睪丸味覺受體細胞及其苦味感知

王雪，劉陽，王金丹，張金友，張瑩，劉勝軍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動物科技學(xué)院，大慶 163319）

味覺是人體重要的生理感覺之一，并很大程度上決定了我們的飲食習(xí)慣。味覺的感受主要由味蕾上的味覺細胞所介導(dǎo)并涉及到一系列復(fù)雜的信號傳導(dǎo)過程。一般認為，具有酸、甜、苦、咸、鮮、脂等六種基本味覺感知，分別由各自受體感受細胞和不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來識別的[1-4]。酸、咸味是通過專門的膜通道直接激活來調(diào)節(jié)味覺受體細胞功能[5-6]。然而，甜、苦和鮮味的轉(zhuǎn)導(dǎo)是由G 蛋白偶聯(lián)受體（G Protein-Coupled Receptors，GPCR）家族中兩類受體，即味覺受體1 型（Taste 1 Receptor，T1R）和味覺受體2型（Taste 2 Receptor，T2R）介導(dǎo)的[7-8]。脂味是由脂味受體及其下游信號通路CD36 參與的長鏈脂肪酸的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[9]。呈味物質(zhì)刺激口腔內(nèi)的味覺感受體，然后通過一個收集和傳遞信息的神經(jīng)感覺系統(tǒng)傳導(dǎo)到大腦的味覺中樞，最后通過大腦的綜合神經(jīng)中樞系統(tǒng)的分析，從而產(chǎn)生味覺。我們一直認為味覺僅存在口腔（味蕾）中，越來越多的研究揭示了味覺受體及其信號級聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)在非味覺組織中表達[10]，如包括呼吸系統(tǒng)[11]、消化[12]系統(tǒng)、大腦[13]、以及睪丸[14-18]和卵巢[19]等器官。盡管非味覺組織的味覺受體功能作用尚未明確，人們已經(jīng)開始假設(shè)舌以外組織中味覺受體的生理作用。越來越多的研究都聚焦在腸道和氣道上的味覺功能，T1R 在腸道上廣泛分布，因此假定甜味與葡萄糖感應(yīng)、進食和肥胖有關(guān)[20]。此外，已報道T2R 在腸道[21]、肺[22]和大腦中廣泛表達[23]，由此相信這些苦味受體的表達似乎可幫助機體避免攝入有毒有害物質(zhì)，如豬傳染性胃腸炎病毒導(dǎo)致的腹瀉[24]，T2R是否能夠識別這些危險的毒素仍需進一步探索。然而，T1R 和T2R 在包括大腦和睪丸在內(nèi)的其他組織中的表達進一步表明，除了味覺受體以外，味覺感受器可能也具有不尋常的生理功能和味覺生物學(xué)功能。

生殖系統(tǒng)一直被認為是胚胎發(fā)育和生殖生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而對生殖系統(tǒng)的化學(xué)感知，即睪丸如何感知化合物來調(diào)控精子發(fā)生過程的研究知之甚少。近幾年的研究[14-18]揭示了雄性和雌性的生殖系統(tǒng)均表達相應(yīng)的味覺受體，可感知到味覺。同時睪丸也是一種“味覺”感受器官，精子中也存在味覺感受器—味覺受體細胞（taste receptor cells）。已觀察到味覺受體及其耦合的味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)也在小鼠和人類精子發(fā)生的不同階段和成熟精子中表達，猜測精子可利用味覺受體檢測雌性生殖道內(nèi)環(huán)境，在雌性生殖道細菌分泌的毒素識別中發(fā)揮重要的作用，以及在精子—卵子結(jié)合的過程中味覺受體可能參與化學(xué)感知。近年來，有關(guān)味覺研究的學(xué)者們主要從分子和蛋白水平，從舌切入到睪丸味覺的相關(guān)研究取得了突破性成果[14-18]。在這篇綜述中，主要介紹味覺受體家族和信號分子，睪丸味覺受體的分布及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及苦味受體介導(dǎo)的睪丸苦味感知等研究進展。以期對精子發(fā)生過程的化學(xué)感知機制引起關(guān)注，同時為研究精卵相互作用的調(diào)控機理，以及睪丸的生殖毒理方向研究提供新的突破口。

