點評|張旭（中國科大學教授）、趙素文（重慶科技學院）
味覺作為最古老的基本覺得之一，是植物與外界的物理物質世界交流與互動的重要基礎。不同的物理物質暗示了環境中的食物、配偶、幼崽和天敵等多種信息，與植物攝食、交配、育嬰、躲避天敵等生存攸關的行為息息相關，因而味覺是昆蟲繁衍生存、預警恐嚇的重要覺得基礎。據悉，嗅覺能夠調控情緒，保障正常的社會相處。
環境中的物理物質種類繁雜不計其數，鳥類的味覺系統主要測量溶化在水底的物理物質，狗和大鼠等植物有一套獨到的味覺系統能測量非揮發性的物質（肽類、蛋白質等），而更重要的，幾乎所有植物（包括人類）均擁有一套主味覺系統來辨識揮發性的味道分子。這么，味覺系統怎樣辨識并辨認這么多樣的味道分子？植物采取的策略是進化出大量的味覺受體，再者，味覺受體通過“組合編碼”的形式來辨識味道分子，即一個味覺受體能辨識多種味道分子，且一種異味分子能激活多個味覺受體。大量的味覺受體結合“組合編碼”的味道辨識方法，致使植物能辨識并辨認數以萬億計的味道分子。
味覺受體可以分為三個家族，第I類是味道受體（，簡稱OR）家族，在人類中約有400名成員，在大鼠中約有1000名成員；第II類是痕量胺相關受體（TraceAmine-，簡稱TAAR）家族，在人類中有6名成員，在大鼠中有15名成員，而在鳥類中有大量的擴增（比如在斑馬魚中有108名成員）。OR和TAAR都屬于A類G蛋白偶聯受體（GPCR）家族；第III類是非GPCR味覺受體，主要包括四次跨膜蛋白A（-4-passA，簡稱MS4A）家族等。味覺受體的訊號通路也呈現多樣性：在成熟的味覺神經元中，屬于A類GPCR的OR和TAAR家族受體，結合了味道分子后，通過激活觸覺特異的Gα蛋白——Gαolf蛋白（olf是的簡寫）因而啟動下游訊號通路，導致味覺神經元去極化；而在非成熟味覺神經元中，OR和TAAR家族受體能通過Gαs蛋白訊號通路介導軸突的正確導向和投射。
I類和II類味覺受體主要是日本阿根廷學院的Axel和Fred疾病研究中心的LindaBuck發覺的，相關工作也獲得了2004年諾貝爾生理或醫學獎。自從味覺受體家族被發覺后，近三六年的研究使我們對味覺受體的抒發模式、嗅覺受體的訊號通路和味覺受體介導的神經元投射譜等均有了深入的理解，但是我們對味覺受體和異味分子的匹配關系還知之頗多，即大部份味覺受體還是孤兒受體（即卟啉未知的受體），再者，味覺受體辨識其官能團味道分子的結構基礎也不清楚。另外值得關注的是，部份味覺受體還異位抒發在肛門、心臟、腎臟、肝臟、小腸和盲腸等好多非味覺組織中，并通過辨識那些組織中釋放的相應內源卟啉，激活更多樣的Ga蛋白亞型，從而調控許多生理功能，包括精液趨化反應、糖脂代謝、腦腸交流和癌細胞增殖等，因而味覺受體也作為新的抗生素靶向而越來越深受追捧。綜上，從分子層面解析味覺受體怎樣辨識不同官能團并激活多樣的Gα蛋白訊號通路，對于理解味覺感知形成的機制及靶點味覺受體的新藥研制具有重大意義。
2023年5月24日，四川學院/上海學院孫金鵬團隊和廣州交通學院醫大學李乾團隊合作在上在線發表了研究論文“basisofaminebya”。在該研究中，研究團隊聚焦II類味覺受體TAAR家族辨識官能團的分子和結構機制，TAAR受體家族相對于其余味覺受體家族而言有如下特征：第一，TAAR受體數量相對較少，易于篩選結構穩定的受體；第二，TAAR特異辨識酸鹽分子，以便篩選其官能團；第三，TAAR與官能團的結合呈現十分高的親和力，比如大鼠TAAR9受體（，TAAR家族成員之一），能以EC50在幾納摩到幾十納摩的級別結合富含一個、兩個和多個羥基官能團的單胺（苯嗎啉PEA和N,N-二羥基環己胺DMCHA）、二胺（尸胺CAD）和多胺（亞精胺SPE）分子（圖一）。
