昆虫依靠称为味觉受体（GRs）的七次跨膜蛋白家族来编码不同的味觉模式，例如甜味和苦味。2024年2月2日，浙江大学郭江涛、徐浩新、苏楠楠、中国科学院分子植物科学卓越创新中心范敏锐共同通讯在Science 在线发表题为“Structural basis for sugar perception by Drosophila gustatory receptors”的研究论文，该研究报道了果蝇甜味受体GR43a和GR64a在apo和糖结合状态下的结构。

两种GRs都形成四聚体糖门控阳离子通道，由一个中心孔结构域（PD）和四个外周配体结合结构域（LBDs）组成。GR43a被LBD中与窄口袋结合的单糖果糖特异性激活，而二糖蔗糖和麦芽糖通过与LBD中更大、更平坦的口袋结合来选择性地激活GR64a。糖与LBD结合诱导局部构象变化，随后转移到PD以导致通道打开。该研究揭示了糖识别和激活GRs的结构基础。

动物使用味觉感觉系统来检测营养食品成分并避免有毒化合物。人类有五种味觉，即甜、苦、咸、酸和鲜味。在果蝇等昆虫中，各种味道也可以引起甜、苦、咸和酸的味觉。

在果蝇中，味觉知觉是通过味觉受体神经元中表达的特定受体对味觉分子的识别而启动的，味觉受体神经元位于外部味觉器官（如前翅缘、腿和标签）以及长鼻内的三个内部味觉器官上。在果蝇的不同味觉受体蛋白中，味觉受体（GRs）在甜味、苦味和其他味觉中起主要作用。

果蝇GR家族与嗅觉受体（OR）家族有远亲关系，由68个成员组成，它们都共享一个七次跨膜蛋白（7TM）螺旋结构域和一个相对保守的C末端基序。GR被提议用作配体门控离子通道，代表最大的离子通道家族之一。GR赋予各种化学和物理刺激的感觉，如甜味和苦味味，CO₂、信息素、温度、光和驱虫剂。其中，甜味尤为重要，因为它在检测糖分和调节碳水化合物摄入量方面的作用。甜味觉主要由9种GRs介导，包括 GR5a、GR43a、GR61a 和 GR64a-f。

GR5a、GR61a 和 GR64a-f 属于甜味受体的一个分支，这些受体是感知外周味觉受体神经元中多种糖所必需的。作为另一个GR分支中的保守果糖特异性受体，GR43a 在果蝇大脑中起营养传感器的作用，并在控制摄食行为中发挥关键作用。此外，GR43a 是果蝇幼虫中的主要糖受体。在这些糖受体中，GR64a 不仅介导对天然糖的感知，还介导对人造甜味剂三氯蔗糖的感知。

GR43a和GR64a的结构（Credit: Science）

尽管果蝇甜味受体的遗传学和体内生理学已被广泛研究，但潜在的分子机制在很大程度上仍然未知。例如，这些甜味受体的糖选择性需要在体外澄清。此外，不同遗传资源对糖的感知的结构基础有待实验研究。

在这项研究中，作者们对果蝇甜味受体GR43a和GR64a进行了功能、结构和结构引导的突变研究。通过测定两种GRs在载脂蛋白和糖结合状态下的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，揭示了单糖和双糖选择性结合和激活不同GR的结构和功能机制。该研究证明了甜味受体GR是糖分子激活的阳离子通道，解析了甜味受体GR43a和GR64a在未结合糖分子和结合糖分子（果糖、蔗糖和麦芽糖）的三维结构，明确了糖分子与甜味受体GR的结合模式，阐明了糖分子激活GR43a的分子机制。

原文链接https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2609