1 味覺受體家族和信號分子

1.1 味覺受體

目前研究得較為清楚的人和哺乳動物味覺受體是由G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）第3 亞型介導(dǎo)的，主要包括兩個家族：T1Rs（T1R1、T1R2 和T1R3）和T2Rs家族。T1Rs 家族編碼甜味和鮮味受體蛋白，而T2Rs編碼苦味受體識別苦味質(zhì)[6-7]。T2Rs 由多亞型成員組成，具有物種特異性，包括人類約25 種和嚙齒動物約35 種苦味受體基因，負責(zé)識別苦味 物 質(zhì)[7，21，25]。T2Rs 受體激活后引發(fā)一種先天的厭惡反應(yīng)，避免攝入一些潛在的毒性物質(zhì)。人口腔中的苦味細胞并不都表達所有25 種苦味受體基因，其在不同個體具有T2Rs 亞型的不同表達譜[26]。單個味覺細胞可表達多種T2Rs 受體[1]，提示一個味覺細胞可表達多種T2Rs，同時也解釋了人類無法辨別結(jié)構(gòu)不同的苦味質(zhì)的觀點。但一個味覺細胞究竟可以感知多種還是只可以感知一種苦味質(zhì)，目前尚有分歧[27]。qPCR 分析進一步表明，小鼠的35 個苦味基因在睪丸中均存在表達[17]。研究結(jié)果顯示小鼠苦味受體基因T2R135、T2R143在小鼠睪丸支持細胞表達（數(shù)據(jù)未顯示）。不僅苦味受體在生殖系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)，生殖系統(tǒng)中同時還存在甜味和鮮味受體。研究報道指出T1Rs（T1R1、T1R2和T1R3）在睪丸中都有表達[16，28-29]。此外，研究表明T1Rs 的沉默或減少會顯著影響精子的產(chǎn)生，從而影響生育能力[30-33]。免疫組化Anti-T1R3 染色顯示，T1R3在部分精母細胞、圓形精子和睪丸間質(zhì)細胞中表達[16]。對T1R1 基因敲除小鼠的研究表明，味覺受體可以通過調(diào)節(jié)精子內(nèi)部cAMP 水平來調(diào)控頂體自發(fā)性反應(yīng)[16]。T1R2 在T1R2-LacZ 基因敲除鼠的初級精母細胞和精原細胞中表達[29]。

1.2 味覺信號分子

苦味受體屬于GPCR，其G 蛋白也有α、β、γ 三個亞單位組成。其α 亞單位，即α-味導(dǎo)素（α-gustducin）是一種味覺特異性G 蛋白，屬于Gi 亞種。1992年，McLaughlin 等[34]從味蕾中首次鑒定出G 蛋白α亞基：α-gustducin。隨后大量的體外實驗及在αgustducin 基因敲除小鼠上的研究表明，α-gustducin確實參與甜味、鮮味和苦味的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，α-gustducin 基因敲除小鼠的單個味蕾中苦味細胞的數(shù)量和敏感性都明顯降低[35]。與此同時，T2Rs 選擇性地在α-gustducin 陽性細胞中表達，但不是所有的α-gustducin 陽性細胞都表達T2Rs。α-gustducin 除在味蕾中表達外，在胃、胰臟、十二指腸、睪丸和成熟精子味細胞樣化學(xué)感受細胞中也有表達[36]。從此揭開了睪丸味蛋白研究的新篇章。在此基礎(chǔ)上的研究表明，αgustducin 廣泛分布在睪丸的基底室和管腔室[14]，并且Gγ13 在小鼠卵巢、子宮和輸卵管中存在表達[19]。

瞬時受體勢離子通道M5（transient receptorpotential ion channel M5，TRPM5）是一個分布于II 型味覺細胞中的電壓敏感型離子通道。早期研究證實TRPM5 對甜味，苦味以及鮮味的感受起到了關(guān)鍵作用。此外，近期研究也表明TRPM5 與T2R 受體共存，并且證明TRPM5 可以被味覺受體通過磷脂酶C（Phospholipases C，PLC）所激活。TRPM5 基因敲除的小鼠表現(xiàn)出苦味味覺缺失[37]。磷脂酶Cβ2（phospholipase Cβ2，PLCβ2）是由G 蛋白βγ 亞基調(diào)控的。研究證實，與α-gustducin 形成異聚體的β3γ13 調(diào)控該效應(yīng)酶。在PLCβ2 基因敲除的小鼠中，苦味味覺喪失[37]。與苦、甜、鮮味轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相關(guān)的信號分子PLCβ2 和TRPM5 在人睪丸和精子中也得到表達[18]。IP3（三磷酸肌醇）和PDE（磷酸二酯酶）是苦味信號轉(zhuǎn)導(dǎo)下游重要的效應(yīng)分子。IP3 是一種水溶性小分子物質(zhì)，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的特異Ca2+離子通道結(jié)合后，使貯存于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+釋放至胞漿，引起細胞膜的超極化[17]。

