点评|张旭（中国科大学教授）、赵素文（重庆科技学院）
味觉作为最古老的基本觉得之一，是植物与外界的物理物质世界交流与互动的重要基础。不同的物理物质暗示了环境中的食物、配偶、幼崽和天敌等多种信息，与植物摄食、交配、育婴、躲避天敌等生存攸关的行为息息相关，因而味觉是昆虫繁衍生存、预警恐吓的重要觉得基础。据悉，嗅觉能够调控情绪，保障正常的社会相处。
环境中的物理物质种类繁杂不计其数，鸟类的味觉系统主要测量溶化在水底的物理物质，狗和大鼠等植物有一套独到的味觉系统能测量非挥发性的物质（肽类、蛋白质等），而更重要的，几乎所有植物（包括人类）均拥有一套主味觉系统来辨识挥发性的味道分子。这么，味觉系统怎样辨识并辨认这么多样的味道分子？植物采取的策略是进化出大量的味觉受体，再者，味觉受体通过“组合编码”的形式来辨识味道分子，即一个味觉受体能辨识多种味道分子，且一种异味分子能激活多个味觉受体。大量的味觉受体结合“组合编码”的味道辨识方法，致使植物能辨识并辨认数以万亿计的味道分子。
味觉受体可以分为三个家族，第I类是味道受体（，简称OR）家族，在人类中约有400名成员，在大鼠中约有1000名成员；第II类是痕量胺相关受体（TraceAmine-，简称TAAR）家族，在人类中有6名成员，在大鼠中有15名成员，而在鸟类中有大量的扩增（比如在斑马鱼中有108名成员）。OR和TAAR都属于A类G蛋白偶联受体（GPCR）家族；第III类是非GPCR味觉受体，主要包括四次跨膜蛋白A（-4-passA，简称MS4A）家族等。味觉受体的讯号通路也呈现多样性：在成熟的味觉神经元中，属于A类GPCR的OR和TAAR家族受体，结合了味道分子后，通过激活触觉特异的Gα蛋白——Gαolf蛋白（olf是的简写）因而启动下游讯号通路，导致味觉神经元去极化；而在非成熟味觉神经元中，OR和TAAR家族受体能通过Gαs蛋白讯号通路介导轴突的正确导向和投射。
I类和II类味觉受体主要是日本阿根廷学院的Axel和Fred疾病研究中心的LindaBuck发觉的，相关工作也获得了2004年诺贝尔生理或医学奖。自从味觉受体家族被发觉后，近三六年的研究使我们对味觉受体的抒发模式、嗅觉受体的讯号通路和味觉受体介导的神经元投射谱等均有了深入的理解，但是我们对味觉受体和异味分子的匹配关系还知之颇多，即大部份味觉受体还是孤儿受体（即卟啉未知的受体），再者，味觉受体辨识其官能团味道分子的结构基础也不清楚。另外值得关注的是，部份味觉受体还异位抒发在肛门、心脏、肾脏、肝脏、小肠和盲肠等好多非味觉组织中，并通过辨识那些组织中释放的相应内源卟啉，激活更多样的Ga蛋白亚型，从而调控许多生理功能，包括精液趋化反应、糖脂代谢、脑肠交流和癌细胞增殖等，因而味觉受体也作为新的抗生素靶向而越来越深受追捧。综上，从分子层面解析味觉受体怎样辨识不同官能团并激活多样的Gα蛋白讯号通路，对于理解味觉感知形成的机制及靶点味觉受体的新药研制具有重大意义。
2023年5月24日，四川学院/上海学院孙金鹏团队和广州交通学院医大学李乾团队合作在上在线发表了研究论文“basisofaminebya”。在该研究中，研究团队聚焦II类味觉受体TAAR家族辨识官能团的分子和结构机制，TAAR受体家族相对于其余味觉受体家族而言有如下特征：第一，TAAR受体数量相对较少，易于筛选结构稳定的受体；第二，TAAR特异辨识酸盐分子，以便筛选其官能团；第三，TAAR与官能团的结合呈现十分高的亲和力，比如大鼠TAAR9受体（，TAAR家族成员之一），能以EC50在几纳摩到几十纳摩的级别结合富含一个、两个和多个羟基官能团的单胺（苯吗啉PEA和N,N-二羟基环己胺DMCHA）、二胺（尸胺CAD）和多胺（亚精胺SPE）分子（图一）。
