6月24日，上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院華甜/劉志杰團(tuán)隊(duì)在《自然》(Nature) 上以“加速預(yù)覽 (Accelerated Article Preview)”形式在線(xiàn)發(fā)表了題為 “Structural and functional characterization of human sweet taste receptor”的最新研究成果，報(bào)道了人類(lèi)甜味受體在無(wú)配體 (apo)及結(jié)合人工甜味劑三氯蔗糖 (sucralose) 狀態(tài)下的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)揭示了甜味受體獨(dú)特的非對(duì)稱(chēng)二聚體結(jié)構(gòu)特征和配體識(shí)別機(jī)制，為揭開(kāi)甜味感知的分子之謎邁出了關(guān)鍵一步。
對(duì)甜味的追求是人類(lèi)與生俱來(lái)的本能。在人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中，作為五種基本味覺(jué)之一，甜味幫助人類(lèi)祖先識(shí)別高糖、高能量的食物來(lái)源。然而，糖分過(guò)量攝入引發(fā)的肥胖、糖尿病等已成為現(xiàn)代社會(huì)日益突出的健康負(fù)擔(dān)。
既往研究表明，甜味刺激不僅可以激活大腦的“獎(jiǎng)賞系統(tǒng)”產(chǎn)生愉悅感，還參與血糖調(diào)節(jié)和能量代謝等過(guò)程。與酸、苦、咸、鮮等其他基本味覺(jué)類(lèi)似，甜味的感知起始于舌頭味蕾中特定味覺(jué)細(xì)胞表面的味覺(jué)受體。甜味受體不僅分布于口腔味覺(jué)細(xì)胞，還廣泛存在于腸道、胰腺等組織中，是治療代謝性疾病的重要潛在靶點(diǎn)。
甜味受體是由I型味覺(jué)受體中的TAS1R2和TAS1R3兩個(gè)亞基組成的異源二聚體，屬于G蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptors, GPCRs）家族中的C類(lèi)成員。它們可以識(shí)別和感知不同類(lèi)型的甜味物質(zhì)，包括天然糖類(lèi)（如蔗糖）、人工甜味劑（如三氯蔗糖、阿斯巴甜、紐甜）和甜味蛋白（如索馬甜）等（圖1）。然而，由于甜味受體在體外重組表達(dá)效率低，且其異源二聚體構(gòu)象不穩(wěn)定，極大地增加了結(jié)構(gòu)解析的難度，導(dǎo)致其三維結(jié)構(gòu)信息及甜味分子對(duì)受體的調(diào)控機(jī)制長(zhǎng)期未能被系統(tǒng)揭示，是該領(lǐng)域亟待攻克的核心科學(xué)難題。
圖1. 甜味受體（TAS1R2-TAS1R3）與鮮味受體（TAS1R1-TAS1R3）介導(dǎo)多種配體激活下游味轉(zhuǎn)導(dǎo)素（Gustducin）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路示意圖。
研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近五年的不懈努力，在經(jīng)歷上百次的反復(fù)嘗試與條件優(yōu)化后，創(chuàng)新性地引入不同類(lèi)型的熒光蛋白，成功克服了受體表達(dá)量低、穩(wěn)定性差等困難。最終，團(tuán)隊(duì)利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了甜味受體TAS1R2-TAS1R3在apo和結(jié)合三氯蔗糖狀態(tài)下的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)（圖2）。整體結(jié)構(gòu)顯示，甜味受體的TAS1R2和TAS1R3兩個(gè)亞基均具有C類(lèi)GPCR典型的結(jié)構(gòu)特征，包括捕蠅草結(jié)構(gòu)域（Venus flytrap domain, VFTD）、富含半胱氨酸結(jié)構(gòu)域（Cysteine-rich domain, CRD）和七次跨膜結(jié)構(gòu)域（Transmembrane domain, TMD）。甜味受體在兩種狀態(tài)下均呈現(xiàn)出意想不到的非對(duì)稱(chēng)構(gòu)象，其中，TAS1R2的VFTD更傾向于“閉合”，而TAS1R3的VFTD則處于“開(kāi)放”狀態(tài)。冷凍電鏡密度分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，三氯蔗糖特異性地結(jié)合在TAS1R2亞基的VFT結(jié)構(gòu)域，通過(guò)氫鍵、極性和疏水相互作用與受體的關(guān)鍵殘基（如D142、E302和Y103等）結(jié)合（圖3a-b）。