2 睪丸味覺受體的分布及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

睪丸內(nèi)的兩種體細胞，即間質(zhì)細胞和支持細胞，協(xié)同介導(dǎo)精子發(fā)生過程。支持細胞為生殖細胞發(fā)育和成熟提供營養(yǎng)物質(zhì)，吞噬生精后的殘體，以及協(xié)助成熟精子遷入管腔。間質(zhì)細胞在黃體生成素（LH）刺激時產(chǎn)生睪酮，與支持細胞在促卵泡激素（FSH）刺激下產(chǎn)生的雌激素共同參與下丘腦-垂體-性腺（HPG）軸的精準調(diào)控。此外，由于生殖細胞不具備FSH 和睪酮受體，支持細胞是主要的細胞靶點，用于激素信號傳導(dǎo)，因此激素對生殖細胞發(fā)育的影響是間接的。最近研究揭示的成果表明[1，14，16，18，38]：首先，味覺感受器，包括苦味感受器、甜味感受器和鮮味感受器，在精原細胞到精子細胞，甚至成熟精子的多個階段都被檢測到。其次，味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)包括味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)素（αgustducin）、PLCβ2 和Gγ13，在從精原細胞到精子細胞的多個精子發(fā)生階段中觀察到。第三，味覺受體（T1Rs 和T2Rs）和味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)（α-gustducin 和Gγ13）已在睪丸中發(fā)現(xiàn)，包括生殖細胞，睪丸間質(zhì)細胞和支持細胞。最后，在前腦區(qū)域，包括下丘腦、海馬、韁核和皮質(zhì)中也報道了味覺受體和味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)基因的表達。有趣的是，研究結(jié)果顯示味覺受體基因（T1R1、T1R2 和T1R3）及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（α-gustducin）在大腦嗅球中表達（數(shù)據(jù)未發(fā)表），而對于味覺受體是否也在垂體中表達仍需進一步探索。

味覺受體和味質(zhì)（tastants）結(jié)合后，可引起換能級聯(lián)反應(yīng)（transduction cascades），激活突觸并產(chǎn)生神經(jīng)沖動。通過與細胞表面受體相互作用后啟動下游信號級聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)的化學(xué)配體結(jié)合的能量和離子通量導(dǎo)致膜電位的變化，最后感覺神經(jīng)末梢將味覺細胞的興奮傳入大腦中樞，產(chǎn)生味覺感受。在睪丸中存在著苦、甜、鮮3 種味覺受體及其相關(guān)的味覺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，由α-gustducin、Gβ3 和γ13 亞基以及依賴Ca2+參與的信號通路。味覺受體廣泛分布于精原細胞和精子中引發(fā)推測，味覺受體可能在生殖生理中發(fā)揮主要作用，并且睪丸下丘腦-垂體-性腺反饋回路中可能存在味覺受體及其味覺信號級聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分布（見圖1）。總之，目前的數(shù)據(jù)表明，T2Rs 和T1Rs 可參與精子發(fā)生的調(diào)控，并參與頂體和鞭毛的形成[7，14，16，38]，但是關(guān)于睪丸味覺受體T2Rs 和T1Rs 及其味覺相關(guān)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子α-gustducin、Gγ13、PLCβ2 和TRPM5 是如何協(xié)調(diào)進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的還需進一步研究。

圖1 睪丸下丘腦-垂體-性腺反饋回路中味覺受體及其味覺信號級聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)可能分布情況Fig.1 The possible distribution of taste receptors and their taste signaling cascades in testis hypothalamuspituitary-gonad feedback loops

3 苦味受體介導(dǎo)的睪丸苦味感知

哺乳動物精子是在睪丸的精曲精管中產(chǎn)生的。精子發(fā)生和精子成熟易受內(nèi)外多因素的影響。數(shù)以百萬計的精子必須經(jīng)過漫長的旅程才能到達雌性生殖道深處的目的地。為此，哺乳動物精子應(yīng)該具有獨特的化學(xué)感應(yīng)能力，可以感知所在環(huán)境或與卵細胞的動態(tài)接觸中發(fā)揮味覺感知功能[39]。然而，雄性生殖細胞如何與包括那些潛在有毒物質(zhì)在內(nèi)的這些元素相互作用并做出反應(yīng)，目前還知之甚少。以前的研究表明，精子發(fā)生過程易受許多內(nèi)部和外部因素的影響，包括環(huán)境因素、藥物、飲食選擇和生活方式等因素[40]。然而，對于這些因素如何改變雄性生殖細胞的發(fā)育和功能，或者在某些情況下，如何導(dǎo)致跨代表觀遺傳改變的機制知之甚少[41]。最近，一些研究揭示了味覺受體及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)在睪丸和精子中表達[15，16，18]，表明味覺受體可能參與調(diào)節(jié)精子發(fā)生和精子-卵母細胞受精的過程。奇怪的是，單個精子細胞和單個附睪精子細胞對苦味化合物的反應(yīng)不同，這表明T2Rs在精子細胞和精子中的分布不同[17]。如果單個精子細胞和精子具有特殊的T2Rs，則可以推測出精子通過感知局部環(huán)境的動態(tài)，可能為睪丸中的精子發(fā)生、雌性生殖道精子運輸和受精提供重要信息，也說明了T2Rs 可能參與了哺乳動物雄性生殖細胞與環(huán)境激活劑和毒物相互作用的新機制。