图一、小鼠辨识的官能团及其物理结构式和EC50。
研究团队借助单颗粒冷藏电镜技术解析了上述4种内源性酰基络合物作用下与Gαs及Gαolf蛋白三聚体复合物的结构（图二），发觉了味觉受体特异的结构及官能团结合口袋细胞膜受体，阐明了味觉受体“组合编码”识别官能团的结构机制，揭示了II类味觉受体奇特的激活形式，解析了与Gαs和Gαolf偶联的结构差别，该研究系统地阐明了味觉感知的分子机制，为靶点味觉受体的抗生素开发提供理论及结构基础。
图二、不同官能团结合的大鼠味觉受体与Gαs及Gαolf蛋白三聚体复合物的结构。
本研究具体的新发觉包括：
1、发现了奇特的胞外“篝火”结构
研究者发觉，与其余已知结构的生物胺GPCR受体（如β2-AR和D1R）相比，的结构呈现出一个极其奇特的结构特点：N端的C22（）和第二个胞外段的C186（）产生了一对:二硫键（图三），将的N端托起并固定在ECL2和ECL3上，类似“篝火”样，这对二硫键对于辨识其官能团，以及稳定受体激活态的胞外构型至关重要。值得注意的是，和这两个多肽在TAAR家族中高度保守，提示这对二硫键对整个TAAR受体家族的官能团辨识都十分重要。
图三、中特异且关键的:二硫键。
2、揭示了TAAR辨识酸盐味道分子的通用机制及味觉受体“组合编码”的结构基础
通过比较上述多个不同官能团激活的结合模式，研究者发觉了辨识酰基味道分子的通用基序：D/E1123.32-W2716.48-Y3017.43基序（图四），其中带负电的D/E1123.32与硫醇分子中带正电的羰基产生盐桥，而Y3017.43也能甲基产生极性互相作用，进而协助D/E1123.32稳定整个官能团结合网路，W2716.48则是作为受体的激活开关（）角色发挥功能。D/E3.32-W6.48-Y7.43基序在TAAR家族中也是高度保守的。
图四、识别多个官能团的通用D/E3.32-W6.48-Y7.43基序。
“组合编码”的官能团辨识方法，大大拓展了味觉受体辨识的异味分子数量，但“组合编码”的结构机制还不清楚，TAAR及其官能团辨识提供了一个特别好的模型对这个问题进行探究。喂奶植物的TAAR5和TAAR9都能辨识亚精胺SPE，而TAAR4、TAAR6、和TAAR9都可以辨识苯吗啉PEA，研究者按照序列比对和结构剖析发觉，不仅上述结合所有官能团都须要的D/E3.32-W6.48-Y7.43基序外，T3.29-T3.33和F3.37-F4.61-Y6.51-V7.39基序是辨识SPE所特异的，F/Y3.37-Y6.51-Y7.35-V7.39基序则是辨识PEA所特异的。
3、阐明了受体激活分子机制
这么受体结合了络合物后是怎样被激活的呢？研究者将解析的官能团结合的激活态结构与预测的非激活态结构进行比较，发觉W2716.48是关键的激活开关，官能团结合W2716.48后会将W2716.48往下推1-2Å，从而改变第六个跨膜区段（TM6）的官能团，使TM6与TM3宽度降低，进而改变了整个受体的构型，致使激活。这一激活机制与精典的生物胺GPCR受体（如β2-AR和D1R）激活机制很相像，而且研究者还发觉了两者之间的差别，TM3和TM6之间的距离在激活的中比激活的β2-AR更大（图五），这是因为β2-AR中的I2786.40被TAAR家族中保守且特异的A2636.40取代，而这一取代可能影响了与R1303.50的结合。
图五、的激活机制及与β2-AR激活机制的比较。
4、解析了和Gaolf的偶联机制
如前所述，味觉受体可以偶联Gαs，也可偶联触觉特异的Gαolf蛋白，但Gαolf蛋白的结构未曾被解析过。味觉受体怎么结合Gaolf蛋白还没有阐述，味觉受体偶联Gαs与Gαolf的结构差别也不清楚。在本研究中，研究者比较了偶联Gαolf与偶联Gαs的构型差别，发觉相较于Gαs，Gαolf的整体构型更为松散，相应地，的第2个胞内段（ICL2）以及TM3、TM5和TM6的近胞内段也发生了构型改变，以更好地结合Gαolf（图六）。