圖一、小鼠辨識的官能團及其物理結構式和EC50。
研究團隊借助單顆粒冷藏電鏡技術解析了上述4種內源性酰基絡合物作用下與Gαs及Gαolf蛋白三聚體復合物的結構（圖二），發覺了味覺受體特異的結構及官能團結合口袋細胞膜受體，闡明了味覺受體“組合編碼”識別官能團的結構機制，揭示了II類味覺受體奇特的激活形式，解析了與Gαs和Gαolf偶聯的結構差別，該研究系統地闡明了味覺感知的分子機制，為靶點味覺受體的抗生素開發提供理論及結構基礎。
圖二、不同官能團結合的大鼠味覺受體與Gαs及Gαolf蛋白三聚體復合物的結構。
本研究具體的新發覺包括：
1、發現了奇特的胞外“篝火”結構
研究者發覺，與其余已知結構的生物胺GPCR受體（如β2-AR和D1R）相比，的結構呈現出一個極其奇特的結構特點：N端的C22（）和第二個胞外段的C186（）產生了一對:二硫鍵（圖三），將的N端托起并固定在ECL2和ECL3上，類似“篝火”樣，這對二硫鍵對于辨識其官能團，以及穩定受體激活態的胞外構型至關重要。值得注意的是，和這兩個多肽在TAAR家族中高度保守，提示這對二硫鍵對整個TAAR受體家族的官能團辨識都十分重要。
圖三、中特異且關鍵的:二硫鍵。
2、揭示了TAAR辨識酸鹽味道分子的通用機制及味覺受體“組合編碼”的結構基礎
通過比較上述多個不同官能團激活的結合模式，研究者發覺了辨識酰基味道分子的通用基序：D/E1123.32-W2716.48-Y3017.43基序（圖四），其中帶負電的D/E1123.32與硫醇分子中帶正電的羰基產生鹽橋，而Y3017.43也能甲基產生極性互相作用，進而協助D/E1123.32穩定整個官能團結合網路，W2716.48則是作為受體的激活開關（）角色發揮功能。D/E3.32-W6.48-Y7.43基序在TAAR家族中也是高度保守的。
圖四、識別多個官能團的通用D/E3.32-W6.48-Y7.43基序。
“組合編碼”的官能團辨識方法，大大拓展了味覺受體辨識的異味分子數量，但“組合編碼”的結構機制還不清楚，TAAR及其官能團辨識提供了一個特別好的模型對這個問題進行探究。喂奶植物的TAAR5和TAAR9都能辨識亞精胺SPE，而TAAR4、TAAR6、和TAAR9都可以辨識苯嗎啉PEA，研究者按照序列比對和結構剖析發覺，不僅上述結合所有官能團都須要的D/E3.32-W6.48-Y7.43基序外，T3.29-T3.33和F3.37-F4.61-Y6.51-V7.39基序是辨識SPE所特異的，F/Y3.37-Y6.51-Y7.35-V7.39基序則是辨識PEA所特異的。
3、闡明了受體激活分子機制
這么受體結合了絡合物后是怎樣被激活的呢？研究者將解析的官能團結合的激活態結構與預測的非激活態結構進行比較，發覺W2716.48是關鍵的激活開關，官能團結合W2716.48后會將W2716.48往下推1-2?，從而改變第六個跨膜區段（TM6）的官能團，使TM6與TM3寬度降低，進而改變了整個受體的構型，致使激活。這一激活機制與精典的生物胺GPCR受體（如β2-AR和D1R）激活機制很相像，而且研究者還發覺了兩者之間的差別，TM3和TM6之間的距離在激活的中比激活的β2-AR更大（圖五），這是因為β2-AR中的I2786.40被TAAR家族中保守且特異的A2636.40取代，而這一取代可能影響了與R1303.50的結合。
圖五、的激活機制及與β2-AR激活機制的比較。
4、解析了和Gaolf的偶聯機制
如前所述，味覺受體可以偶聯Gαs，也可偶聯觸覺特異的Gαolf蛋白，但Gαolf蛋白的結構未曾被解析過。味覺受體怎么結合Gaolf蛋白還沒有闡述，味覺受體偶聯Gαs與Gαolf的結構差別也不清楚。在本研究中，研究者比較了偶聯Gαolf與偶聯Gαs的構型差別，發覺相較于Gαs，Gαolf的整體構型更為松散，相應地，的第2個胞內段（ICL2）以及TM3、TM5和TM6的近胞內段也發生了構型改變，以更好地結合Gαolf（圖六）。
