)途徑:蔗糖與特定的GPCR結(jié)合后,結(jié)合GTP的α亞基與腺苷酸環(huán)化酶(AC)結(jié)合,使之活化,并將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP,導(dǎo)致胞內(nèi)cAMP濃度升高,進(jìn)一步激活蛋白激酶A(PKA)磷酸化,然后抑制基底外側(cè)的K+通道,引起胞外Ca2+內(nèi)流。人工甜味劑與另外一種GPCR結(jié)合,激活 PLCβ2,使 PIP2水解成IP3和DG,胞內(nèi)IP3增加,導(dǎo)致胞內(nèi)細(xì)胞膜上IP3門控Ca2+通道開放,胞內(nèi)貯存的Ca2+釋放。

味蛋白是一種味覺特異性G-蛋白,專門表達(dá)于舌味蕾細(xì)胞而不表達(dá)于其他細(xì)胞,它是苦味傳導(dǎo)中一種重要的蛋白質(zhì)。味蛋白由α-gustducin,Gβ3和Gγ 13共3個(gè)亞基組成,α-gustducin基因敲除小鼠的行為測試,味覺神經(jīng)信號記錄顯示α-gustducin參與某些苦味、甜味和鮮味的轉(zhuǎn)導(dǎo)。味蛋白調(diào)節(jié)的味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:味質(zhì)與甜/鮮受體結(jié)合,激活α-gustducin-Gβ3-Gγ13三聚體,β和 γ亞基釋放出來激活磷脂酶 C(PLCβ2)產(chǎn)生三磷酸肌醇(IP3),從而引起胞內(nèi)貯存的Ca2+釋放。上述三種途徑釋放的Ca2+會(huì)激活TRPM5通道,TRPM5使細(xì)胞膜去極化導(dǎo)致ATP釋放,釋放的ATP能激活味覺傳入神經(jīng)細(xì)胞上的離子型嘌呤能受體。這個(gè)模型被相關(guān)信號分子敲除實(shí)驗(yàn)支持。

5 小結(jié)

味覺受體和味質(zhì)(tastant)結(jié)合后,會(huì)導(dǎo)致味覺細(xì)胞的細(xì)胞膜去極化和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。通過這種方式,味覺受體細(xì)胞將感受到的化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號。然后沿著舌咽神經(jīng)、面神經(jīng)的鼓索神經(jīng)側(cè)支和迷走神經(jīng)將信號傳導(dǎo)至延髓孤束核。多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)

目前對于T1Rs受體家族的研究還有很多不足,T1Rs受體晶體還沒得到,它是系統(tǒng)研究甜/鮮味劑如何結(jié)合并激活其受體的最大障礙。目前的發(fā)現(xiàn)僅僅確認(rèn)了T1Rs受體家族對甜和鮮味群的識別作用,其轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制還有賴于更先進(jìn)、更精確、更敏感的研究方法進(jìn)一步揭示。味覺傳導(dǎo)的未來發(fā)展方向?qū)⒓醒芯课队X信息在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中是如何進(jìn)行的。隨著對味覺理解的加深,不僅可以通過不同物質(zhì)的組合產(chǎn)生新的可口的味道,提高我們的生活質(zhì)量,而且可以讓有味覺障礙的人也能品嘗到食物的美味。牛的味覺是很發(fā)達(dá)的,有比人類更敏感的味覺感受系統(tǒng),但目前對該受體家族的研究主要集中在小鼠和人上,在牛上這方面的研究非常少。良好的味覺能夠促進(jìn)牛的食欲,提高采食量,促進(jìn)生長發(fā)育,所以應(yīng)該加強(qiáng)牛在這個(gè)方面的研究。

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