昆虫如何“品尝”甜味

本文转自：浙江日报

通讯员 周炜 吴雅兰 记者 何冬健

除夕夜，家人团聚、其乐融融的年夜饭，我们人的味觉能从中分出五种味道：甜、酸、苦、鲜、咸。其中，甜味就很重要，它能检测食物中的糖分，并调节我们碳水化合物的摄入。那么，甜味是如何被感知的呢？

近日，果蝇感知甜味的秘密被浙江大学研究团队揭开，以长文形式在线发表于国际顶级期刊《科学》。

想要探索果蝇感知甜味的秘密，首先要了解味觉受体GR——这是昆虫用来“品尝”酸甜苦的配体门控离子通道。浙江大学医学院博士生马德敏介绍，果蝇的GR43a和GR64a是一类由糖分子激活的阳离子通道蛋白。换句话说，它俩是果蝇感知甜味的重要介导之一。如果我们把GR43a和GR64a理解为外界阳离子进入神经细胞的两个门，糖分子则是“钥匙”，果糖分子能打开GR43a，而蔗糖和麦芽糖分子能打开GR64a。研究团队想要知道，糖分子“钥匙”是如何推开甜味之“门”产生神经信号，从而使果蝇感知到甜味的。

利用单颗粒冷冻电镜技术，研究团队得以揭开GR43a和GR64a的神秘“面纱”。研究发现，GR43a和GR64a是以同源四聚体的形式存在。这个形式从上往下看就像是一枚四叶风车：在风车的四周，是四个配体结合结构域，它们好比是“扇叶”，可以结合配体糖分子，形成结合“口袋”；在风车的中间，来自四个亚基的S7b形成了离子通透的中央孔道，不过这个中央孔道在没有结合糖分子的时候是处于关闭状态的。同时，在GR通道细胞膜内区域的侧面，相邻两个亚基之间存在一个侧腔孔道，形成潜在的离子通透路径。

浙江大学基础医学院、浙江大学医学院附属第四医院研究员郭江涛说，糖分子结合GR甜味受体的三维结构主要有两大“看点”：第一是糖分子的结合“口袋”的选择性。研究显示，GR43a通过狭窄的“口袋”仅识别果糖；GR64a则用更大更平坦的“口袋”结合二糖，该口袋具有结构可塑性，可结合蔗糖和麦芽糖，但不能容纳单糖。“GR的糖结合口袋是较浅的，内部具有极性，适合识别非挥发性、水溶性的糖分子，并且具有高度选择性。”

第二大“看点”则在于“风车”中心离子通透孔道的开合方式。未结合糖分子的GR平时处于关闭状态。当果糖分子结合到GR43a时，引起第5个和第6个跨膜螺旋的移动，进而传递到形成孔道中心的第7个跨膜螺旋，导致了它的弯曲。这样，GR43a中心的孔道就有了明显“扩张”，使得细胞外的阳离子得以进入细胞内。通过这种方式，糖分子“推开”甜味受体的“大门”，向大脑释放“甜”的信号。

“我们的工作揭示了糖分子如何结合并激活果蝇的甜味受体，为进一步了解昆虫GR家族的不同成员如何感知不同的味道提供了基础。”郭江涛说，由于味觉感知在调节昆虫生理和行为方面发挥着重要作用，这项工作将有助于害虫防治，指导开发新型害虫引诱剂或驱虫剂。

而对于人类来说，糖分子当然也能激活人类的味蕾，但它们打开的是另一类跨膜蛋白的“大门”——G蛋白偶联受体。有趣的是，这项研究关注的GR蛋白在人体中也是广泛存在的，其分子功能和识别配体有待进一步研究。从昆虫身上得到的GR分子结构信息，也将有助于人类进一步理解相关生命现象。