味覺(jué)受體研究熱點(diǎn)分析

張一純，陳艷紅,2,3，李利君,2,3，倪 輝,2,3,*

（1.集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省食品微生物與酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021；3.廈門(mén)市食品生物工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361021）

味覺(jué)是人們重要的感知反應(yīng)，基本的味覺(jué)反應(yīng)包括甜、酸、苦、咸、鮮5 種。近年來(lái)，一些科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了脂肪味和“加強(qiáng)味”的存在。錯(cuò)綜復(fù)雜的味覺(jué)反應(yīng)不僅能帶給人們愉悅和美妙的感覺(jué)，還可以用來(lái)評(píng)估食物中化學(xué)物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)及安全特性。鮮味和甜味分別代表著食物富含蛋白質(zhì)和能量；苦味和酸味可以幫助識(shí)別有害或腐敗的食物；咸味有利于機(jī)體在飲食中保持電解質(zhì)平衡。除此之外，味覺(jué)反應(yīng)還與身體健康狀況密切相關(guān)，很多疾病的發(fā)生都伴隨著味覺(jué)感知的改變。

人們對(duì)味覺(jué)的感知依賴(lài)于味覺(jué)受體，食物風(fēng)味成分和味覺(jué)受體相互作用，向機(jī)體發(fā)出信號(hào)，從而產(chǎn)生對(duì)食物的味覺(jué)響應(yīng)。1999年人們發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)味覺(jué)受體（taste receptor family 1 member 1，T1R1）基因，2001年美國(guó)科學(xué)家在人體第4對(duì)染色體中鑒別出一個(gè)與甜味感知相關(guān)的基因，2006年又報(bào)道人類(lèi)基因組共編碼了25 種苦味受體T2Rs。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等技術(shù)手段突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們對(duì)味覺(jué)受體的認(rèn)知快速增長(zhǎng)，味覺(jué)感知途徑、呈味物質(zhì)和受體的相互作用機(jī)制研究越來(lái)越深入，味覺(jué)受體領(lǐng)域正逐漸成為研究熱點(diǎn)。

在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)中以味覺(jué)受體為主題詞進(jìn)行檢索共得到1980—2020年間7 973 篇文獻(xiàn)。本綜述根據(jù)這些文獻(xiàn)，對(duì)味覺(jué)受體熱點(diǎn)關(guān)鍵詞、期刊、來(lái)源、研究手段、受體類(lèi)型、研究人員等進(jìn)行分析概述，為開(kāi)展味覺(jué)受體相關(guān)研究提供文獻(xiàn)綜述參考。

1 熱點(diǎn)關(guān)鍵詞及學(xué)術(shù)期刊分析

如圖1A所示，味覺(jué)受體領(lǐng)域發(fā)表文獻(xiàn)記錄數(shù)（number of records，Recs）最多的前20 位常用詞匯分別是苦味（bitter）、甜味（sweet）、酸味（acid）和鮮味（umami）等。來(lái)源包括大鼠（rats/rat）、人類(lèi)（human）、小鼠（mice/mouse）和果蠅（）。熱點(diǎn)研究手段主要體現(xiàn)在細(xì)胞（cell）、表達(dá)（expression）、蛋白質(zhì)（protein）、誘導(dǎo)（induced）、基因（gene）、信號(hào)（signaling）、神經(jīng)元（neurons）、分子（molecular）等常用詞匯。如圖1B所示，受體感知味道的種類(lèi)、來(lái)源及研究手段的Recs占比分別為29%、26%和41%。這說(shuō)明用細(xì)胞學(xué)和蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)對(duì)鼠類(lèi)和人類(lèi)的苦味受體和甜味受體進(jìn)行研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)本地引用次數(shù)（total local cite score，TLCS）表示在被處理的所有文獻(xiàn)中的被引次數(shù)，圖2顯示了味覺(jué)受體領(lǐng)域發(fā)表文獻(xiàn)Recs和TLCS排名均在前7 位的期刊，分別是、、、、、,和，其中包括、、和等著名期刊，均為中科院分區(qū)2區(qū)以上期刊，通過(guò)閱讀這些期刊可以獲取味覺(jué)受體領(lǐng)域的前沿信息。

圖1 味覺(jué)受體領(lǐng)域文獻(xiàn)前20 位詞匯Recs（A）和歸類(lèi)占比（B）Fig. 1 Top 20 lexical Recs (A) and their classification proportions (B)in the literature in the field of taste receptors

圖2 味覺(jué)受體領(lǐng)域的重要期刊Fig. 2 Important journals in the field of taste receptors

