苦味受體在呼吸系統(tǒng)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

唐 香,余善君,李 琪,2,3*,周向東,2,3

0 引言

呼吸道作為與外界直接相通的開放性管道,時刻面臨著各種吸入顆粒及病原體不同程度的侵襲,因此在抵御病原體入侵方面起著至關(guān)重要的防御屏障作用,而化學(xué)感覺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路恰好是呼吸系統(tǒng)細(xì)胞感受外界刺激的重要途徑。

研究表明,味覺受體不僅存在于舌頭的味蕾細(xì)胞中,還存在于呼吸、心血管、消化、生殖及中樞神經(jīng)系統(tǒng)等多個組織器官的化學(xué)感覺細(xì)胞中,并發(fā)揮活性功能。其中呼吸道中苦味受體(Bitter taste receptors,TAS2Rs)及其下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的表達(dá)尤為廣泛,可參與機(jī)體的多種重要生理信號調(diào)控[1-6]。本文主要就苦味受體在呼吸系統(tǒng)中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 苦味受體

G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors,GPCRs)是真核生物中規(guī)模最大、最具多樣化的一類膜受體,可被脂質(zhì)、糖、肽和蛋白質(zhì)形式的多種配體激活,將來自外界環(huán)境的信息傳遞到細(xì)胞中,以介導(dǎo)其相應(yīng)的功能反應(yīng),如調(diào)節(jié)嗅覺、味覺和視覺的感官功能,或參與分泌、代謝、神經(jīng)傳遞、細(xì)胞分化、炎癥和免疫反應(yīng)等多種生理過程[7-8]。味覺作為人類生活中最重要的感覺之一,可以分為甜、苦、鮮、咸和酸5種基本感覺形式。前三者的感覺是通過味蕾細(xì)胞中表達(dá)的GPCRs來傳遞,而后兩者的感覺是通過激活細(xì)胞膜上的離子通道,從而調(diào)節(jié)味覺受體細(xì)胞的功能[9-10]。

表達(dá)于呼吸系統(tǒng)中的TAS2Rs是一類感知苦味的七次跨膜的GPCR,2000年Adler教授和Matsunami教授研究組通過對DNA基因組序列數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索,發(fā)現(xiàn)人類和小鼠在基因遺傳圖譜上具有相同的苦味感知位點(diǎn)而被命名[11-12]。目前,在人類基因組中已發(fā)現(xiàn)25種TAS2Rs基因亞型,各亞型之間大約有30%～70%的氨基酸序列存在相似性,可分別位于5號染色體(5p15)和12號染色體(12p13)的短臂以及7號染色體(7q31)的長臂上,且基因的多樣性遠(yuǎn)豐富于鮮味受體及甜味受體[13-17]。此外,由于自然環(huán)境中的苦味物質(zhì)種類繁多,其結(jié)構(gòu)具有顯著差異。研究表明,同一種TAS2Rs具有多個配體結(jié)合位點(diǎn),人類基因組編碼的25 種TAS2Rs中,能夠識別的配體集合有19種,約占目前已知苦味化合物數(shù)據(jù)庫中的80%,其余孤兒受體的配體集合還有待探索[18-19 ]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)不同的苦味物質(zhì)作用于同一種TAS2Rs時,可感知相同的苦味覺,從而引起人體心理或生理上本能的厭惡反應(yīng),避免機(jī)體對有毒、有害物質(zhì)的攝取與吸收[20]。因此,某種程度上苦味的感知可被認(rèn)為是一種抵御有毒物質(zhì)的關(guān)鍵防御機(jī)制。

2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

TAS2Rs的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路十分復(fù)雜,因苦味化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有多樣性,因此其信號傳遞通路也可能有多種不同形式的轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑和信號因子參與。其中,苦感產(chǎn)生的大致過程是苦類化合物與味覺細(xì)胞頂部微絨毛上的TAS2Rs蛋白結(jié)合,然后經(jīng)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生興奮性信號,傳給中樞味覺神經(jīng)系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)[21]。

現(xiàn)有研究表明,肺部TAS2Rs的信號傳遞級聯(lián)反應(yīng)有3種,且彼此之間存在一定的關(guān)聯(lián)[7,9-10,22]。第1種起調(diào)節(jié)作用,通過G蛋白的α亞基激活磷酸二酯酶(PDE),使得細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷(cAMP)濃度降低,離子通道抑制作用解除,受體細(xì)胞去極化,ATP釋放。第2種是通過TAS2Rs同源的G蛋白β和γ亞基活化磷脂酶β2(PLCβ2),導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+釋放,激活瞬時受體電位陽離子通道(TRPM5),并通過鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)劑CALHM1或CALHM1/CALHM3離子通道觸發(fā)ATP釋放起作用。第3種是不需要G蛋白參與的轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng),苦味物質(zhì)與TAS2Rs直接結(jié)合,開放離子通道,產(chǎn)生信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。例如,奎寧等苦味配體與TAS2Rs直接結(jié)合,開放K+通道,引起K+內(nèi)流[23](見圖1)。