Finger 等[42]一直在研究獨立的化學(xué)感受細胞（solitary chemoreceptor cells，SCCs），2003 年研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠和小鼠的鼻腔存在SCCs，在人鼻腔的SCCs發(fā)現(xiàn)了味覺受體的表達。嚙齒動物的SCCs 包括T2Rs（苦味受體）和及其舌上的苦味細胞中的所有細胞機制。2010 年，Tizzano 等[43]報道說苦味化合物能促使味覺受體自動引發(fā)呼吸暫?！巴Ｖ购粑?、咳嗽和打噴嚏”。當(dāng)味覺受體與暴露在空氣中的有害物質(zhì)以及通過鼻腔中細菌滋生產(chǎn)生的有害化合物接觸時，會發(fā)送信號到三叉神經(jīng)，暫時抑制呼吸。這種反應(yīng)可能是阻止刺激物被吸入到肺部深處?？紤]到味覺受體在呼吸道的分布，細菌代謝產(chǎn)物和苦味分子激活鼻腔和肺的孤立化學(xué)感覺細胞，它們作為一種防御機制抵制刺激物吸入。因此，這些苦味受體可能在清除潛在有害物質(zhì)和啟動保護性反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，能夠避免呼吸道吸入有毒害物質(zhì)。同理認為，在哺乳動物雄性生殖細胞中表達的T2Rs 檢測苦味化合物，可能具有呼吸系統(tǒng)中相似的功能。大量天然存在的或合成的苦味物質(zhì)可以很容易地穿過細胞膜，能夠進入雄性和雌性生殖道并激活精子上的這些受體。已經(jīng)確定了小鼠睪丸中所有35 個T2Rs 基因的表達，特別是在減數(shù)分裂后的生殖細胞中。鈣信號通路在從精子發(fā)生到受精過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[44]。T2Rs介導(dǎo)的細胞內(nèi)鈣濃度增加可能會影響DNA 改變、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、精子活力和受精。據(jù)報道，Gustducin 在精子細胞中表達[36]，如果敲除α-gustducin基因就會消除精子對幾種苦味劑的鈣反應(yīng)，表明睪丸T2Rs 利用類似的口腔苦味受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[17]，即利用由α-gustducin、Gβ3 和γ13 亞基以及PLCβ2和IP3R3 組成的異源G 蛋白三聚體，以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+參與的信號通路。但需要進一步的研究來描述T2R 介導(dǎo)的鈣信號通路及其在睪丸中的調(diào)節(jié)機制。

綜上所述，苦味受體廣泛分布于生精細胞和精子中，精子可利用味覺受體檢測雌性生殖道內(nèi)的毒素，在精-卵結(jié)合的過程中參與化學(xué)感知。

4 展望

睪丸味覺受體細胞受到味質(zhì)刺激后，經(jīng)過細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)后激活睪丸間質(zhì)細胞釋放睪酮和雌激素激活味覺受體，將味覺信號傳入神經(jīng)中樞進行加工處理，最后把信息反饋到睪丸細胞，進而調(diào)控生殖系統(tǒng)生理功能，如參與精子發(fā)生的調(diào)控，頂體和鞭毛的形成，生殖細胞的增殖、分化的調(diào)控。味覺受體廣泛分布于睪丸中，味覺受體可能在中草藥及毒素的抗生育作用中發(fā)揮主要作用，并且睪丸中味覺受體及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)受下丘腦—垂體—性腺反饋回路的調(diào)控，以及在精—卵結(jié)合的過程中，味覺受體可能參與化學(xué)感知，但具體的信號傳遞途徑還有待進一步研究。

從發(fā)育生物學(xué)角度，味覺感受作為一類化學(xué)感覺，從舌頭一直延伸到睪丸，應(yīng)該是從原始的趨化性中演化形成的，生物體為了適應(yīng)外部環(huán)境與體內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜化與精密的代謝調(diào)控，從原始的化學(xué)感覺細胞分化出舌面味蕾細胞及睪丸味細胞來執(zhí)行不同的功能。睪丸味覺感受器、口腔味覺感受器和感覺神經(jīng)系統(tǒng)共同組成人類和哺乳動物的味覺系統(tǒng)。然而，口腔和睪丸中味覺相關(guān)因子表達之間的關(guān)聯(lián)性及兩者的信息如何在神經(jīng)中樞進行加工整合，還知之甚少，將成為味覺生物學(xué)的研究熱點之一。