2 熱點(diǎn)來(lái)源分析

味覺(jué)受體來(lái)源的熱點(diǎn)詞匯分析表明，大鼠（rat/rats）和小鼠（mice/mouse）的味覺(jué)受體是科研工作中最常用的研究對(duì)象，其次是人類(lèi)（human）和果蠅（）。鼠類(lèi)（包括大鼠和小鼠）和人類(lèi)基因序列相似且操作簡(jiǎn)單，是最常用的實(shí)驗(yàn)材料；果蠅不僅和哺乳動(dòng)物有相似的進(jìn)食偏好，還可作為一個(gè)強(qiáng)大的遺傳模型，應(yīng)用復(fù)雜的分子遺傳技術(shù)對(duì)其味覺(jué)的分子、生理和行為方面進(jìn)行研究。科研人員利用鼠類(lèi)味覺(jué)受體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象模擬患者出現(xiàn)的生理癥狀，用于研發(fā)治療藥物。大鼠實(shí)驗(yàn)證明，黃芪多糖可以改善高脂飲食損害的腸道甜味受體的信號(hào)傳導(dǎo)，通過(guò)調(diào)整2型糖尿?。╠iabetes mellitus type 2，T2DM）大鼠腸道中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和甜味受體/胰高血糖素樣肽/胰高血糖素樣肽1受體途徑表達(dá)，從而減輕T2DM大鼠的癥狀。除此之外，通過(guò)鼠類(lèi)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了味覺(jué)受體和其他激素之間也存在關(guān)聯(lián)性，例如唾液脂聯(lián)素可以影響胃中的味覺(jué)受體抑制饑餓素的分泌等。人類(lèi)味覺(jué)受體的基因型常用于探索預(yù)防和治療肥胖等現(xiàn)代文明病的方法。例如在肥胖問(wèn)題上，最新的一項(xiàng)研究表明肥胖與味蕾中基因表達(dá)量的改變有關(guān)，特別是肥胖病人中II型味覺(jué)細(xì)胞基因數(shù)減少；苦味受體T2R38 rs10246939與韓國(guó)人的飲食攝入量相關(guān)，具有TT基因型的女性會(huì)攝入更多的水果且肥胖風(fēng)險(xiǎn)也增加了1.75 倍?？偟膩?lái)說(shuō)，味覺(jué)受體和肥胖具有關(guān)聯(lián)性，深入研究味覺(jué)受體對(duì)肥胖癥的預(yù)防和治療具有重要意義。最近的研究發(fā)現(xiàn)，果蠅的味覺(jué)器官分布在全身各處，并且除了味覺(jué)受體基因家族的成員，很多化學(xué)感受受體也都參與了味覺(jué)的感知，包括離子型受體（ionotropic receptor，Ir）、囊袋（pickpocket，ppk）和瞬時(shí)受體電位（transient receptor potential，Trp）基因家族編碼的受體，這些不同受體共同表達(dá)的模式可能是感知多種味道的基礎(chǔ)。近年來(lái)，科研人員對(duì)果蠅味覺(jué)系統(tǒng)與控制攝食、交配和產(chǎn)卵之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究，更加明確了味覺(jué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)行為的方式?？傊?，鼠類(lèi)味覺(jué)受體易操作并且與人類(lèi)受體相似，是大多數(shù)味覺(jué)受體研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。果蠅的味覺(jué)受體和哺乳動(dòng)物的截然不同，通過(guò)分析果蠅的味覺(jué)受體可以為防治害蟲(chóng)提供更好的策略。然而，不同來(lái)源的味覺(jué)受體之間仍然存在較大差異，例如人工甜味劑如阿斯巴甜、紐甜、甜蜜素、新橙皮苷二氫查耳酮和甜味蛋白等甜味物質(zhì)均不會(huì)被鼠類(lèi)動(dòng)物感知。為了更準(zhǔn)確探索人類(lèi)味覺(jué)受體，還需要對(duì)人類(lèi)本身的味覺(jué)受體進(jìn)行深入的研究。

3 熱點(diǎn)研究手段分析

圖1顯示了8 個(gè)與味覺(jué)受體熱點(diǎn)研究手段相關(guān)的詞匯，其中表達(dá)（expression）、蛋白（protein）、誘導(dǎo)（induced）、基因（gene）和分子（molecular）屬于分子生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究手段，細(xì)胞（cell/cells）屬于細(xì)胞生物學(xué)手段，除此之外，還包括了信號(hào)（signaling）和神經(jīng)元（neurons）有關(guān)神經(jīng)生物學(xué)研究手段。

