味覺(jué)是重要的生理感覺(jué)之一，比如我們?nèi)说奈队X(jué)能分出五種味道：甜、酸、苦、鮮、咸。味覺(jué)不僅僅決定著吃起來(lái)是否可口，還在很大程度上決定著動(dòng)物對(duì)飲食的選擇，使其能根據(jù)自身需要及時(shí)補(bǔ)充有利于生存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)避免攝食有害物質(zhì)。
其中，甜味就很重要，因?yàn)樗軝z測(cè)食物中的糖分并調(diào)節(jié)碳水化合物的攝入。那么，甜味是如何被感知的呢？
近日，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院/附屬第四醫(yī)院郭江濤研究員團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院/良渚實(shí)驗(yàn)室的徐浩新教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究員團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)院/浙江大學(xué)“一帶一路”國(guó)際醫(yī)學(xué)院/浙江大學(xué)國(guó)際健康研究院蘇楠楠研究員團(tuán)隊(duì)合作，選取遺傳學(xué)的經(jīng)典模式動(dòng)物果蠅為研究對(duì)象，首次解析了味覺(jué)受體GR的三維結(jié)構(gòu)，闡明了糖分子激活GR的分子機(jī)制，解開了果蠅感知甜味的秘密。這項(xiàng)工作于北京時(shí)間2024年2月2日以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》。
圖片昆蟲甜味受體GR感知糖分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
實(shí)驗(yàn)論證，感知糖分子的關(guān)鍵蛋白GR
感覺(jué)系統(tǒng)的奧秘是神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，比如2004年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了“探尋嗅覺(jué)之謎”的研究成果，2021年兩位科學(xué)家因在感受溫度和觸覺(jué)方面的發(fā)現(xiàn)摘得諾獎(jiǎng)。
味覺(jué)也是一大研究熱門。此前的研究表明，哺乳動(dòng)物通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體等感知味道，而昆蟲則利用一類稱為味覺(jué)受體GR的配體門控離子通道來(lái)“品嘗”酸甜苦。果蠅的GR家族包含68個(gè)成員，甜味感知是由其中的9個(gè)GR來(lái)介導(dǎo)，比如，GR43a感知果糖，而GR64a可以感受蔗糖和麥芽糖等多種糖。
究竟GR是不是直接感受糖分子并產(chǎn)生電信號(hào)的？為了探明真相，研究團(tuán)隊(duì)首先將GR43a和GR64a分別在體外重組表達(dá)在HEK293等細(xì)胞中，利用電生理和鈣成像技術(shù)證明了甜味受體GR43a和GR64a確實(shí)是糖分子激活的陽(yáng)離子通道——GR43a可以被單糖果糖特異性激活，而不能被葡萄糖或二糖如蔗糖和麥芽糖激活；相反，GR64a可以被二糖（蔗糖和麥芽糖）特異性激活，但不能被單糖如果糖和葡萄糖激活。
解析結(jié)構(gòu)，“四葉風(fēng)車”暗藏玄機(jī)
實(shí)證之后，課題組希望能解開之前科學(xué)家們不甚明了的GR識(shí)別糖分子并產(chǎn)生味覺(jué)信號(hào)的過(guò)程之謎。
研究的第一步是先要“看清它”。課題組利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了GR43a和GR64a在未結(jié)合糖分子和結(jié)合糖分子后的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，解開了GR43a和GR64a的神秘“面紗”。
團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，GR43a和GR64a是以同源四聚體的形式存在，從上往下看就像是一枚四葉風(fēng)車：在風(fēng)車的四周，是四個(gè)配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（LBD），可以結(jié)合配體糖分子；在風(fēng)車的中間，來(lái)自四個(gè)亞基的S7b形成了離子通透的中央孔道，不過(guò)這個(gè)中央孔道在沒(méi)有結(jié)合糖分子的時(shí)候是處于關(guān)閉狀態(tài)的。同時(shí)，在GR通道胞內(nèi)區(qū)域的側(cè)面，相鄰兩個(gè)亞基之間存在一個(gè)側(cè)腔，形成潛在的離子通透路徑。
未結(jié)合配體的GR43a的結(jié)構(gòu)（GR43aapo）
A. GR43aapo密度圖的側(cè)視圖和俯視圖
B. GR43aapo單個(gè)亞基的側(cè)視圖
C. 胞內(nèi)側(cè)四個(gè)側(cè)腔離子通透孔徑表面模型的俯視圖（左）