图六、偶联Gaolf的结构机制。
综上，该研究为探求味觉受体辨识官能团的结构和分子机制开创了新途径，也促使未来靶点味觉受体的抗生素候选分子研制。
青海学院郭璐璐研究员、朱孔凯副研究员，河北学院非常捐助类博士后程杰、陆燕，硕士研究生连硕、柳群，上海学院博士研究生郑媛为本文的共同第一作者；孙金鹏院士、李乾研究员、杨帆院士和徐云飞院士为本论文共同通信作者。连硕是由福建学院孙金鹏院士和齐鲁诊所徐云飞院长联合培养。
孙金鹏院长课题组近些年来对GPCR在觉得中的作用进行了系列的研究，先后揭示了痒觉感知的结构基础（2021）和GPCR对力感知的分子机制（2022a,2022b）。李乾研究员课题组在味觉受体的研究中有多年的积累，解析了特异味觉受体基因抒发及进化机制（2021,and2022）、嗅觉受体蛋白讯号调控通路（PNAS2022）和味觉受体相关功能神经支路基础（eLife2021,Cell2020）。
专家点评
张旭（中国科大学教授、中国医学科大学学部委员、发展中国家科大学教授，聚焦躯体觉得的分子细胞和神经网路机理研究）
当我们徜徉在夏日的郊野中，温暖的阳光下春风和煦，满眼碧绿、鸟语茶香，我们整个身心就会倍感轻松和愉悦。如同这样的画面里，我们在生活中每时每刻都在接受环境中多样的信息，觉得系统就是我们与外界环境互动的基础。在常年的演进过程中，我们拥有了一些基本的觉得：视觉、听觉、嗅觉、味觉和躯体觉得（包括听觉、温度觉、痛觉、痒觉等），来感知对生存和生活最重要的环境信息（光、声、气味、食物、温度、痛、痒等），帮助我们作出正确的行为反应。
体会器细胞是觉得系统辨识环境信息的第一道门户，体会器细胞的膜蛋白则负责感知最适合的外界剌激，并将讯号传递到细胞内，激活体会器细胞，完成觉得传递的第一步换能过程，正式环境信息转变为特定体会器细胞的激活。对这一步换能过程的机制研究获得了多次诺贝尔奖的肯定，听觉信息在内耳处理的生理机制、视觉信息在黄斑处理的生理和分子机制、嗅觉信息处理的分子机制以及湿度和嗅觉信息处理的分子机制分别获得1961年、1967年、2004年以及2021年诺贝尔生理或医学奖。其中气温觉、触觉、听觉和嗅觉中酸/咸的感知是通过细胞膜上的离子通道完成的，而视觉、嗅觉和嗅觉中苦/甜/鲜的感知则依赖于一类特殊的细胞膜受体：七次跨膜的G蛋白偶联受体（GPCR,G-）。
自从体会器细胞中的关键膜蛋白被鉴别下来后，科学家们对这种膜蛋白怎样感知外界信息从而激活体会器细胞的机制形成了浓郁的兴趣。得益于结构生物学的急速发展，视觉、听觉、温度觉、触觉和嗅觉受体感知官能团的结构机制被逐渐解析下来，但是对于触觉信息感知的结构基础知之颇多。味觉系统须要处理环境中多样的挥发性味道分子，信息量巨大，因此处理触觉信息的膜蛋白（称为味觉受体）数量特别多。实际上，味觉感知的GPCR受体基因家族也是迄今最大的，大鼠中有超过1000种有功能的味觉受体，人类中有近400种有功能的味觉受体。这种味觉受体中结构稳定的数量有限，大多数味觉受体仍然是孤儿受体，其官能团还是未知的，这种诱因都降低了味觉受体结构解析的难度。
