味覺是重要的生理感覺之一，比如我們?nèi)说奈队X能分出五種味道：甜、酸、苦、鮮、咸。味覺不僅僅決定著吃起來是否可口，還在很大程度上決定著動物對飲食的選擇，使其能根據(jù)自身需要及時補充有利于生存的營養(yǎng)物質(zhì)，同時避免攝食有害物質(zhì)。
其中，甜味就很重要，因為它能檢測食物中的糖分并調(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，浙江大學基礎醫(yī)學院/附屬第四醫(yī)院郭江濤研究員團隊與浙江大學醫(yī)學院/良渚實驗室的徐浩新教授團隊、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究員團隊、浙江大學醫(yī)學院附屬第四醫(yī)院/浙江大學“一帶一路”國際醫(yī)學院/浙江大學國際健康研究院蘇楠楠研究員團隊合作，選取遺傳學的經(jīng)典模式動物果蠅為研究對象，首次解析了味覺受體GR的三維結(jié)構(gòu)，闡明了糖分子激活GR的分子機制，解開了果蠅感知甜味的秘密。這項工作于北京時間2024年2月2日以長文形式在線發(fā)表于國際頂級期刊《科學》。
圖片昆蟲甜味受體GR感知糖分子的結(jié)構(gòu)基礎
實驗論證，感知糖分子的關(guān)鍵蛋白GR
感覺系統(tǒng)的奧秘是神經(jīng)學領域的重要研究對象，比如2004年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒給了“探尋嗅覺之謎”的研究成果，2021年兩位科學家因在感受溫度和觸覺方面的發(fā)現(xiàn)摘得諾獎。
味覺也是一大研究熱門。此前的研究表明，哺乳動物通過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受體GR的配體門控離子通道來“品嘗”酸甜苦。果蠅的GR家族包含68個成員，甜味感知是由其中的9個GR來介導，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)生電信號的？為了探明真相，研究團隊首先將GR43a和GR64a分別在體外重組表達在HEK293等細胞中，利用電生理和鈣成像技術(shù)證明了甜味受體GR43a和GR64a確實是糖分子激活的陽離子通道——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)，“四葉風車”暗藏玄機
實證之后，課題組希望能解開之前科學家們不甚明了的GR識別糖分子并產(chǎn)生味覺信號的過程之謎。
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”。
團隊發(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車：在風車的四周，是四個配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（LBD），可以結(jié)合配體糖分子；在風車的中間，來自四個亞基的S7b形成了離子通透的中央孔道，不過這個中央孔道在沒有結(jié)合糖分子的時候是處于關(guān)閉狀態(tài)的。同時，在GR通道胞內(nèi)區(qū)域的側(cè)面，相鄰兩個亞基之間存在一個側(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單個亞基的側(cè)視圖
C. 胞內(nèi)側(cè)四個側(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，團隊發(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能通過狹窄的口袋來識別糖分子，這個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“裝下”二糖，但不能穩(wěn)定結(jié)合單糖如葡萄糖和果糖。
“我們通過結(jié)構(gòu)比較、電生理、鈣成像、分子動力學模擬、分子對接等多種方法對GR識別糖分子的機制進行了系統(tǒng)分析，證實了GR的配體結(jié)合口袋比較淺，表面具有極性，可以選擇性地識別非揮發(fā)性、水溶性的糖分子，從而闡明了GR識別糖分子的機制?！惫瓭f。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
闡明機制，為研究感知系統(tǒng)打基礎
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，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，LBD的這種收縮移動通過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，細胞外的陽離子得以進入細胞內(nèi)，從而產(chǎn)生電信號。
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制，而且有助于未來指導開發(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，GR及其相近的嗅覺受體OR蛋白還可以感受信息素、溫度、光等多種化學和物理信號。因此，專家們認為，GR的這項工作打開了一扇大門，為進一步研究昆蟲感知外界信號的分子機制打下了基礎。
研究團隊主要成員合影
前排左起：王勇、葉繁、蘇楠楠、馬德敏、楊曉彤、劉強、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，浙江大學醫(yī)學院博士生馬德敏、浙江大學醫(yī)學院/良渚實驗室研究員胡美欽、浙江大學醫(yī)學院博士生楊曉彤和浙江大學醫(yī)學中心博士后劉強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，浙江大學醫(yī)學院博士生葉繁和蔡偉杰、浙江大學醫(yī)學院教授楊巍、浙江大學生命科學學院研究員王勇、中國海洋大學藥學院研究員徐錫明、浙江大學冷凍電鏡中心博士常圣海、中國科學院植物生理生態(tài)研究所王睿瑛、天津大學生命科學學院教授葉升也在其中做出了重要貢獻。
本研究受中國科學技術(shù)部、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、新基石項目、浙江省自然科學基金、國家杰出青年科學基金以及國家科技創(chuàng)新2030重大計劃等資助。