圖1 肺部苦味受體的3種信號傳遞路徑

3 TAS2Rs在呼吸系統(tǒng)細(xì)胞中的表達(dá)

根據(jù)組織器官的分布和表達(dá),傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為TAS2Rs僅在味蕾II 型味覺受體細(xì)胞中表達(dá)。而近年來大量研究表明,TAS2Rs還可在平滑肌細(xì)胞、纖毛細(xì)胞、簇細(xì)胞、免疫細(xì)胞及肺癌細(xì)胞等多種呼吸系統(tǒng)細(xì)胞中表達(dá),并參與調(diào)節(jié)宿主免疫功能、舒張平滑肌、促進(jìn)黏液-纖毛清除、抑制微生物感染、改善炎癥及氣道重塑等一系列病理生理過程[6,24]。

3.1 TAS2Rs在平滑肌細(xì)胞中的研究 氣道平滑肌(Airway smooth muscle,ASM)是影響氣道張力和呼吸生理學(xué)的主要細(xì)胞類型。有研究發(fā)現(xiàn),激活TAS2Rs能充分打開收縮的氣道,引起氣道平滑肌松弛和支氣管高效舒張,其強(qiáng)度可超過β2 腎上腺素的 3～4 倍,明顯高于目前臨床上治療 COPD 和哮喘的最佳藥物[25-26],且未發(fā)現(xiàn)存在類似β2 腎上腺素能受體脫敏、耐受等問題[27]。Pan等[28]研究表明,以TAS2Rs激動劑氯喹、奎寧及糖精對人ASM細(xì)胞進(jìn)行干預(yù),可顯著抑制ASM細(xì)胞增殖,并通過靶向阻斷磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,改善炎癥引起的氣道重塑。即使是在激動劑反復(fù)暴露的情況下,TAS2Rs 的表達(dá)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)或擴(kuò)張支氣管的功能也不會被影響[27,29]。此外,最近一項突破性的醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn),以TAS2Rs激動劑苦丁皂苷A激活TAS2Rs后,其誘導(dǎo)偶聯(lián)G蛋白(Gɑt)從TAS2R-Gɑt/Gβγ復(fù)合體中解離,然后通過與AChR結(jié)合,競爭性抑制AChR的偶聯(lián)G蛋白Gq功能,從而阻斷其下游誘導(dǎo)的鈣信號,使預(yù)收縮的ASM舒張[30]。該研究首次明確了激活TAS2Rs引起支氣管平滑肌擴(kuò)張的確切作用機(jī)制,為治療COPD和哮喘提供了新的藥物靶點(diǎn)。同時也表明了ASM在調(diào)節(jié)哮喘和COPD等阻塞性氣道疾病的病理及生理發(fā)展過程中起著十分關(guān)鍵的作用。

除了氣道平滑肌細(xì)胞,肺血管平滑肌細(xì)胞中也表達(dá)數(shù)種TAS2Rs,具有感知苦味刺激的能力。Manson等[31]從分離的人和嚙齒動物肺組織樣本中,檢測出肺血管平滑肌細(xì)胞表達(dá)的苦味受體(TAS2R3、TAS2R4、TAS2R10、TAS2R14),后者被多種苦味物質(zhì)(氯喹、苯甲地那銨、右美沙芬和奎寧等)激活后,能誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加,使預(yù)收縮的血管平滑肌松弛。此外,TAS2R激動劑所誘導(dǎo)的肺血管平滑肌舒張是獨(dú)立于功能性內(nèi)皮的,與內(nèi)皮衍生物的舒張介質(zhì)(NO或前列環(huán)素)無關(guān)[31-32]。有研究人員通過體外培養(yǎng)人肺血管內(nèi)皮細(xì)胞(Human pulmonary arterial endothelial cells,HPAECs)模型,發(fā)現(xiàn)HPAECs中也存在較為豐富的TAS2Rs,其中TAS2R10和TAS2R38高度表達(dá),可通過cAMP-Rac1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,降低LPS誘導(dǎo)的肺內(nèi)皮通透性和VE-肌鈣蛋白的表達(dá),從而改善肺血管內(nèi)皮屏障功能[33]。這項研究首次證實(shí)了人肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞中TAS2Rs的存在,對于未來開發(fā)降低急性呼吸窘迫綜合征(Acute respiratory distress syndrome,ARDS)中血管通透性的治療靶點(diǎn)至關(guān)重要。