近来，四川学院/上海学院的孙金鹏团队与重庆交通学院医大学的李乾团队合作，聚焦一类特异的味觉受体亚家族，称为痕量胺相关受体（TAAR,TraceAmine-），隶属于A类GPCR。研究团队应用冷藏电镜技术解析了TAAR家族成员之一的大鼠TAAR9（）在4种不同官能团结合条件下与Gs和Golf（味觉特异的Gα）蛋白三聚体复合物的结构，进一步结合毒理学剖析阐明了感知官能团后被激活的分子机制。TAAR受体家族成员数量相对较少，大鼠中有15个成员，人类中有6个成员，且官能团大多为富含酰基官能团的固醇分子，因而是研究味觉受体结构基础的较好模型。该团队首先通过筛选发觉了TAAR家族中的可以与4种官能团（苯吗啉、N,N-二羟基环己胺、尸胺和亚精胺）产生稳定的结构，具有独到的胞外二硫键，这一结构基础对乃至整个TAAR受体家族的官能团辨识至关重要。进一步的研究还发觉采用了通用motif配合特异motif的形式辨识不同官能团，这为味觉领域“组合编码”的官能团辨识原则（即一个味觉受体辨识多个异味分子，一个异味分子也能激活多个味觉受体）提供了关键的结构基础。最后，该团队还阐述了特异的激活机制以及Golf（Golf结构仍然未知）偶联的分子机制。
综上所述，该研究阐明了一类特异味觉受体感知味道的分子机制，为味觉受体家族辨识官能团奠定了重要的理论基础，对开发靶点味觉受体的新药也有参考价值。据悉，味觉受体不仅仅抒发在味觉系统中，还在许多非味觉系统甚至非神经组织中抒发，进而调控许多重要的生理过程，包括细胞分化、代谢、消化、癌症发生等，因而该研究也有助于对味觉受体在其它系统的功能探求。
专家点评
赵素文（赵素文，重庆科技学院生命科学与技术大学、研究所，研究员，副院长（），聚焦蛋白质序列-结构-功能关系研究。）
孙金鹏院长是GPCR毒理学专家，博士后（2007-2011）师从GPCR毒理学奠基人、2012年诺奖得主。他归国之后，在实验室渐趋完善起了建立的GPCR毒理学平台，卟啉联发科量筛选平台，和冷藏电镜结构解析平台，三个平台产生闭环。使用这种强悍的平台，孙院长为多个GPCR发觉了内源性官能团，提出了多个重要的模型，发表了多篇重磅文章。李乾研究员是触觉专家，味觉受体（尤其是TAAR）仍然是他的一个重要研究方向，多年来旨在于TAAR的功能研究和脱孤。他的博士后导师，是TAAR领域的奠基人之一。而的博士后导师，则是因发觉味觉受体基因家族和味觉系统的工作原理而获得诺奖的LindaBuck。
味觉是一种古老的物理觉得，对植物的生存、繁衍和社交极具意义。触觉形成的第一步，是抒发在味觉神经元树突鞭毛上的味觉受体对味道分子的辨识。人类的功能性味觉受体，包括约400个味道受体（，简称OR），和6个痕量胺相关受体（traceamine-，简称TAAR，因官能团多是体内含量较低的胺即痕量胺而得名）。OR和TAAR都是GPCR，都具有GPCR典型的七次跨膜结构，它们的数量合上去占了人类826个GPCR的一半，但它们的功能人类却知之很少。近些年来，多项研究表明，味觉受体不仅在味觉神经元抒发外，在非味觉组织也存在着广泛的抒发并调控着重要的生理功能。这种发觉促使它们一跃而为潜在抗生素靶向，身家倍增。
味觉受体通过“组合编码”的形式来辨识味道分子，即一个味觉受体能辨识多种味道分子，且一种异味分子能激活多个味觉受体，辨识和激活的强弱各不相同。但这些“组合编码”的机制，仍然缺少结构基础。业内公认，味觉受体难抒发，难纯化，卟啉少，卟啉弱，结构不稳定，毒理学上缺少好的测量手段，研究难度十分大。数量上占了GPCR半壁江山的味觉受体，在2023年之前居然没有一个实验结构！与之相对的是，在过去的十几年中，GPCR的结构生物学取得了突破性进展，约170个受体的1000多个结构获得了解析，其中绝大部份都是GPCR-络合物复合物结构。味觉受体的结构解析工作，让多个实验室折戟沉沙。
