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上科大刘志杰/华甜团队解析首个苦味受体结构并揭示其信号转导机制中的至简大道

日期:2022-09-16  浏览次数:202

供稿:刘志杰 华甜 (上海科技大学iHuman研究所)

9月16日,上海科技大学刘志杰华甜联合研究团队在Science期刊发表研究长文“Structural basis for strychnine activation of human bitter taste receptor TAS2R46”,在马钱子碱激活人源苦味受体TAS2R46的结构基础研究中取得重大原创性突破,在国际上首次揭开了苦味受体的“神秘面纱”

我国自古就有民以食为天的说法,烹饪饮食文化是人类文明史的重要组成部分,而味觉系统正是支撑饮食文化发展的重要自然基础。味觉是由存在于味蕾中的味觉受体介导产生的,人的味觉由酸、甜、苦、咸和鲜这五种基本味感组成。其中,苦味、甜味和鲜味受体属于G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR),而酸味和咸味的感知是通过人体中的另一类膜蛋白——离子通道受体完成的。各种味觉信号分子结合特定受体后启动胞内信号转导,从而激活味觉细胞使其分泌ATP,ATP作为一种神经递质激活感觉神经纤维,然后进一步经由特定的神经通路传递至不同脑区,从而产生不同的味觉感受。

苦味受体(type 2 bitter taste receptor, TAS2Rs)是味觉系统中比较特殊的一类受体,目前在人体细胞中已发现25个苦味受体。大多数有毒物质具有苦味,因此苦味受体具有规避有害食物防止中毒的重要作用。苦味受体与其它GPCR的序列同源性低,因此被单独归类为class T亚家族,该受体家族尚没有结构被解析,是GPCR结构生物学研究领域最后一块未被开垦的处女地。


不同苦味分子激活表达在味蕾上的苦味受体TAS2R46的艺术展示图(Julie Liu设计绘制)

上科大刘志杰与合作团队在过去几年中聚焦与重大疾病相关的GPCR研究,他们对大麻素受体的系统性研究成果(Hua T., Cell 2016; Hua T., Nature 2017; Li X., Hua T., Cell 2019; Hua T., Li X., Cell 2020)获得了2021年上海市自然科学一等奖。他们的研究成果还包括与免疫及癌症相关的靶点趋化因子受体CXCR2复合物(Liu K., Hua T., Nature 2020),与糖尿病药物相关靶点GLP1R(Song G., Nature 2017)以及与肥胖症及精神分裂症相关靶点五羟色胺2C复合物(Peng Y., Cell 2018)。

此次,刘志杰和华甜研究团队把研究目标聚焦于苦味受体TAS2R46,它是一个广谱类苦味感知受体,可以识别多种不同结构类型的苦味分子,包括马钱子碱、奎宁、夏至草素等。马钱子碱(Strychnine)是从马钱子中提取的生物碱分子,具有抗炎镇痛等药用效果,但同时也有较大毒性。据报道,马钱子碱是苦味受体TAS2R46最强的激动剂之一。除了口腔,苦味受体TAS2R46在呼吸道、肠道、脑和心脏等组织也有显著表达,被认为是哮喘的潜在药物靶点。但由于缺乏结构信息,苦味受体TAS2R46的配体识别模式、受体激活及信号转导机制等仍然未知,极大限制了人们对苦味受体的功能研究以及相关的药物研发。

Class T家族苦味受体作为GPCR家族中最后一个未被攻破的堡垒是有原因的,联合团队在破解苦味受体TAS2R46结构过程中遇到了前所未有的困难:苦味受体主要表达在味觉细胞表面,以往的GPCR表达技术并不直接适用。经过不断尝试,他们独辟蹊径地设计了几种非常规方法克服了TAS2R46受体在昆虫细胞里表达量低及复合物组装困难等一系列难题,使用单颗粒冷冻电镜技术成功解析了马钱子碱(strychnine)激活及无配体(apo)两种状态下TAS2R46受体与下游信号蛋白复合物的结构,首次揭示了苦味受体独特的三维结构及调控机制:马钱子碱分子结合在TAS2R46的正构口袋中,有意思的是,该口袋呈漏斗状,保守氨基酸W88充当底座并与TAS2R46中马钱子碱的苯环形成π-π相互作用,以实现对多种苦味分子的快速识别。

通过与其它激活态GPCR结构的比较分析,研究团队发现TAS2R46中存在一种新型激活开关(toggle switch)并且该受体采取了非常独特的激活模式。同时,TAS2R46构象动态的胞外域表明该受体可能存在多种配体结合模式来实现其广谱的配体识别能力。更重要的是,研究团队还意外发现TAS2R46与下游特有的G蛋白gustducin嵌合体存在预结合(pre-couple)的相互作用模式,这与GPCR先被配体调控后再结合G蛋白的传统激活模式完全不同。研究团队认为,由于苦味受体肩负保护人体免于中毒的预警任务,它们必须进化出高效监测食物中的大量味觉分子并迅速将苦味信号传递至大脑的能力。苦味受体这种在配体识别、激活及信号传递中所采用的删繁就简机制很好地体现了生命活动中的大道至简。


图|(A-B) 分别与马钱子碱(strychnine)结合 (A)和Apo状态 (B)的苦味受体TAS2R46与Gustducin嵌合体的复合物电镜结构;(C)不同状态下TAS2R46的结构比较以及参与受体激活的关键结构域;(D)马钱子碱在TAS2R46里的结合口袋和与其相互作用的关键氨基酸。

该研究为苦味受体的结构和机制研究开创了新的探索途径,填补了T类GPCR结构的空白,未来还将促进针对苦味受体的化学感知和药物候选分子的探索。

上海科技大学生命科学与技术学院2019级研究生胥维秀为该论文的第一作者;上海科技大学大道书院院长、iHuman 研究所执行所长、生命科学与技术学院教授刘志杰,iHuman 研究所研究员、生命科学与技术学院助理教授华甜为共同通讯作者。上海科技大学为该论文的第一完成单位。