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味覺是重要的生理感覺之一，比如我們人的味覺能分出五種味道：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，使其能根據自身需要及時補充有利于生存的營養物質，同時避免攝食有害物質。
其中，甜味就很重要，因為它能檢測食物中的糖分并調節碳水化合物的攝入。那么，甜味是如何被感知的呢？
近日，浙江大學基礎醫學院/附屬第四醫院郭江濤研究員團隊與浙江大學醫學院/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新中心范敏銳研究員團隊、浙江大學醫學院附屬第四醫院/浙江大學“一帶一路”國際醫學院/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的三維結構，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感知糖分子的結構基礎
實驗論證，感知糖分子的關鍵蛋白GR
感覺系統的奧秘是神經學領域的重要研究對象，比如2004年諾貝爾生理學或醫學獎頒給了“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現摘得諾獎。
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。
解析結構，“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，解析了GR43a和GR64a在未結合糖分子和結合糖分子后的高分辨率三維結構，解開了GR43a和GR64a的神秘“面紗”。
團隊發現，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，是四個配體結合結構域（LBD），可以結合配體糖分子；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合糖分子的時候是處于關閉狀態的。同時，在GR通道胞內區域的側面，相鄰兩個亞基之間存在一個側腔，形成潛在的離子通透路徑。
未結合配體的GR43a的結構（GR43aapo）
A. GR43aapo密度圖的側視圖和俯視圖
B. GR43aapo單個亞基的側視圖
C. 胞內側四個側腔離子通透孔徑表面模型的俯視圖（左）
和側腔離子通透孔徑的范德華半徑（右）
而在結合糖分子之后的GR結構中，團隊發現，糖分子結合在LBD的配體結合口袋里，主要與周圍氨基酸發生氫鍵和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，但不能穩定結合單糖如葡萄糖和果糖。
“我們通過結構比較、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分析，證實了GR的配體結合口袋比較淺，表面具有極性，可以選擇性地識別非揮發性、水溶性的糖分子，從而闡明了GR識別糖分子的機制。”郭江濤說。GR43a和GR64a中糖分子的結合模式
A. GR43a LBD中果糖結合口袋的表面模型
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，為研究感知系統打基礎
糖分子結合前后的結構都看清楚了，但關鍵的激活這一步是如何發生的呢？
為了揭示糖分子結合如何引起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，成功獲得了結合果糖的開放態的GR43a的結構。原來，果糖分子結合到GR43a配體結合結構域LBD后，引起跨膜螺旋S5和S6朝向配體結合口袋中心移動，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，從而產生電信號。
果蠅感知甜味的謎底由此揭開。
果糖激活GR43a的模型
研究成果不僅系統地闡明了糖分子如何結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新型害蟲引誘劑或驅蟲劑，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，浙江大學醫學院博士生馬德敏、浙江大學醫學院/良渚實驗室研究員胡美欽、浙江大學醫學院博士生楊曉彤和浙江大學醫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，浙江大學醫學院博士生葉繁和蔡偉杰、浙江大學醫學院教授楊巍、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。