摘要：加深了对苦味受体结构和功能的理解，并为设计靶向TAS2R14的药物候选分子提供了全新的视角。
点评 | 裴钢（中国科学院院士）、张旭（中国科学院院士）味觉是生物体的重要生理感觉之一，在营养摄取和规避有害物质中起着至关重要的作用。人类拥有酸、甜、苦、咸、鲜五种基本味觉，这些味觉主要由舌面上的味蕾对不同的味觉分子进行响应。当味觉受体识别到特定的味觉分子时，受体被激活并触发味觉神经信号，该信号传递到大脑味觉中枢，进而产生相应的味觉体验。味觉不仅是一种感觉体验，更是人类生存和适应环境的重要机制之一。除了舌头这一主要味觉感受器官外，味觉受体还广泛分布在胃肠道、呼吸系统、鼻腔等多个组织器官中，发挥着重要的生理药理作用。TAS2R14是人体中表达非常广泛的苦味受体之一，在心脏、胃肠道和呼吸道平滑肌中均有表达。在呼吸道平滑肌中，TAS2R14的激活能起到松弛平滑肌的作用，因此成为治疗哮喘或慢性阻塞性肺病的潜在新靶点。TAS2R14是人体25个苦味受体中识别苦味分子范围最广的受体。既往研究表明，TAS2R14能够识别数百种苦味物质，包括多种临床药物（如氟芬那酸、左氧氟沙星和那可汀）和植物提取物（如马兜铃酸、α-侧柏酮）等。更重要的是，TAS2R14能够识别多种结构各异、不含有特定化学功能团的苦味分子。此外还有研究表明胆固醇也可以调控TAS2R14的功能。由于当前苦味受体的结构信息有限，科学界对TAS2R14的配体识别模式、受体激活机制以及胆固醇调控苦味受体功能的分子机制等仍缺乏深入理解。 2024年5月22日，上海科技大学iHuman研究所、生命科学与技术学院华甜和刘志杰团队，联合山东大学基础医学院孙金鹏团队及上海交通大学医学院第九人民医院杨驰团队在Nature上以“文章加速预览 (Accelerated Article Preview, AAP) ”形式在线发表了题为Bitter taste TAS2R14 activation by intracellular tastants and cholesterol 的最新研究成果，揭示了植物来源苦味物质、上市药物分子及胆固醇对苦味受体TAS2R14的独特调控机制。这也是华甜和刘志杰团队继2022年在Science上报道首个人源苦味受体TAS2R46后，在人体苦味化学感知研究领域的又一次突破。联合研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术，获得了人源苦味受体TAS2R14分别与植物来源马兜铃酸A (Aristolochic acid, AA) ，药物分子氟芬那酸 (flufenamic acid, FFA) 和 compound 28.1结合，以及与不同G蛋白偶联状态下的高分辨率结构（图1）。发现TAS2R14中至少存在三个可被不同配体调控的位点，其中AA，FFA和compound 28.1意外地结合在受体胞内跨膜区的口袋2 （pocket-2）中， AA也可以结合在口袋3（pocket-3）中，而胆固醇分子却反客为主地结合在GPCRs经典的正构配体结合口袋内（pocket-1）。此外，受体的第六个跨膜螺旋TM6的胞内端通过自身结构在无序-有序间的构象变化精妙协调配体识别以及不同G蛋白与受体的结合（动画）。这些现象颠覆了人们对GPCR配体识别的传统认知，揭示了苦味受体全新的配体识别和受体激活机制。图1：不同配体调控下的TAS2R14-Gustducin和TAS2R14-Gi1复合物结构。(a) 不同配体调控TAS2R14下游不同信号转导通路的卡通示意图；(b) AA，FFA和compound-28.1小分子的化学结构式，电子密度图以及TAS2R14-Gustducin, TAS2R14-Gi1复合物整体结构密度图。
动画: cryo-EM单颗粒成像揭示受体TM6螺旋构象的动态变化
通过进一步的细胞水平功能实验和分子动力学模拟，本研究验证了结合在非正构位点的苦味分子仍是激活TAS2R14的主要动力。在口袋2中，AA，FFA和compound 28.1均与受体激活密切相关的氨基酸结构域形成重要的相互作用，而胆固醇能够稳定结合并独立激活受体。此外通过一系列突变及胆固醇敲除等实验，揭示了三个结合口袋在配体识别及受体激活上的分工和协作关系。本研究克服诸多困难，解析了苦味受体TAS2R14与野生型下游信号转导蛋白Gustducin和Gi1三聚体的复合物三维结构，揭示了不同G蛋白与TAS2R14的结合模式，为进一步研究苦味受体的下游不同信号转导通路所介导的生理功能提供了非常重要的理论基础。除了自身的独特性质，TAS2R14还具有和团队之前报道的苦味受体TAS2R46中一些类似的结构特征，例如在正构口袋中的保守残基W3.32，苦味受体激活相关的保守结构域，以及G蛋白与受体的预结合模式等。