3.2 TAS2Rs在呼吸道纖毛細(xì)胞中的研究 纖毛細(xì)胞是呼吸系統(tǒng)黏液-纖毛清除功能(Mucociliary clearance,MCC)防御作用機(jī)制的重要環(huán)節(jié),其纖毛節(jié)律性的運(yùn)動能將其所吸附的顆粒、病原微生物等異物通過氣道腔面液體層排出呼吸道,從而防止病原體入侵及可能的后續(xù)感染[34]。

目前,研究表明人呼吸道纖毛細(xì)胞具有可利用味覺受體的化學(xué)反應(yīng)特性[35],其細(xì)胞TAS2Rs與呼吸道系統(tǒng)的免疫功能密切相關(guān),是人類呼吸道防御的“哨兵”[36]。當(dāng)機(jī)體受到外界物質(zhì)(如細(xì)菌產(chǎn)物)刺激時,口腔外的味覺受體可作為細(xì)菌“傳感器”,激活 TAS2R 受體下游的炎癥信號,增強(qiáng)黏液清除率、促進(jìn)抗菌肽分泌和發(fā)揮殺菌效應(yīng)[37]。目前,TAS2R38是較為明確的呼吸道受體亞型,人鼻腔鼻竇黏膜中的單體化學(xué)感受細(xì)胞(Solitary chemosensory cell,SCCs)和氣道纖毛上皮細(xì)胞中均有表達(dá)[38-39]。體內(nèi)研究表明,人呼吸道纖毛細(xì)胞中的TAS2R38與結(jié)合革蘭陰性細(xì)菌產(chǎn)生的酰基高絲氨酸內(nèi)酯(Acyl-homoserine lactones,AHLs)信號因子結(jié)合后,一方面可依賴激活下游鈣依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,促進(jìn)抗菌肽/NO合成與釋放,干擾細(xì)菌的黏附及細(xì)菌生物膜的形成,發(fā)揮殺菌效應(yīng);另一方面可介導(dǎo)產(chǎn)生的NO激活PKG和cGMP,增加纖毛波動頻率,增強(qiáng)呼吸道纖毛清除病原微生物的能力[40-41]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),TAS2R38基因位點(diǎn)的單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotide polymorphism,SNPs)不僅能影響機(jī)體對特定苦味劑感知的能力,還能影響其引起的免疫應(yīng)答和抗菌效應(yīng)[42]。在人上呼吸道纖毛上皮細(xì)胞中,T2R38 PAV/PAV基因型細(xì)胞感知銅綠假單胞菌AHL刺激,釋放NO殺滅細(xì)菌和增加纖毛清除率的能力明顯強(qiáng)于AVI/AVI或PAV/AVI基因型細(xì)胞[43];而在慢性鼻竇炎患者中,AVI/AVI基因型患者鼻腔分離細(xì)菌形成生物膜的能力則更強(qiáng)[44]。結(jié)果表明,TAS2Rs的功能遏制或表達(dá)缺陷可能會顯著影響呼吸道對病原體的易感性。

3.3 TAS2Rs在簇細(xì)胞中的研究 簇細(xì)胞是一類較為罕見的化學(xué)感覺上皮細(xì)胞,可通過細(xì)胞膜受體感受外界刺激,釋放生物活性物質(zhì)以調(diào)節(jié)機(jī)體免疫應(yīng)答。簇細(xì)胞可位于上下呼吸道、胃腸道和泌尿生殖等組織上皮中,具有與味蕾II型味覺細(xì)胞相同的細(xì)胞形態(tài)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路成分(如GNAT3、PLCB2、TRPM5)和基因表達(dá)譜[45]。