圖2. 甜味受體TAS1R2-TAS1R3在apo狀態(tài)（左圖）和三氯蔗糖sucralose結(jié)合狀態(tài)（右圖）的三維結(jié)構(gòu)。
為驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)甜味受體的細(xì)胞水平藥理學(xué)檢測(cè)方法（圖3c），該方法的高靈敏度顯著提升了對(duì)活性較低的天然甜味物質(zhì)的檢測(cè)信噪比。利用該方法，研究團(tuán)隊(duì)首先驗(yàn)證了參與三氯蔗糖分子互作的關(guān)鍵殘基的功能，并通過(guò)分子對(duì)接和功能實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探索了蔗糖和紐甜與甜味受體的結(jié)合模式。結(jié)果表明，三種甜味劑雖均結(jié)合在TAS1R2亞基中的相同口袋，但與受體形成的具體相互作用存在差異，揭示了甜味劑“甜度強(qiáng)弱”背后的分子機(jī)制。
圖3. 三氯蔗糖sucralose在甜味受體中的結(jié)合模式。(a) Sucralose結(jié)合在TAS1R2的VFTD, TAS1R3的VFTD呈現(xiàn)開(kāi)放狀態(tài)；(b) Sucralose的結(jié)合口袋和與受體主要相互作用的氨基酸殘基；(c) 使用FLIPER?熒光微孔板檢測(cè)儀測(cè)定的三氯蔗糖(sucralose)、紐甜(neotame)及蔗糖(sucrose)對(duì)甜味受體的活性強(qiáng)度。
通過(guò)比較甜味受體在apo和三氯蔗糖結(jié)合狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)，三氯蔗糖結(jié)合僅誘導(dǎo)甜味受體發(fā)生小幅度構(gòu)象變化，這一現(xiàn)象與其它C類(lèi)GPCR激活過(guò)程中通常伴隨的大尺度構(gòu)象重排顯著不同。例如，配體結(jié)合引起的TAS1R2-VFTD的構(gòu)象變化通過(guò)二硫鍵（C233-C513）傳遞至CRD結(jié)構(gòu)域，引發(fā)CRD的彎曲和TMD的微小轉(zhuǎn)動(dòng)（動(dòng)畫(huà)）。同時(shí)，TAS1R3的CRD中的一段由五個(gè)氨基酸組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)插入兩個(gè)亞基的VFTD之間，促進(jìn)兩個(gè)亞基間的協(xié)同變構(gòu)。上述構(gòu)象變化在其他C類(lèi)GPCR中尚未有報(bào)道，提示甜味受體可能具有獨(dú)特的激活機(jī)制。進(jìn)一步結(jié)合AlphaFold 3，團(tuán)隊(duì)還預(yù)測(cè)了甜味受體與G蛋白gustducin的復(fù)合物模型，提出TAS1R2可能在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。
甜味受體從apo狀態(tài)到三氯蔗糖結(jié)合狀態(tài)的構(gòu)象變化。
此項(xiàng)成果系統(tǒng)揭示了甜味受體的結(jié)構(gòu)特征、激動(dòng)劑結(jié)合模式及潛在激活機(jī)制，為理解甜味感知提供了關(guān)鍵的分子基礎(chǔ)，也為設(shè)計(jì)新型人工甜味劑和靶向甜味受體的藥物研發(fā)策略提供了新思路。這是繼該團(tuán)隊(duì)2022年首次報(bào)道人類(lèi)苦味受體TAS2R46 (Science)、2024年報(bào)道TAS2R14 (Nature)、2025年初發(fā)表TAS2R16 (Cell Reports) 之后, 在化學(xué)感知分子機(jī)制研究領(lǐng)域的又一重要突破。
上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2024級(jí)博士研究生史宗俊，iHuman研究所博士后胥維秀，副研究員武麗杰和生命學(xué)院2023級(jí)博士研究生岳曉磊為該論文的共同第一作者。iHuman研究所研究員、生命學(xué)院助理教授華甜，iHuman研究所研究員、生命學(xué)院教授劉志杰為該論文的共同通訊作者。上海科技大學(xué)為第一完成單位。該項(xiàng)研究得到了上科大iHuman研究所平臺(tái)及上科大生物電鏡平臺(tái)的支持。
滬公網(wǎng)安備 31011502006855號(hào)