以上研究揭示了诸多苦味受体结构与功能的独特性质，极大拓展了人们对GPCR配体识别以及受体激活的认知，破解了TAS2R14识别结构多样的苦味物质的分子密码以及胆固醇直接调控苦味受体的全新分子机制。这些成果还加深了对苦味受体结构和功能的理解，并为设计靶向TAS2R14的药物候选分子提供了全新的视角。上海科技大学生命科学与技术学院2023级博士研究生胡晓龙和敖炜祯，山东大学博士研究生高明新，上海科技大学iHuman研究所副研究员武丽杰为该论文的共同第一作者。上海科技大学大道书院院长、iHuman研究所执行所长、生命学院教授刘志杰，iHuman研究所研究员、生命学院助理教授华甜，山东大学教授孙金鹏，上海交通大学教授杨驰为本论文的共同通讯作者。https://www.nature.com/articles/s41586-024-07569-9人体对外部环境的化学感知对生存至关重要，其中对苦、甜、鲜的味觉和嗅觉感知是通过G蛋白偶联受体（GPCR）介导的。由于对苦味的识别可以帮助规避潜在的有毒有害物质，人体进化出了大约25个苦味受体专门探测各种苦味物质。近日，上海科技大学刘志杰、华甜，山东大学孙金鹏及上海交通大学附属第九人民医院杨驰组成的联合团队发表在Nature的论文报道了人源苦味受体TAS2R14在配体识别和受体激活方面的研究成果。TAS2R14是识别苦味分子范围最广的受体，在人支气管中的表达水平是25个苦味受体中最高的。TAS2R14的激动剂如奎宁和咖啡因，对气道平滑肌松弛有显著影响，而另一激动剂药物诺斯卡平可以抑制IGE依赖性肥大细胞的活化，因此TAS2R14作为呼吸系统疾病的治疗靶点具有很大的潜力。
虽然目前人类已经解析了近200个独特的GPCR结构，对其激活及信号转导机制也获得了较为深入的了解，同时，刘志杰和华甜团队也报道过第一个苦味受体TAS2R46的研究结果（Science 2022），但是对苦味受体TAS2R14的研究还是揭示出很多意料之外的惊喜：值得一提的是TAS2R14采用至少三个配体结合口袋完成其对广谱的苦味分子的识别，其激动剂分子在接近胞内的口袋激活受体，而胆固醇分子却在接近胞外的口袋调控受体。另外，受体的第六个跨膜螺旋TM6的胞内区域通过构象的有序-无序的转换协调配体和G蛋白与受体的互作。这些发现颠覆和更新了人们对GPCR的传统认知。总之，该研究向人们展示了看似结构简单的GPCR如何通过万花筒般多变的构象完成受体的各种功能需求。同时，该研究揭示的新现象丰富了人们对GPCR在配体识别和受体激活方面的理解，为其它家族GPCR及受体配体识别的研究开拓了新思路。G蛋白偶联受体 (G protein-coupled receptor, GPCR）负责跨细胞膜的信号转导并调控重要的生理和病理反应，人体的味觉（苦味、甜味和鲜味）和嗅觉感知也主要是通过GPCR介导的。人的味觉感知不仅与食物的选择相关，还在健康和生存方面起重要作用。其中TAS2R14由于识别的苦味化合物更多从而受到人们更多的关注，近日，上海科技大学刘志杰、华甜团队，联合山东大学孙金鹏团队和上海交通大学附属第九人民医院杨驰团队在Nature杂志发表论文报道了人源苦味受体TAS2R14识别多种配体的分子机制。TAS2R14是识别苦味分子范围最广的苦味受体，其识别范围还包含多种临床药物分子。另外，TAS2R4在心脏，胃肠道，呼吸道平滑肌中也广泛表达，表明其在相关疾病治疗中的潜在药理价值。
在该研究中，联合研究团队报道了苦味受体TAS2R14分别在3种配体调控下与不同G蛋白复合物的多个冷冻电镜三维结构。经过分析他们发现该受体具有很多颠覆GPCR传统认知的独特性质。例如：1）TAS2R14至少存在三个配体结合位点；2）主要负责受体激活的苦味分子结合在跨膜区的两个结合口袋内，并不在经典的正构口袋内；3）胆固醇分子却意外地结合在GPCRs正构配体结合口袋内；4）受体的第六个跨膜螺旋TM6随着配体浓度的增加，其胞内部分的构象从无序变成有序，这种构象变化恰好协调了配体分子及G蛋白与受体的结合。这些发现对GPCR的信号转导机制研究提供了更全面和更深入的见解。FFA最近被发现是一种靶向苦味受体的新型强效气道舒张剂，同时兼具抗炎作用，针对哮喘、慢性阻塞性肺部疾病具有较好的前景，该研究中报道的FFA-TAS2R14以及TAS2R14的结构，对于针对呼吸系统疾病开发新的药物具有良好的参考意义和价值。同时该工作也将对针对化学感知类受体的药物发现提供重要的理论依据和全新的视角。制版人：十一
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