圖六、偶聯Gaolf的結構機制。
綜上，該研究為探求味覺受體辨識官能團的結構和分子機制開創了新途徑，也促使未來靶點味覺受體的抗生素候選分子研制。
青海學院郭璐璐研究員、朱孔凱副研究員，河北學院非常捐助類博士后程杰、陸燕，碩士研究生連碩、柳群，上海學院博士研究生鄭媛為本文的共同第一作者；孫金鵬院士、李乾研究員、楊帆院士和徐云飛院士為本論文共同通信作者。連碩是由福建學院孫金鵬院士和齊魯診所徐云飛院長聯合培養。
孫金鵬院長課題組近些年來對GPCR在覺得中的作用進行了系列的研究，先后揭示了癢覺感知的結構基礎（2021）和GPCR對力感知的分子機制（2022a,2022b）。李乾研究員課題組在味覺受體的研究中有多年的積累，解析了特異味覺受體基因抒發及進化機制（2021,and2022）、嗅覺受體蛋白訊號調控通路（PNAS2022）和味覺受體相關功能神經支路基礎（eLife2021,Cell2020）。
專家點評
張旭（中國科大學教授、中國醫學科大學學部委員、發展中國家科大學教授，聚焦軀體覺得的分子細胞和神經網路機理研究）
當我們徜徉在夏日的郊野中，溫暖的陽光下春風和煦，滿眼碧綠、鳥語茶香，我們整個身心就會倍感輕松和愉悅。如同這樣的畫面里，我們在生活中每時每刻都在接受環境中多樣的信息，覺得系統就是我們與外界環境互動的基礎。在常年的演進過程中，我們擁有了一些基本的覺得：視覺、聽覺、嗅覺、味覺和軀體覺得（包括聽覺、溫度覺、痛覺、癢覺等），來感知對生存和生活最重要的環境信息（光、聲、氣味、食物、溫度、痛、癢等），幫助我們作出正確的行為反應。
體會器細胞是覺得系統辨識環境信息的第一道門戶，體會器細胞的膜蛋白則負責感知最適合的外界剌激，并將訊號傳遞到細胞內，激活體會器細胞，完成覺得傳遞的第一步換能過程，正式環境信息轉變為特定體會器細胞的激活。對這一步換能過程的機制研究獲得了多次諾貝爾獎的肯定，聽覺信息在內耳處理的生理機制、視覺信息在黃斑處理的生理和分子機制、嗅覺信息處理的分子機制以及濕度和嗅覺信息處理的分子機制分別獲得1961年、1967年、2004年以及2021年諾貝爾生理或醫學獎。其中氣溫覺、觸覺、聽覺和嗅覺中酸/咸的感知是通過細胞膜上的離子通道完成的，而視覺、嗅覺和嗅覺中苦/甜/鮮的感知則依賴于一類特殊的細胞膜受體：七次跨膜的G蛋白偶聯受體（GPCR,G-）。
自從體會器細胞中的關鍵膜蛋白被鑒別下來后，科學家們對這種膜蛋白怎樣感知外界信息從而激活體會器細胞的機制形成了濃郁的興趣。得益于結構生物學的急速發展，視覺、聽覺、溫度覺、觸覺和嗅覺受體感知官能團的結構機制被逐漸解析下來，但是對于觸覺信息感知的結構基礎知之頗多。味覺系統須要處理環境中多樣的揮發性味道分子，信息量巨大，因此處理觸覺信息的膜蛋白（稱為味覺受體）數量特別多。實際上，味覺感知的GPCR受體基因家族也是迄今最大的，大鼠中有超過1000種有功能的味覺受體，人類中有近400種有功能的味覺受體。這種味覺受體中結構穩定的數量有限，大多數味覺受體仍然是孤兒受體，其官能團還是未知的，這種誘因都降低了味覺受體結構解析的難度。