迄今為止,關(guān)于簇細(xì)胞的研究大多集中在胃腸道簇細(xì)胞中,而在呼吸道上皮細(xì)胞中較少,但與胃腸道簇細(xì)胞一樣,呼吸道簇細(xì)胞也可以通過檢測組織細(xì)胞內(nèi)微生物衍生的化學(xué)物質(zhì)來抵抗微生物感染。有研究發(fā)現(xiàn),在上呼吸道黏膜組織中,簇細(xì)胞具有同時表達(dá)苦味受體和甜味受體2/3(Sweet taste receptor,TAS1R2/TAS1R3)的能力,其中簇細(xì)胞的化學(xué)免疫感應(yīng)能力與抗菌肽的分泌以及肥大細(xì)胞脫顆粒有關(guān)[46]。當(dāng)人鼻竇上皮簇細(xì)胞TAS2Rs被激活后,可通過甜味TAS1R2-TAS1R3配體(包括細(xì)菌來源的D-氨基酸)的抑制過程刺激鄰近細(xì)胞釋放抗菌肽,發(fā)揮抗菌作用,表明苦/甜味受體激活水平和功能狀態(tài)的相互制衡可能是維護(hù)氣道微生態(tài)環(huán)境和防御力的重要環(huán)節(jié)[46-47]。此外,簇細(xì)胞激活還可以釋放IL-25,與呼吸道上皮細(xì)胞受外界有害物質(zhì)刺激時產(chǎn)生的其他細(xì)胞因子(TSLP、IL-33)共同調(diào)節(jié)固有免疫[48]。有研究者發(fā)現(xiàn),用苦味劑苯甲地那銨和銅綠假單胞菌衍生的群體感應(yīng)分子AHLs可激活鼻竇上皮簇細(xì)胞和氣道黏膜簇細(xì)胞TAS2Rs,引起簇細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度升高,增加ACh分泌,刺激三叉神經(jīng)纖維上的化學(xué)感受器,進(jìn)而產(chǎn)生神經(jīng)源性肥大細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和潛在的保護(hù)性呼吸中止反應(yīng)[49]。此外,氣道簇細(xì)胞的TAS2Rs級聯(lián)反應(yīng)還能通過自分泌功能協(xié)調(diào)細(xì)菌感染的2型免疫應(yīng)答[50]。綜上,在呼吸道中,苦味受體在防止細(xì)菌感染方面可能具有較好的防御作用。

3.4 TAS2Rs在免疫細(xì)胞中的研究 近年研究表明,TAS2Rs與多種免疫相關(guān)疾病有關(guān),是機(jī)體全身免疫功能的核心化學(xué)感受器,其調(diào)節(jié)的免疫反應(yīng)不僅能保護(hù)機(jī)體免受病原微生物的侵害,還能保持微生物群間的平衡。目前在外周血中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和肥大細(xì)胞等免疫細(xì)胞中,已明確發(fā)現(xiàn)表達(dá)功能性TAS2Rs[51-52]。

Maurer等[53]通過對7例志愿者的外周血進(jìn)行細(xì)胞熒光測定,發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞的TAS2R38與銅綠假單胞菌衍生的AHL-12特異性結(jié)合后,可激活細(xì)胞趨化及吞噬功能,在宿主對生物膜感染早期應(yīng)答過程中具有重要意義。Sharma等[54]在塵螨(House dust mite,HDM)和卵白蛋白(Ovalbumin,OVA)誘發(fā)的過敏性小鼠哮喘模型中證明了TAS2R激動劑(氯喹或奎寧)對免疫細(xì)胞浸潤以及細(xì)胞因子/趨化因子在肺中的釋放具有抑制作用。Gopallawa等[55]發(fā)現(xiàn),在巨噬細(xì)胞中也表達(dá)TAS2Rs,來自細(xì)菌的苦味代謝物可刺激TAS2Rs并激活鈣信號,導(dǎo)致NO合酶異構(gòu)體激活和NO產(chǎn)生,產(chǎn)生的NO通過蛋白激酶G增加細(xì)胞cGMP水平,上調(diào)巨噬細(xì)胞的吞噬作用。當(dāng)機(jī)體內(nèi)cAMP水平升高時,巨噬細(xì)胞的TAS2Rs還可通過百日咳毒素(Pertussis toxin,PTX)依賴性途徑,降低cAMP水平,以增強(qiáng)吞噬作用。此外,TAS2Rs激活還可通過拮抗LPS誘導(dǎo)的人外周血單核細(xì)胞和肺巨噬細(xì)胞炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生而發(fā)揮抗炎作用[56]。TAS2Rs的抗炎活性與SNPs同樣相關(guān),與無功能的AVI/AVI雙倍型相比,功能性PAV單倍型TAS2R38受體在激動劑刺激后表現(xiàn)出顯著抑制TNF-α釋放的作用[57]。在IgE受體激活的原代人肥大細(xì)胞中,TAS2Rs和TAS2Rs激動劑氯喹和苯甲地那銨結(jié)合可抑制組胺和PGD2的釋放[58]。除此之外,在嚴(yán)重哮喘兒童的血液白細(xì)胞中也檢測出較高水平的TAS2Rs表達(dá),其受體激活不僅可抑制成人全血細(xì)胞中多種促炎細(xì)胞因子和花生四烯酸類物質(zhì)的釋放,還能避免白細(xì)胞遷移[59]。上述研究結(jié)果表明,TAS2Rs可通過調(diào)節(jié)NK細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性、T細(xì)胞受體、趨化因子及TNF等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,參與調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)防御功能以及抑制細(xì)胞因子風(fēng)暴。