和側(cè)腔離子通透孔徑的范德華半徑（右）
而在結(jié)合糖分子之后的GR結(jié)構(gòu)中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，糖分子結(jié)合在LBD的配體結(jié)合口袋里，主要與周圍氨基酸發(fā)生氫鍵和CH-π相互作用。GR43a能通過(guò)狹窄的口袋來(lái)識(shí)別糖分子，這個(gè)口袋既不能容納二糖，也不能穩(wěn)定容納葡萄糖。GR64a則用更大更平坦的口袋來(lái)“裝下”二糖，但不能穩(wěn)定結(jié)合單糖如葡萄糖和果糖。
“我們通過(guò)結(jié)構(gòu)比較、電生理、鈣成像、分子動(dòng)力學(xué)模擬、分子對(duì)接等多種方法對(duì)GR識(shí)別糖分子的機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)分析，證實(shí)了GR的配體結(jié)合口袋比較淺，表面具有極性，可以選擇性地識(shí)別非揮發(fā)性、水溶性的糖分子，從而闡明了GR識(shí)別糖分子的機(jī)制?！惫瓭f(shuō)。GR43a和GR64a中糖分子的結(jié)合模式
A. GR43a LBD中果糖結(jié)合口袋的表面模型
B.果糖與周圍氨基酸的相互作用
C. GR64a LBD中蔗糖結(jié)合口袋的表面模型
D.蔗糖與周圍氨基酸的相互作用
E. GR64a LBD中麥芽糖結(jié)合口袋的表面模型
F.麥芽糖與周圍氨基酸的相互作用
闡明機(jī)制，為研究感知系統(tǒng)打基礎(chǔ)
糖分子結(jié)合前后的結(jié)構(gòu)都看清楚了，但關(guān)鍵的激活這一步是如何發(fā)生的呢？
為了揭示糖分子結(jié)合如何引起GR通道孔道開放，研究人員引入了一個(gè)組成型激活突變體GR43a-I418A，成功獲得了結(jié)合果糖的開放態(tài)的GR43a的結(jié)構(gòu)。原來(lái)，果糖分子結(jié)合到GR43a配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域LBD后，引起跨膜螺旋S5和S6朝向配體結(jié)合口袋中心移動(dòng)，LBD的這種收縮移動(dòng)通過(guò)S5和S7之間的氫鍵和疏水相互作用傳遞到組成中央孔道的S7b，引起了S7b的彎曲。隨著S7b彎曲，GR43a的中央孔道打開，細(xì)胞外的陽(yáng)離子得以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，從而產(chǎn)生電信號(hào)。
果蠅感知甜味的謎底由此揭開。
果糖激活GR43a的模型
研究成果不僅系統(tǒng)地闡明了糖分子如何結(jié)合并激活果蠅甜味受體的分子機(jī)制，而且有助于未來(lái)指導(dǎo)開發(fā)新型害蟲引誘劑或驅(qū)蟲劑，用于防治害蟲。
除了感受味覺(jué)，GR及其相近的嗅覺(jué)受體OR蛋白還可以感受信息素、溫度、光等多種化學(xué)和物理信號(hào)。因此，專家們認(rèn)為，GR的這項(xiàng)工作打開了一扇大門，為進(jìn)一步研究昆蟲感知外界信號(hào)的分子機(jī)制打下了基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)主要成員合影
前排左起：王勇、葉繁、蘇楠楠、馬德敏、楊曉彤、劉強(qiáng)、蔡偉杰
后排左起：范敏銳、郭江濤、徐浩新、胡美欽
本研究論文中，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生馬德敏、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院/良渚實(shí)驗(yàn)室研究員胡美欽、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生楊曉彤和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)中心博士后劉強(qiáng)為論文共同第一作者。郭江濤、徐浩新、范敏銳、蘇楠楠為該論文共同通訊作者。
此外，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生葉繁和蔡偉杰、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授楊巍、浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員王勇、中國(guó)海洋大學(xué)藥學(xué)院研究員徐錫明、浙江大學(xué)冷凍電鏡中心博士常圣海、中國(guó)科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所王睿瑛、天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授葉升也在其中做出了重要貢獻(xiàn)。
本研究受中國(guó)科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新基石項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金以及國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大計(jì)劃等資助。