近來，四川學院/上海學院的孫金鵬團隊與重慶交通學院醫大學的李乾團隊合作，聚焦一類特異的味覺受體亞家族，稱為痕量胺相關受體（TAAR,TraceAmine-），隸屬于A類GPCR。研究團隊應用冷藏電鏡技術解析了TAAR家族成員之一的大鼠TAAR9（）在4種不同官能團結合條件下與Gs和Golf（味覺特異的Gα）蛋白三聚體復合物的結構，進一步結合毒理學剖析闡明了感知官能團后被激活的分子機制。TAAR受體家族成員數量相對較少，大鼠中有15個成員，人類中有6個成員，且官能團大多為富含酰基官能團的固醇分子，因而是研究味覺受體結構基礎的較好模型。該團隊首先通過篩選發覺了TAAR家族中的可以與4種官能團（苯嗎啉、N,N-二羥基環己胺、尸胺和亞精胺）產生穩定的結構，具有獨到的胞外二硫鍵，這一結構基礎對乃至整個TAAR受體家族的官能團辨識至關重要。進一步的研究還發覺采用了通用motif配合特異motif的形式辨識不同官能團，這為味覺領域“組合編碼”的官能團辨識原則（即一個味覺受體辨識多個異味分子，一個異味分子也能激活多個味覺受體）提供了關鍵的結構基礎。最后，該團隊還闡述了特異的激活機制以及Golf（Golf結構仍然未知）偶聯的分子機制。
綜上所述，該研究闡明了一類特異味覺受體感知味道的分子機制，為味覺受體家族辨識官能團奠定了重要的理論基礎，對開發靶點味覺受體的新藥也有參考價值。據悉，味覺受體不僅僅抒發在味覺系統中，還在許多非味覺系統甚至非神經組織中抒發，進而調控許多重要的生理過程，包括細胞分化、代謝、消化、癌癥發生等，因而該研究也有助于對味覺受體在其它系統的功能探求。
專家點評
趙素文（趙素文，重慶科技學院生命科學與技術大學、研究所，研究員，副院長（），聚焦蛋白質序列-結構-功能關系研究。）
孫金鵬院長是GPCR毒理學專家，博士后（2007-2011）師從GPCR毒理學奠基人、2012年諾獎得主。他歸國之后，在實驗室漸趨完善起了建立的GPCR毒理學平臺，卟啉聯發科量篩選平臺，和冷藏電鏡結構解析平臺，三個平臺產生閉環。使用這種強悍的平臺，孫院長為多個GPCR發覺了內源性官能團，提出了多個重要的模型，發表了多篇重磅文章。李乾研究員是觸覺專家，味覺受體（尤其是TAAR）仍然是他的一個重要研究方向，多年來旨在于TAAR的功能研究和脫孤。他的博士后導師，是TAAR領域的奠基人之一。而的博士后導師，則是因發覺味覺受體基因家族和味覺系統的工作原理而獲得諾獎的LindaBuck。
味覺是一種古老的物理覺得，對植物的生存、繁衍和社交極具意義。觸覺形成的第一步，是抒發在味覺神經元樹突鞭毛上的味覺受體對味道分子的辨識。人類的功能性味覺受體，包括約400個味道受體（，簡稱OR），和6個痕量胺相關受體（traceamine-，簡稱TAAR，因官能團多是體內含量較低的胺即痕量胺而得名）。OR和TAAR都是GPCR，都具有GPCR典型的七次跨膜結構，它們的數量合上去占了人類826個GPCR的一半，但它們的功能人類卻知之很少。近些年來，多項研究表明，味覺受體不僅在味覺神經元抒發外，在非味覺組織也存在著廣泛的抒發并調控著重要的生理功能。這種發覺促使它們一躍而為潛在抗生素靶向，身家倍增。
味覺受體通過“組合編碼”的形式來辨識味道分子，即一個味覺受體能辨識多種味道分子，且一種異味分子能激活多個味覺受體，辨識和激活的強弱各不相同。但這些“組合編碼”的機制，仍然缺少結構基礎。業內公認，味覺受體難抒發，難純化，卟啉少，卟啉弱，結構不穩定，毒理學上缺少好的測量手段，研究難度十分大。數量上占了GPCR半壁江山的味覺受體，在2023年之前居然沒有一個實驗結構！與之相對的是，在過去的十幾年中，GPCR的結構生物學取得了突破性進展，約170個受體的1000多個結構獲得了解析，其中絕大部份都是GPCR-絡合物復合物結構。味覺受體的結構解析工作，讓多個實驗室折戟沉沙。