3.5 TAS2Rs在肺癌細(xì)胞中的研究 TAS2Rs在各種口腔外細(xì)胞中表達(dá)并具有功能活性,其遺傳變異性和由其激活引發(fā)的功能反應(yīng)引起廣泛關(guān)注。在癌癥細(xì)胞中,TAS2Rs可參與調(diào)控細(xì)胞凋亡與增殖的重要生理過程。在胰腺癌細(xì)胞中,細(xì)菌代謝物(AHL-12)激活TAS2R38,可引起細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)水平改變,使多重耐藥蛋白ABCB1基因表達(dá)上調(diào),降低腫瘤細(xì)胞的化療耐藥性[60]。研究表明,TAS2R10也可表達(dá)于人胰腺癌細(xì)胞中。當(dāng)用苦味劑咖啡因刺激癌細(xì)胞,可激活TAS2R10抑制Akt磷酸化,進(jìn)而下調(diào)另一種多重耐藥蛋白ABCG2的表達(dá),使細(xì)胞對化療藥物的敏感性增加[61]。此外,在人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中,TAS2R8和TAS2R10激活具有誘導(dǎo)抗癌干細(xì)胞反應(yīng)和抗腫瘤侵襲作用[62]。在前列腺癌和卵巢癌患者細(xì)胞中,TAS2R14激活可參與誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[63]。有報道,包括TAS2R4和TAS2R14在內(nèi)的TAS2Rs多態(tài)性變異與癌癥風(fēng)險增加相關(guān),與非癌細(xì)胞系相比,TAS2Rs在癌變中的基因表達(dá)主要以下調(diào)為主[64]。綜上,TAS2Rs可存在于致癌細(xì)胞中并具有功能活性。

雖然目前還沒有文獻(xiàn)對TAS2Rs與肺癌之間的關(guān)系進(jìn)行詳盡報道,但根據(jù)TGGA癌癥數(shù)據(jù)庫(The Cancer Genome Atlas)收錄的資料顯示,在人肺腺癌和肺鱗癌病例中已有部分TAS2Rs基因拷貝數(shù)目發(fā)生改變。國內(nèi)學(xué)者李松旻等[65]通過對POU2F3類簇細(xì)胞型小細(xì)胞肺癌系NCI-H526和NCI-H211進(jìn)行基因表達(dá)和細(xì)胞功能研究,發(fā)現(xiàn)NCI-H211細(xì)胞和簇細(xì)胞有著諸多共同特征：表達(dá)苦味受體基因(11種)以及包括α-gustducin、Gγ13、PLCβ2和TrpM5在內(nèi)的味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白。在H211細(xì)胞中,TAS2R10和TAS2R38表達(dá)水平較高,用苯甲地那銨和N-苯基硫脲分別刺激人小細(xì)胞肺癌系H211,可促進(jìn)H211細(xì)胞中COX2表達(dá)和PGE2合成?？梢奣AS2Rs是預(yù)測治療結(jié)果和指導(dǎo)治療方案選擇的潛在生物標(biāo)志物,有望成為刺激癌細(xì)胞凋亡的治療靶點(diǎn),但TAS2Rs影響肺癌細(xì)胞凋亡的具體機(jī)制還需進(jìn)一步研究確定。

4 小結(jié)

綜上所述,苦味受體可在呼吸系統(tǒng)細(xì)胞中廣泛表達(dá),其激活具有舒張平滑肌、促進(jìn)黏液-纖毛清除、抑制微生物感染、改善炎癥及氣道重塑等多種功效,對控制呼吸道疾病起到非常顯著的效果,現(xiàn)已成為治療此類疾病的理想候選成分。盡管已有較多進(jìn)展,但仍有許多問題亟待解決,如探索人類肺組織編碼的25種TAS2Rs細(xì)胞定位及其主要功能,呼吸道TAS2Rs激動劑在人體中的安全性和有效性。另外,由于TAS2Rs化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性,其受體特異性激動劑及阻斷劑的開發(fā)也亟待解決?？傊?TAS2Rs應(yīng)是一個有潛力的分子靶點(diǎn)。