目前，科研人員主要利用分子生物學(xué)手段使味覺(jué)受體表達(dá)并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。哺乳動(dòng)物表達(dá)系統(tǒng)可以使蛋白正確折疊并進(jìn)行各種翻譯后修飾，保證味覺(jué)受體完整行使其功能。其中甜味受體和鮮味受體具有兩個(gè)亞基，要進(jìn)行兩個(gè)亞基的共表達(dá)。此外，科研人員將味覺(jué)受體成功地在細(xì)菌表達(dá)系統(tǒng)中表達(dá)，大量生產(chǎn)重組蛋白。解析蛋白質(zhì)等生物大分子及其配合物的三維結(jié)構(gòu)信息的主流方法包括X射線衍射晶體學(xué)、核磁共振以及冷凍電子顯微鏡技術(shù)，這3 種方法各有優(yōu)點(diǎn)，在高分子結(jié)構(gòu)分析中具有重要意義。在這些技術(shù)中，X射線衍射晶體學(xué)仍然是最廣泛用于結(jié)構(gòu)測(cè)定的技術(shù)?？蒲腥藛T通過(guò)等溫滴定量熱法、熒光共振能量轉(zhuǎn)移和小角度X射線散射法分析了青鳉魚(yú)T1R2/T1R3，表明配體結(jié)合后異二聚體的構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)化。接著通過(guò)捕蠅夾結(jié)構(gòu)域（venus flytrap domain，VFTM）與抗原結(jié)合片段（fragment antigen binding，F(xiàn)ab）（由識(shí)別T1R2 VFTM的抗體制備）共結(jié)晶，又解析出分辨率為2.2～2.6 ?的青鳉魚(yú)T1R2/T1R3配體識(shí)別結(jié)構(gòu)域，為理解味覺(jué)受體的化學(xué)感知提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。近年來(lái)，許多科學(xué)家通過(guò)對(duì)內(nèi)分泌細(xì)胞構(gòu)建模型進(jìn)行體外研究，常用的方法包括熒光共聚焦顯微鏡、單細(xì)胞顯微切割捕獲系統(tǒng)、免疫印跡法等，發(fā)現(xiàn)了甜味受體激動(dòng)劑可以分泌與食欲相關(guān)的激素，如胰高血糖素樣肽1、葡萄糖依賴(lài)性促胰島素激素和直腸黏膜酪酪肽，并且甜味受體也被認(rèn)為與調(diào)節(jié)胰島素的分泌有關(guān)；我國(guó)上海交通大學(xué)近年來(lái)也發(fā)表了相關(guān)文獻(xiàn)闡述了葡萄糖代謝與甜味受體的表達(dá)有關(guān)；美國(guó)斯克利普斯研究所提出苦味受體的激活導(dǎo)致腸內(nèi)分泌激素釋放，改善了代謝綜合征的癥狀，表明味覺(jué)受體與人類(lèi)健康息息相關(guān)。

科研人員利用神經(jīng)生物學(xué)主要對(duì)味覺(jué)受體的傳導(dǎo)過(guò)程及如何被感知進(jìn)行了研究。當(dāng)舌頭味蕾上的味覺(jué)受體接受到味覺(jué)刺激，信息通過(guò)顱神經(jīng)VII、IX和X從舌傳遞到腦干。如圖3所示，依次通過(guò)孤束核（nucleus of solitary tract，NST）、腦橋臂旁核（parabrachial nucleus，Pbn）和腹后內(nèi)側(cè)丘腦（parvicellular portion of the ventroposteromedial nucleus of the thalamus，VPMpc）的小細(xì)胞部分，然后傳遞給初級(jí)味覺(jué)皮層島皮質(zhì)（insular cortex，IC）。研究表明，外周味覺(jué)系統(tǒng)中的味覺(jué)信息以標(biāo)記線的方式編碼，因此每種味覺(jué)模式都有獨(dú)特的味覺(jué)受體和相應(yīng)通路。其他研究者闡述了一種交叉纖維編碼的方式，即包括大量感覺(jué)傳入纖維的廣泛共激活，相同纖維的不同組合構(gòu)成了不同味覺(jué)品質(zhì)的編碼。電生理研究、雙光子鈣成像研究顯示，一些味覺(jué)神經(jīng)元只負(fù)責(zé)一種味覺(jué)，而其他神經(jīng)元對(duì)多種味覺(jué)刺激有廣泛的響應(yīng)。東京大學(xué)重點(diǎn)研究了甜味信號(hào)的傳導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)細(xì)胞消融、體內(nèi)鈣成像和光磁實(shí)驗(yàn)表征了Pbn中表達(dá)富含AT序列特異性結(jié)合蛋白2（special AT-rich sequencebinding protein 2，SATB2）的神經(jīng)元在選擇性地將甜味信號(hào)傳遞到味覺(jué)丘腦中起重要作用；并對(duì)表達(dá)甜味受體突變體的所有細(xì)胞系進(jìn)行了一系列細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，分析了與抑制劑的相互作用，基于這些結(jié)果，進(jìn)行了對(duì)接模擬、能量最小化，闡明了人類(lèi)甜味受體抑制劑的具體結(jié)構(gòu)機(jī)制。Yoshida等通過(guò)熒光共聚焦顯微鏡鑒定味蕾細(xì)胞，再由高阻抗膜片鉗放大器記錄電信號(hào)，證明了苦味敏感的味覺(jué)細(xì)胞具有異質(zhì)性，這種異質(zhì)性可能有助于區(qū)分苦味化合物。Lu Bo等通過(guò)化學(xué)刺激和電生理信號(hào)記錄解釋了溫度對(duì)小鼠滋味感知的影響，其中溫度對(duì)甜味和鮮味刺激的響應(yīng)伴有瞬時(shí)感受陽(yáng)離子通道家族M成員5（transient receptor potential cation channel, subfamily M, member 5，TrpM5）的參與，而對(duì)鹽和酸的溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)并不是通過(guò)上皮細(xì)胞鈉離子通道和TrpM5的機(jī)制進(jìn)行的，苦味刺激則受溫度的影響較小。在人類(lèi)口腔中有5 000 個(gè)味蕾，它們都位于舌頭上表面、上顎和會(huì)厭，被分為I型（類(lèi)膠質(zhì)）細(xì)胞、II型（味覺(jué)受體）細(xì)胞、III型（突觸前）細(xì)胞、IV型（基底）細(xì)胞和V型（邊緣）細(xì)胞，I型、II型和III型細(xì)胞的協(xié)同作用是接受味覺(jué)的基礎(chǔ)。如圖4所示，I型細(xì)胞是味蕾中最豐富的細(xì)胞，由膠質(zhì)細(xì)胞退化得到，頂端是鈉鉀離子泵，形成與鹽傳導(dǎo)有關(guān)的離子電流。對(duì)于II型細(xì)胞，鈣離子成像顯示其能夠響應(yīng)甜味、苦味和鮮味刺激，能與多種有機(jī)分子結(jié)合，識(shí)別出甜、咸、苦等復(fù)雜分子造成的味覺(jué)。III型細(xì)胞能被水和氫離子激活，直接對(duì)酸味刺激和碳酸溶液作出響應(yīng)。除此之外，味覺(jué)受體不僅在口腔表達(dá)，通過(guò)對(duì)其他組織細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)T1Rs和T2Rs廣泛表達(dá)于全身，分布于口腔外的受體和味蕾細(xì)胞中的受體信號(hào)通路相似，但無(wú)法感知味覺(jué)，而是具有營(yíng)養(yǎng)傳感、氣道免疫防御和代謝過(guò)程調(diào)節(jié)等作用。嗅覺(jué)受體也同樣分布于全身，最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明哺乳動(dòng)物的味覺(jué)細(xì)胞上存在功能性嗅覺(jué)受體的表達(dá)。

