酸甜苦咸鲜，正如人生百味。味觉作为哺乳动物最重要的感知功能之一，对人的生理功能有着重要影响。不同的人对于苦味的敏感程度各异，温和的苦味会产生令人不快的感觉，而强烈的苦味会导致恶心、呕吐和身体厌恶，开启人体防止摄入有害物质的保护机制。
味觉感知是一个复杂的化学感觉过程，其中苦味感知由 2 型味觉受体（TAS2R）或 T 类 G 蛋白偶联受体介导，研究表明对苦味的敏感性与人类苦味受体的基因突变有关。然而，目前苦味受体的蛋白结构一直不明，阻碍了人们对味觉背后详细分子机制的理解。
2022 年 9 月 15 日，上海科技大学刘志杰教授和华甜研究员联合在 Science 杂志发表研究论文 Structural basis for strychnine activation of human bitter taste receptor TAS2R46，首次揭开了苦味受体的「神秘面纱」。
该研究解析了人苦味受体成员之一——TAS2R46 与 mini-G 蛋白 gustducin 复合物的冷冻电子显微镜结构，描述了 TAS2R46 的结构特征，包括与已知 GPCR 相比的独特受体结构、新的「切换开关」、激活相关基序以及与 mini-G 蛋白预偶联。
有趣的是，TAS2R46 的动态胞外和更静态的胞内部分表明其可能存在不同的配体识别和激活过程，为进一步探索其他苦味受体及其治疗应用提供了重要的结构基础。
图 1：来源 Science
一、TAS2Rs：独特的苦味受体
在哺乳动物的五种味觉模式中，离子通道负责传递酸味和咸味信号，而苦、甜和鲜味由 G 蛋白偶联受体（GPCR）介导。1 型味觉受体（TAS1R）家族被分类为 C 类 GPCR，包括三个成员：TAS1R1、TAS1R2 和 TAS1R3，分别结合形成异质二聚体，可以感知甜味（TAS1R2+TAS1R3）和鲜味（TAS1R1+TAS1R3）。
与之相反，一组不同的 2 型味觉受体（TAS2Rs）负责识别数千种不同的苦味分子，它们具有不同的支架、形状和分子量，起着识别苦味进而防止有毒物质侵入的防御作用。TAS2R 不仅分布在口腔中，而且也广泛分布于口腔外组织中，包括上下呼吸道、肠道、脂肪组织、脑、胃、心脏和免疫细胞，涉及多种生理与病理过程的发展，因此其是极有应用前景的药物靶标。
毫无疑问，理解信号转导和相关药物发现的关键是解析味觉受体的蛋白结构，本研究利用冷冻电镜技术首次解析了苦味受体 TAS2R46 与 G 蛋白的复合物结构，揭开了苦味受体神秘的结构面纱。
图 2：来源 Science
二、首次解析苦味受体的蛋白结构——TAS2R46
马钱子在中医中通常被用作草药，其主要成分之一马钱子碱（strychnine）是一种有毒的苦生物碱，可用于治疗消化不良和疼痛等疾病，且可激活苦味受体 TAS2R46 介导的 G 蛋白 gustducin（Ggust）信号通路。
本研究克服大量的技术障碍，获得了分辨率高达 3.01Å、人 TAS2R46 与马钱子碱和 G 蛋白 gustducin 的复合物的结构。尽管该复合物结构具有典型的七跨膜的束拓扑，与其他家族中的 GPCR 结构类似，但其一些重要的螺旋和环具有不同的折叠特征，导致 TAS2R46 结构独特。
此外，本研究发现 TAS2R46 的细胞外部分是动态的，而细胞内部分更静态，复合物 miniGas/gust 的 α5 螺旋与细胞质亦形成了疏水和极性相互作用以及氢键作用力。揭示了氨基酸 W883 和 E265 在马钱子碱与 TAS2R46 结合过程中的作用，并解析了其单体状态到马钱子碱结合态转变的相关特征，确定了新的「拨动开关」氨基酸 Y241 被用于 TAS2R46 激活。这些特征表明 TAS2R46 可能具有不同的配体识别和活化过程。
总之，苦味受体 TAS2R46 显示出低序列同一性（<20%），与其他 GPCR 被分类为单独的 T 类 GPCR 亚家族，属于 GPCR 的最后一个无结构类。本研究也提供了对 T 类 GPCR 分子特征的见解。
图 3：来源 Science
三、TAS2R：巨大的药物靶标开发潜力
一直以来，苦味受体 TAS2R 吸引了研究者们极大的兴趣。
2022 年 8 月 1 日，南京大学医学院谢思静副教授课题组在 Stem Cell Research & Therapy 杂志发表研究论文 TAS2R supports odontoblastic differentiation of human dental pulp stem cells in the inflammatory microenvironment，该研究首次发现哺乳类动物感知苦味的受体（TAS2R）在人牙髓组织中存在表达，并参与调控人牙髓干细胞（hDPSC）向牙本质方向分化，这可能成为早期牙髓炎保守治疗的新靶点 [2]。此外，据报道家族成员之一——小鼠苦味受体 2 型成员 138（TAS2R138，人类 TAS2R38（T2R38）的同源物）与各种生理和疾病状况有关，包括先天免疫，肥胖和囊性纤维化 [3]。
蛋白结构决定功能，本研究首次揭示苦味受体的 3D 结构，为进一步探索其他苦味受体的结构和作用机制提供了良好的基础，将有助于未来针对苦味受体的候选药物开发及其治疗应用。
题图来源：参考文献[1]
参考文献：
1. Weixiu Xu et al. Structural basis for strychnine activation of human
bitter taste receptor TAS2R46.Science(2022) https://dx.doi.org/10.1126/science.abo1633
2.Kang W, Wang Y, Li J, et al. TAS2R supports odontoblastic differentiation of human dental pulp stem cells in the inflammatory microenvironment. Stem Cell Res Ther. 2022;13(1):374. Published 2022 Jul 28. doi:10.1186/s13287-022-03057-x
3. Pu Q, Guo K, Lin P, et al. Bitter receptor TAS2R138 facilitates lipid droplet degradation in neutrophils during Pseudomonas aeruginosa infection. Signal Transduct Target Ther. 2021;6(1):210. Published 2021 Jun 4. doi:10.1038/s41392-021-00602-7