针对味觉受体中研究中的这种困局，两个课题组悉心选择了TAAR作为突破口，强强联手。TAAR是一类非精典的味觉受体，相较于味道受体，TAAR有以下优点：1）容易筛选出结构稳定的受体，由于TAAR数量比OR少好多；2）容易筛选出正确的官能团，由于络合物是特点明晰的固醇分子；3）官能团亲和力很高，好的可以达到几nM的水平；4）TAAR和非味觉GPCR中的精典酸盐受体（络合物是神经系统中含量较高的生物胺，如肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺、五羟色胺和固醇），还存在着不少相像之处，在研究中可以借鉴：比如，它们都有辨识酸盐官能团的D/E3.32，都有官能团结合的总体会器，即常被成为“拨动开关（）”的W6.48，都有对GPCR激活重要的P5.50和P6.50，而这种位点在味道受体OR中则不保守。
在这篇文章中，两个课题组一举解析了大鼠TAAR9（）的五个结构：亚精胺--Gs，苯吗啉--Gs，N，N-二羟基环己胺--Gs，尸胺--Gs和苯吗啉--Golf。这种结构系统阐明了怎样辨识多种类型的官能团，怎么激活，怎么偶联Gs和Golf，以及这种机制怎样外推到其它味觉受体。
本研究发觉，辨识胺的基序是D/E3.32-W6.48-Y7.43和胞外区的一对二硫键:，这五个残基在TAAR家族中高度保守。特异性辨识亚精胺的基序，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辨识亚精胺中的N10，假如把、和在这两个位点上不是Thr的残基都突弄成Thr，则这三个受体也可以辨识亚精胺。特异性辨识苯吗啉的基序，是F/Y3.37-Y6.51-Y7.35-V7.39，在喂奶植物的TAAR4、TAAR6、和TAAR9都存在。其实，即使都可以被辨识，同一个官能团（如苯吗啉）针对不同受体的活性一般是有区别的。因而，本研究找到了一个特别好的模型，为味觉受体以“组合编码”的形式辨识味道分子提供了鲜活的结构基础和毒理证据，充分展示了目标蛋白选定的艺术。
在A家族GPCR的共同激活通路中，有三个残基3.43，6.40和6.41，在非激活态中产生疏水锁，是受体激活时须要克服的一个能垒。在TAAR中，6.40是Ala；在大多数酸盐受体中，6.40是一个较大的疏水残基，如β2AR的6.40是Ile。本研究发觉，很可能是因为TAAR的6.40位点的Ala比较小，致使疏水锁较弱，和激活态的β2AR相比，激活态中，TM3和TM6这两条螺旋分开的角度更大。另一个十分有意思的发觉是，在/中，把A6.40突弄成I/L后，受体激活Golf通路的能力大受影响，而激活Gs通路的能力不变。这样，作者就阐明了，选择使用A6.40，而非I/L6.40，是TAAR类受体可以选择性使用Golf通路的关键。
味觉受体可以偶联Gs，也可偶联触觉特异的G蛋白Golf，这两种蛋白的序列同一性超过80%。其实第一个味道受体和Gs的复合物结构发表于两个月前，但从投稿时间看，这篇文章早了40天。发表时间的先后，可能是由于文章中所放的结构数量不同，导致评审问题的多少所造成。最先发表的味觉受体结构只有与Gs的复合物，缺少与Golf的复合物结构。本研究则弥补了这项空白，既揭示了味觉受体结合Golf的细节，又通过比较-Gs和-Golf的结构，阐明了味觉受体在偶联这两种激活型G蛋白时的重要差别。通过结构剖析，突变上多个G蛋白结合位点，并测量这种突变体激活Gs和Golf通路的能力细胞膜受体，作者得出如下推论：相较于Gs，整体上Golf内部的堆积更松散，C端α5螺旋周围的几条环位置更靠下，和α5螺旋分得更开，因而须要受体的ICL2和TM3、TM5、TM6的胞内端发生相应的构型变化，努力往下伸，来更好地结合Golf。这部份研究，阐明了同类型G蛋白通路之间的精细选择性是怎样被调控的，丰富了我们对GPCR下游通路选择性的理解。
综上，本研究两个课题组在味觉受体的结构、配体辨识、药理和激活机制领域的一篇奠基之作。祝福这两个课题组在味觉受体领域佳作不断，推动和促进味觉受体研究的大发展。