圖3 嚙齒動(dòng)物（A）和哺乳動(dòng)物（B）大腦感知甜味的味覺(jué)通路[32]Fig. 3 Taste pathways for sensing sweetness in rodent (A) and mammalian (B) brains[32]

圖4 三大類(lèi)味覺(jué)細(xì)胞[44]Fig. 4 Three major classes of taste cells[44]

近年來(lái)，科學(xué)家們基于味覺(jué)受體的表達(dá)及神經(jīng)傳導(dǎo)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)味覺(jué)受體方面的生物傳感器。中國(guó)科學(xué)院側(cè)重于研發(fā)體外生物電子舌來(lái)檢測(cè)苦味或鮮味。莫奈爾化學(xué)感官中心和我國(guó)浙江大學(xué)生物傳感器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同提出將人苦味受體T2R16在HEK-293細(xì)胞中作為生物傳感器的傳感元件，可對(duì)水楊酸進(jìn)行特異性檢測(cè)。獲取高純度的蛋白質(zhì)被認(rèn)為是開(kāi)發(fā)重復(fù)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定生物傳感器的關(guān)鍵；同時(shí)，氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）作為苦味傳感器具有制備簡(jiǎn)單、廉價(jià)和靈敏的優(yōu)點(diǎn)。將基于大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)的味覺(jué)受體與ITO構(gòu)建的電化學(xué)傳感器相結(jié)合，研發(fā)出的生物電子舌用于檢測(cè)特定苦味物質(zhì)，該方法具有簡(jiǎn)單和穩(wěn)定的特點(diǎn)。此外，有些科研機(jī)構(gòu)基于石墨烯效應(yīng)晶體管構(gòu)建雙鏈生物電子舌，通過(guò)將人的鮮味和甜味受體在HEK-293細(xì)胞中表達(dá)，利用細(xì)胞松弛素B將其制成納米囊泡，固定在微圖案化的石墨烯表面，可用于同時(shí)檢測(cè)鮮味和甜味。

總地來(lái)說(shuō)，對(duì)味覺(jué)受體的探索已經(jīng)進(jìn)入分子生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)水平，但大多數(shù)受體的精確結(jié)構(gòu)還未解析出，也難以區(qū)分不同特點(diǎn)的味覺(jué)神經(jīng)刺激，目前主要采用計(jì)算機(jī)模擬和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合等手段對(duì)受體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索。

