来源:浙江大学 发布时间:2024/2/14 14:17:06
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昆虫如何“品尝”甜味?《科学》报道浙大研究新成果

 

味觉是重要的生理感觉之一,比如我们人的味觉能分出五种味道:甜、酸、苦、鲜、咸。味觉不仅仅决定着吃起来是否可口,还在很大程度上决定着动物对饮食的选择,使其能根据自身需要及时补充有利于生存的营养物质,同时避免摄食有害物质。

其中,甜味就很重要,因为它能检测食物中的糖分并调节碳水化合物的摄入。那么,甜味是如何被感知的呢?

近日,浙江大学基础医学院/附属第四医院郭江涛研究员团队与浙江大学医学院/良渚实验室的徐浩新教授团队、中国科学院分子植物科学卓越创新中心范敏锐研究员团队、浙江大学医学院附属第四医院/浙江大学“一带一路”国际医学院/浙江大学国际健康研究院苏楠楠研究员团队合作,选取遗传学的经典模式动物果蝇为研究对象,首次解析了味觉受体GR的三维结构,阐明了糖分子激活GR的分子机制,解开了果蝇感知甜味的秘密。这项工作于北京时间2024年2月2日以长文形式在线发表于国际顶级期刊《科学》。


图片昆虫甜味受体GR感知糖分子的结构基础

实验论证,感知糖分子的关键蛋白GR

感觉系统的奥秘是神经学领域的重要研究对象,比如2004年诺贝尔生理学或医学奖颁给了“探寻嗅觉之谜”的研究成果,2021年两位科学家因在感受温度和触觉方面的发现摘得诺奖。

味觉也是一大研究热门。此前的研究表明,哺乳动物通过G蛋白偶联受体等感知味道,而昆虫则利用一类称为味觉受体GR的配体门控离子通道来“品尝”酸甜苦。果蝇的GR家族包含68个成员,甜味感知是由其中的9个GR来介导,比如,GR43a感知果糖,而GR64a可以感受蔗糖和麦芽糖等多种糖。

究竟GR是不是直接感受糖分子并产生电信号的?为了探明真相,研究团队首先将GR43a和GR64a分别在体外重组表达在HEK293等细胞中,利用电生理和钙成像技术证明了甜味受体GR43a和GR64a确实是糖分子激活的阳离子通道——GR43a可以被单糖果糖特异性激活,而不能被葡萄糖或二糖如蔗糖和麦芽糖激活;相反,GR64a可以被二糖(蔗糖和麦芽糖)特异性激活,但不能被单糖如果糖和葡萄糖激活。

解析结构,“四叶风车”暗藏玄机

实证之后,课题组希望能解开之前科学家们不甚明了的GR识别糖分子并产生味觉信号的过程之谜。

研究的第一步是先要“看清它”。课题组利用单颗粒冷冻电镜技术,解析了GR43a和GR64a在未结合糖分子和结合糖分子后的高分辨率三维结构,解开了GR43a和GR64a的神秘“面纱”。

团队发现,GR43a和GR64a是以同源四聚体的形式存在,从上往下看就像是一枚四叶风车:在风车的四周,是四个配体结合结构域(LBD),可以结合配体糖分子;在风车的中间,来自四个亚基的S7b形成了离子通透的中央孔道,不过这个中央孔道在没有结合糖分子的时候是处于关闭状态的。同时,在GR通道胞内区域的侧面,相邻两个亚基之间存在一个侧腔,形成潜在的离子通透路径。

未结合配体的GR43a的结构(GR43aapo)

A. GR43aapo密度图的侧视图和俯视图

B. GR43aapo单个亚基的侧视图

C. 胞内侧四个侧腔离子通透孔径表面模型的俯视图(左)

和侧腔离子通透孔径的范德华半径(右)

而在结合糖分子之后的GR结构中,团队发现,糖分子结合在LBD的配体结合口袋里,主要与周围氨基酸发生氢键和CH-π相互作用。GR43a能通过狭窄的口袋来识别糖分子,这个口袋既不能容纳二糖,也不能稳定容纳葡萄糖。GR64a则用更大更平坦的口袋来“装下”二糖,但不能稳定结合单糖如葡萄糖和果糖。

“我们通过结构比较、电生理、钙成像、分子动力学模拟、分子对接等多种方法对GR识别糖分子的机制进行了系统分析,证实了GR的配体结合口袋比较浅,表面具有极性,可以选择性地识别非挥发性、水溶性的糖分子,从而阐明了GR识别糖分子的机制。”郭江涛说。GR43a和GR64a中糖分子的结合模式


A. GR43a LBD中果糖结合口袋的表面模型

B.果糖与周围氨基酸的相互作用

C. GR64a LBD中蔗糖结合口袋的表面模型

D.蔗糖与周围氨基酸的相互作用

E. GR64a LBD中麦芽糖结合口袋的表面模型

F.麦芽糖与周围氨基酸的相互作用

阐明机制,为研究感知系统打基础

糖分子结合前后的结构都看清楚了,但关键的激活这一步是如何发生的呢?

为了揭示糖分子结合如何引起GR通道孔道开放,研究人员引入了一个组成型激活突变体GR43a-I418A,成功获得了结合果糖的开放态的GR43a的结构。原来,果糖分子结合到GR43a配体结合结构域LBD后,引起跨膜螺旋S5和S6朝向配体结合口袋中心移动,LBD的这种收缩移动通过S5和S7之间的氢键和疏水相互作用传递到组成中央孔道的S7b,引起了S7b的弯曲。随着S7b弯曲,GR43a的中央孔道打开,细胞外的阳离子得以进入细胞内,从而产生电信号。

果蝇感知甜味的谜底由此揭开。


果糖激活GR43a的模型

研究成果不仅系统地阐明了糖分子如何结合并激活果蝇甜味受体的分子机制,而且有助于未来指导开发新型害虫引诱剂或驱虫剂,用于防治害虫。

除了感受味觉,GR及其相近的嗅觉受体OR蛋白还可以感受信息素、温度、光等多种化学和物理信号。因此,专家们认为,GR的这项工作打开了一扇大门,为进一步研究昆虫感知外界信号的分子机制打下了基础。


研究团队主要成员合影

前排左起:王勇、叶繁、苏楠楠、马德敏、杨晓彤、刘强、蔡伟杰

后排左起:范敏锐、郭江涛、徐浩新、胡美钦

本研究论文中,浙江大学医学院博士生马德敏、浙江大学医学院/良渚实验室研究员胡美钦、浙江大学医学院博士生杨晓彤和浙江大学医学中心博士后刘强为论文共同第一作者。郭江涛、徐浩新、范敏锐、苏楠楠为该论文共同通讯作者。

此外,浙江大学医学院博士生叶繁和蔡伟杰、浙江大学医学院教授杨巍、浙江大学生命科学学院研究员王勇、中国海洋大学药学院研究员徐锡明、浙江大学冷冻电镜中心博士常圣海、中国科学院植物生理生态研究所王睿瑛、天津大学生命科学学院教授叶升也在其中做出了重要贡献。

本研究受中国科学技术部、国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石项目、浙江省自然科学基金、国家杰出青年科学基金以及国家科技创新2030重大计划等资助。

 
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