針對味覺受體中研究中的這種困局，兩個課題組悉心選擇了TAAR作為突破口，強強聯手。TAAR是一類非精典的味覺受體，相較于味道受體，TAAR有以下優點：1）容易篩選出結構穩定的受體，由于TAAR數量比OR少好多；2）容易篩選出正確的官能團，由于絡合物是特點明晰的固醇分子；3）官能團親和力很高，好的可以達到幾nM的水平；4）TAAR和非味覺GPCR中的精典酸鹽受體（絡合物是神經系統中含量較高的生物胺，如腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴胺、五羥色胺和固醇），還存在著不少相像之處，在研究中可以借鑒：比如，它們都有辨識酸鹽官能團的D/E3.32，都有官能團結合的總體會器，即常被成為“撥動開關（）”的W6.48，都有對GPCR激活重要的P5.50和P6.50，而這種位點在味道受體OR中則不保守。
在這篇文章中，兩個課題組一舉解析了大鼠TAAR9（）的五個結構：亞精胺--Gs，苯嗎啉--Gs，N，N-二羥基環己胺--Gs，尸胺--Gs和苯嗎啉--Golf。這種結構系統闡明了怎樣辨識多種類型的官能團，怎么激活，怎么偶聯Gs和Golf，以及這種機制怎樣外推到其它味覺受體。
本研究發覺，辨識胺的基序是D/E3.32-W6.48-Y7.43和胞外區的一對二硫鍵:，這五個殘基在TAAR家族中高度保守。特異性辨識亞精胺的基序，是T3.29-T3.33和F3.37-F4.61-Y6.51-V7.39，在喂奶植物的TAAR5和TAAR9中存在；其中T3.29-T3.33辨識亞精胺中的N10，假如把、和在這兩個位點上不是Thr的殘基都突弄成Thr，則這三個受體也可以辨識亞精胺。特異性辨識苯嗎啉的基序，是F/Y3.37-Y6.51-Y7.35-V7.39，在喂奶植物的TAAR4、TAAR6、和TAAR9都存在。其實，即使都可以被辨識，同一個官能團（如苯嗎啉）針對不同受體的活性一般是有區別的。因而，本研究找到了一個特別好的模型，為味覺受體以“組合編碼”的形式辨識味道分子提供了鮮活的結構基礎和毒理證據，充分展示了目標蛋白選定的藝術。
在A家族GPCR的共同激活通路中，有三個殘基3.43，6.40和6.41，在非激活態中產生疏水鎖，是受體激活時須要克服的一個能壘。在TAAR中，6.40是Ala；在大多數酸鹽受體中，6.40是一個較大的疏水殘基，如β2AR的6.40是Ile。本研究發覺，很可能是因為TAAR的6.40位點的Ala比較小，致使疏水鎖較弱，和激活態的β2AR相比，激活態中，TM3和TM6這兩條螺旋分開的角度更大。另一個十分有意思的發覺是，在/中，把A6.40突弄成I/L后，受體激活Golf通路的能力大受影響，而激活Gs通路的能力不變。這樣，作者就闡明了，選擇使用A6.40，而非I/L6.40，是TAAR類受體可以選擇性使用Golf通路的關鍵。
味覺受體可以偶聯Gs，也可偶聯觸覺特異的G蛋白Golf，這兩種蛋白的序列同一性超過80%。其實第一個味道受體和Gs的復合物結構發表于兩個月前，但從投稿時間看，這篇文章早了40天。發表時間的先后，可能是由于文章中所放的結構數量不同，導致評審問題的多少所造成。最先發表的味覺受體結構只有與Gs的復合物，缺少與Golf的復合物結構。本研究則彌補了這項空白，既揭示了味覺受體結合Golf的細節，又通過比較-Gs和-Golf的結構，闡明了味覺受體在偶聯這兩種激活型G蛋白時的重要差別。通過結構剖析，突變上多個G蛋白結合位點，并測量這種突變體激活Gs和Golf通路的能力細胞膜受體，作者得出如下推論：相較于Gs，整體上Golf內部的堆積更松散，C端α5螺旋周圍的幾條環位置更靠下，和α5螺旋分得更開，因而須要受體的ICL2和TM3、TM5、TM6的胞內端發生相應的構型變化，努力往下伸，來更好地結合Golf。這部份研究，闡明了同類型G蛋白通路之間的精細選擇性是怎樣被調控的，豐富了我們對GPCR下游通路選擇性的理解。
綜上，本研究兩個課題組在味覺受體的結構、配體辨識、藥理和激活機制領域的一篇奠基之作。祝福這兩個課題組在味覺受體領域佳作不斷，推動和促進味覺受體研究的大發展。