4 熱點(diǎn)受體研究進(jìn)展分析

科研人員重點(diǎn)聚焦在苦味受體、甜味受體、酸味受體和鮮味受體上，其中苦味受體、甜味受體和鮮味受體均為G蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptors，GPCRs），酸味則由Otopetrin-1（OTOP1）質(zhì)子通道感知。如圖5所示，GPCRs有相同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，配體與GPCRs結(jié)合以后，GPCRs構(gòu)象發(fā)生變化激活異源三聚體細(xì)胞內(nèi)G蛋白復(fù)合物，G蛋白的-和-亞基從活化的-亞基上釋放，接著G蛋白的-和-亞基激活磷脂酶C-β2（phospholipase C-β2，PLCβ2）介導(dǎo)的肌醇1,4,5-三羥甲基氨基甲烷磷酸鹽（inositol 1,4,5-trihydroxymethyl aminomethane phosphate，PIP2）生成甘油二酯（diacylglycerol，DAG）和1,4,5-三磷酸肌醇（inositol 1,4,5-triphosphate，IP3），IP3作用于IP3受體（IP3 receptor，IP3R），使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的Ca，激活TrpM4/5通道，引發(fā)Na內(nèi)流和細(xì)胞去極化，隨后細(xì)胞膜去極化激活電壓門(mén)控鈉通道（voltage-gated sodium channels，VGSC），最后激活鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)器1/3（calcium homeostasis modulator 1/3，CALHM1/3）通道釋放ATP，導(dǎo)致位于感覺(jué)纖維中P2X2/P2X3的激活，觸發(fā)動(dòng)作電位，向味覺(jué)皮層發(fā)出信號(hào)以進(jìn)行感知。

圖5 舌頭上的味覺(jué)受體細(xì)胞中甜味、鮮味、苦味的信號(hào)通路Fig. 5 Signaling pathways of sweet, umami, bitter in taste receptor cells in the tongue

苦味是5 種基本味道中最復(fù)雜的一種，苦味受體屬于GPCRs的A亞型，由味覺(jué)受體第2家族（T2Rs）所介導(dǎo)，以單體形式存在。與其他味覺(jué)GPCRs相比，TAS2R家族是最多樣化的并與多種激動(dòng)劑結(jié)合。近年來(lái)，德國(guó)人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)研究所發(fā)現(xiàn)了有助于感知二價(jià)錳離子或二價(jià)亞鐵離子鹽的苦味受體TAS2R7；根據(jù)同源建模和配體對(duì)接實(shí)驗(yàn)對(duì)人T2R14進(jìn)行點(diǎn)突變?cè)鰪?qiáng)了對(duì)不同激動(dòng)劑的選擇性。除此之外，該機(jī)構(gòu)還提出人T2R14、T2R46在感知中藥的苦味上發(fā)揮了主導(dǎo)作用，并證明琥珀酸衍生化作用可使T2R14苦味受體對(duì)愈創(chuàng)木酚甘油醚的響應(yīng)消失?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，苦味受體存在于呼吸道、腸道、生殖系統(tǒng)和泌尿道，不僅可以用于檢測(cè)有毒物質(zhì)，而且可作為免疫“哨兵”防御致病性的侵略。賓夕法尼亞大學(xué)提出苦味受體T2R38功能的變化與慢性鼻竇炎的疾病狀態(tài)和疾病嚴(yán)重程度相關(guān)；T2R14作為上呼吸道感染的潛在治療靶點(diǎn)，其激動(dòng)劑黃酮物質(zhì)可能具有局部治療的臨床潛力。Ayabe等報(bào)道了啤酒中的異--酸和成熟啤酒花酸可能與腸道分泌細(xì)胞中的苦味受體結(jié)合，從而改善認(rèn)知功能。此外，研究表明和基因可能與人類(lèi)的長(zhǎng)壽有關(guān)。對(duì)于苦味受體而言，有效的藥物開(kāi)發(fā)很大程度上取決于對(duì)配體和受體結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的研究，目前仍不清楚苦味受體的真實(shí)結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)同源建模、對(duì)接模擬、功能性實(shí)驗(yàn)和突變體結(jié)合來(lái)獲得。除此之外，近年來(lái)我國(guó)的科學(xué)家也將目光投向了研究苦味受體和物種進(jìn)化的關(guān)系上，中國(guó)科學(xué)院提出大熊貓和小熊貓由于飲食習(xí)慣造成了苦味基因的特異性進(jìn)化，武漢大學(xué)則探究出功能性苦味受體的數(shù)量與禽類(lèi)飲食中大量潛在毒素水平之間存在正相關(guān)。這些報(bào)道為研究鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物感覺(jué)進(jìn)化的分子基礎(chǔ)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)過(guò)程提供了新思路。

甜味受體T1R2/T1R3和鮮味受體T1R1/T1R3屬于GPCRs的C亞型，味覺(jué)受體第1家族（T1Rs），以異二聚體形式存在，如圖6所示，T1R2/T1R3的結(jié)構(gòu)包括VFTM、半胱氨酸富集區(qū)（cysteine rich domain，CRD）、跨膜區(qū)（transmembrane domain，TMD）和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（intracellular domain，ID），T1R1/T1R3與之類(lèi)似。甜味受體和鮮味受體兩者共享一個(gè)亞基T1R3，與T1R3結(jié)合的甜味劑——甜蜜素雖然不能激活鮮味受體，但能增強(qiáng)谷氨酸鹽誘導(dǎo)活性，是T1R1/R1R3的正變構(gòu)調(diào)節(jié)劑，甜味抑制劑Lactisole則是T1R1/T1R3的負(fù)變構(gòu)調(diào)節(jié)劑。除了人工甜味劑的傳導(dǎo)途徑外，甜味還涉及不同的信號(hào)傳導(dǎo)途徑（圖7）。蔗糖等糖類(lèi)物質(zhì)與T1R2/T1R3結(jié)合，使G蛋白的-亞基（G）活化，從而激活腺苷酸環(huán)化酶（adenylyl cyclase，AC），產(chǎn)生3’,5’-環(huán)腺苷酸（cyclic adenosine monophosphate，cAMP），導(dǎo)致胞內(nèi)cAMP濃度上升，cAMP直接激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），引起K通道的磷酸化，導(dǎo)致離子通道關(guān)閉，抑制K外流，引起膜去極化和神經(jīng)遞質(zhì)釋放。甜味受體已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)在大腦、胃腸道、腎臟和脂肪等組織中均有表達(dá)，受體不僅影響著代謝過(guò)程，如胰島素分泌、糖代謝和脂肪代謝，還與包括T2DM在內(nèi)的慢性炎癥疾病有關(guān)。慢性代謝疾病患者具有較高的與飲食行為相關(guān)的等位基因頻率，他們對(duì)富含甜味的食物更加喜愛(ài)。隨著人們健康意識(shí)的提高和工作性質(zhì)的轉(zhuǎn)換，低熱量、無(wú)熱量的甜味劑在食品領(lǐng)域得到廣泛使用。然而多數(shù)甜味劑甜味不純正，呈現(xiàn)速度和持續(xù)時(shí)間與蔗糖相比有差異，存在不良“異味”，導(dǎo)致產(chǎn)生不愉悅的口感。為了滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)減糖和口感的雙重需求，科研人員運(yùn)用構(gòu)建嵌合體、計(jì)算機(jī)模擬來(lái)探究甜味受體與配體相互作用從而設(shè)計(jì)新型甜味劑。鮮味受體方面的熱點(diǎn)聚焦在鮮味肽/鮮味增強(qiáng)肽的呈味規(guī)律和變構(gòu)調(diào)節(jié)。除T1R1/T1R3外，目前報(bào)道的代謝型谷氨酸受體（metabotropic glutamate receptors，mGluRs）和細(xì)胞外鈣受體（extracellular calcium sensing receptor，CaSR）等也可以感知鮮味且均為GPCRs。不同的鮮味劑之間具有協(xié)同作用，例如在含谷氨酸的食物中添加游離核苷酸如5’-磷酸鳥(niǎo)苷后，鮮味會(huì)增加數(shù)倍。除此之外，鮮味劑還與其他味覺(jué)感知受體具有相互作用，例如鮮味肽通過(guò)人類(lèi)苦味受體抑制苦味。2020年，Spaggiari等發(fā)表了一篇研究鮮味、甜味和苦味受體的計(jì)算機(jī)分子建模技術(shù)的完整概述，該方法已用于味覺(jué)感受器建模、模擬促味劑-受體結(jié)合方式以及篩選潛在促味劑等方面。近年來(lái)研究人員提出了幾種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用定量構(gòu)效模型來(lái)預(yù)測(cè)分子的甜度。最新的一篇文獻(xiàn)報(bào)道了通過(guò)結(jié)構(gòu)鑒定和分子對(duì)接從天然庫(kù)中篩選潛在的甜味劑。目前，主要通過(guò)建立可靠的突變實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建嵌合體、數(shù)學(xué)建模、分子對(duì)接、電生理技術(shù)、動(dòng)物味覺(jué)模型來(lái)深入研究有關(guān)受體分子的作用機(jī)制。然而甜味受體和鮮味受體的結(jié)構(gòu)和微觀作用規(guī)律以及呈味規(guī)律還無(wú)法準(zhǔn)確的闡明，因此，采用冷凍電子顯微鏡等技術(shù)解析甜味受體的精細(xì)結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域的研究方向。

圖6 甜味受體T1R2/T1R3的結(jié)構(gòu)示意圖[27]Fig. 6 Schematic diagram of sweet taste receptors[27]

圖7 甜味受體感知蔗糖的信號(hào)傳導(dǎo)通路Fig. 7 Signaling pathways of sucrose sensing by sweet taste receptor

酸味一直被認(rèn)為是5 種基本味覺(jué)之一，該味覺(jué)檢測(cè)途徑的發(fā)現(xiàn)歷經(jīng)坎坷。早期，科學(xué)家提出了、、等候選基因可能與酸味感知有關(guān)，它們（特別是）在酸敏感離子通道或在酸敏感味覺(jué)受體細(xì)胞中富集表達(dá)?？茖W(xué)家一直致力于確認(rèn)這種受體以及其他可能的酸味受體的作用機(jī)制和功能；并發(fā)現(xiàn)即使缺乏假定的酸味受體細(xì)胞，動(dòng)物對(duì)酸仍然表現(xiàn)出強(qiáng)烈的厭惡，這為確定酸味受體的功能基因帶來(lái)了很多困難。因此，酸味受體的研究進(jìn)展緩慢，直到2019年才發(fā)現(xiàn)了真正的酸味檢測(cè)通道OTOP1。近年來(lái)，科學(xué)家解析了斑馬魚(yú)OTOP1的結(jié)構(gòu)，闡明了其轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)酸和弱酸的傳導(dǎo)機(jī)制完全不同，強(qiáng)酸的H通過(guò)對(duì)Zn敏感的H通道進(jìn)入細(xì)胞，而弱酸以未解離的中性分子進(jìn)入細(xì)胞再解離形成H。如圖8所示，H進(jìn)入細(xì)胞引起細(xì)胞內(nèi)的酸化，阻斷了K2.1 K通道，細(xì)胞膜去極化，電壓門(mén)控Na通道開(kāi)放，引起一系列動(dòng)作電位開(kāi)放電壓門(mén)控Ca通道，神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)引起酸味的感知。目前在破解傳入大腦途中處理信息的神經(jīng)回路方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但其傳導(dǎo)通路中仍有許多環(huán)節(jié)有待研究。

圖8 酸味受體的信號(hào)傳導(dǎo)通路[105]Fig. 8 Signaling pathways of sour taste receptors[105]

總而言之，味覺(jué)受體的結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)機(jī)制都尚未明確，該領(lǐng)域還需要更多的科學(xué)支持和技術(shù)支持。新型滋味物質(zhì)的設(shè)計(jì)、味覺(jué)的感知機(jī)制、受體和健康的關(guān)系及個(gè)體感知的差異方面將不斷吸引著科學(xué)家的關(guān)注，是未來(lái)的探索方向。

5 熱點(diǎn)科研機(jī)構(gòu)及科學(xué)家分析

如圖9所示，Recs排在前5 名的國(guó)家分別是美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)和中國(guó)；其中美國(guó)的Recs占全部Recs的44%，遙遙領(lǐng)先其他國(guó)家。TLCS排名前10的科研機(jī)構(gòu)中有9 個(gè)來(lái)自于美國(guó)（圖10）。其中加州大學(xué)圣迭戈分校發(fā)表的文獻(xiàn)被引次數(shù)最高，該機(jī)構(gòu)很早就致力于研究哺乳動(dòng)物口腔感知鮮味、甜味和苦味的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)味覺(jué)受體T1R1，并利用外源表達(dá)證明了味覺(jué)蛋白T1R2和T1R3結(jié)合感知甜味、苦味的編碼獨(dú)立于甜味和鮮味等基礎(chǔ)內(nèi)容。莫奈爾化學(xué)感官中心提出苦味受體TS2R38的多態(tài)性編碼對(duì)包含N—C＝S片段的苯硫脲和丙硫氧嘧啶化合物表現(xiàn)出不同的響應(yīng)程度，這種多態(tài)性可能來(lái)源于進(jìn)化壓力；苦味受體不僅可以防止有害食品的攝入，T2R38還在上呼吸道中表達(dá)并發(fā)揮“哨兵”的功能；該機(jī)構(gòu)還提出甜味、苦味和鮮味傳入大腦的方式是通過(guò)CALHM1離子通道釋放ATP，最終激活傳入神經(jīng)通路。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院牙科與頜面研究中心發(fā)表的文章對(duì)味覺(jué)受體研究有著深遠(yuǎn)的影響，推動(dòng)了味覺(jué)受體領(lǐng)域的發(fā)展，該中心的研究團(tuán)隊(duì)很早就開(kāi)始研究哺乳動(dòng)物味覺(jué)受體的結(jié)構(gòu)，相關(guān)文獻(xiàn)均發(fā)表在1999—2018年，2002年其發(fā)現(xiàn)了甜味和鮮味受體有一個(gè)共同的亞基；2004年發(fā)現(xiàn)了在甜味受體上存在多種配體結(jié)合位點(diǎn)，證明了T1R3和T1R2的不同功能?？屏_拉多大學(xué)主要致力于研究味覺(jué)傳導(dǎo)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)味覺(jué)傳導(dǎo)過(guò)程包括ATP信號(hào)傳導(dǎo)和鈣離子傳導(dǎo)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)II型細(xì)胞是苦味、甜味和鮮味味覺(jué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要轉(zhuǎn)導(dǎo)者，可能通過(guò)光滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)下池與神經(jīng)系統(tǒng)通信，以取代傳統(tǒng)的突觸。邁阿密大學(xué)提出受體細(xì)胞在接受味覺(jué)刺激后通過(guò)Panx1分泌ATP，并進(jìn)一步刺激其他味覺(jué)細(xì)胞釋放血清素，這一發(fā)現(xiàn)闡明了味蕾細(xì)胞間信號(hào)處理的方式，在味覺(jué)受體信號(hào)傳導(dǎo)方面作出了巨大貢獻(xiàn)；2015年該機(jī)構(gòu)還提出脂肪組織產(chǎn)生的瘦素能夠特異性作用于甜味，對(duì)苦味誘發(fā)的遞質(zhì)釋放沒(méi)有影響。

圖9 以發(fā)文量Recs為指標(biāo)排名前10的國(guó)家/地區(qū)及Recs比例Fig. 9 Top 10 countries/regions by the number of publications and their percentages in total Recs

圖10 以文獻(xiàn)TLCS為指標(biāo)排名前10的研究機(jī)構(gòu)Fig. 10 Top 10 research institutions by literature TLCS

以TLCS進(jìn)行排序，排名前5的高產(chǎn)作者也均來(lái)自于美國(guó)（表1），其中Ryba N. J. P.、Hoon M. A.和Chandrashekar J.來(lái)自加州大學(xué)圣迭戈分校，共同發(fā)表了Mammalian sweet taste receptors、T2Rs function as bitter taste receptors、A novel family of mammalian taste receptors等影響力較大的文獻(xiàn)，研究重點(diǎn)主要是哺乳動(dòng)物甜味、鮮味和苦味的感知過(guò)程，排在第三名的霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的Zuker C. S.也參與了上述幾篇文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)研究。排名第一的作者M(jìn)argolskee R. F.在闡述人類(lèi)、鼠類(lèi)的味覺(jué)感知機(jī)理以及診斷、治療相關(guān)疾病方面做出巨大貢獻(xiàn)，Margolskee R. F.研究了味覺(jué)蛋白T1R2、T1R3對(duì)甜味劑的響應(yīng)和對(duì)胰島素分泌的調(diào)控機(jī)理，這對(duì)預(yù)防和治療吸收不良綜合征和包括糖尿病和肥胖癥在內(nèi)的飲食相關(guān)疾病具有意義。總地來(lái)說(shuō)，目前味覺(jué)受體領(lǐng)域的研究主要集中在美國(guó)的加州大學(xué)圣迭戈分校，Ryba N. J. P.、Hoon M. A.和Chandrashekar J.等科學(xué)家的研究處于領(lǐng)先位置。

表1 Web of Science味覺(jué)受體領(lǐng)域文獻(xiàn)TLCS排序前10 名作者分布Table 1 Top 10 authors by TLCS of literature on taste receptors in Web of Science

6 結(jié) 語(yǔ)

味覺(jué)受體不僅存在于口腔，還遍布全身各處?？谇煌獾慕M織表達(dá)的味覺(jué)受體無(wú)法感知味覺(jué)，而是具有營(yíng)養(yǎng)傳感、氣道免疫防御和代謝過(guò)程調(diào)節(jié)等作用，被認(rèn)為是重要的藥物靶點(diǎn)，與呼吸道疾病、心腦血管疾病、糖尿病和肥胖等疾病相關(guān)，通過(guò)鼠類(lèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)MT2DM患者，發(fā)現(xiàn)黃芪多糖對(duì)T2DM癥狀有改善作用，黃酮?jiǎng)t對(duì)治療上呼吸道感染疾病具有臨床潛力，因此開(kāi)發(fā)用于治療疾病、減輕癥狀的小分子將成為一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域。但由于獲得單晶困難，大多數(shù)受體的精確結(jié)構(gòu)還未解析出，也難以區(qū)分不同特點(diǎn)的味覺(jué)神經(jīng)刺激，目前主要采用計(jì)算機(jī)模擬（包括同源建模、分子對(duì)接等手段）構(gòu)建受體模型，將現(xiàn)有模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，促進(jìn)受體結(jié)構(gòu)模型從低分辨率到高分辨率的過(guò)渡。雖然近年來(lái)我國(guó)在味覺(jué)受體尤其在生物傳感器和受體進(jìn)化機(jī)制方面的研究取得很大的進(jìn)展，但在味覺(jué)受體領(lǐng)域做出主要研究貢獻(xiàn)的國(guó)家還是美國(guó)，其中杰出的科學(xué)家包括加州大學(xué)圣迭戈分校的Ryba N. J. P.、Hoon M. A.和Chandrashekar J.等，我國(guó)需要與排在前列的國(guó)家、科研機(jī)構(gòu)、科學(xué)家加大溝通交流。未來(lái)應(yīng)深入加強(qiáng)味覺(jué)受體領(lǐng)域相互作用機(jī)制和信號(hào)傳導(dǎo)途徑方面的研究，攻克蛋白質(zhì)表達(dá)純化和結(jié)晶方面的難題，探究進(jìn)化和多態(tài)性的分子機(jī)制，同時(shí)通過(guò)將味覺(jué)受體和化學(xué)材料等多種學(xué)科結(jié)合增強(qiáng)傳感器穩(wěn)定性。這些研究都有利于研制傳感器在模擬人類(lèi)味覺(jué)、藥物篩選、研發(fā)新型增味劑和掩蔽劑、探索作為治療疾病的藥物靶點(diǎn)等方面的應(yīng)用。