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《自然—代谢》:张亚力团队揭示动物感受碱性物质的分子机制和细胞基础

已有 990 次阅读 2023-3-21 11:49 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2023年3月21日,美国宾夕法尼亚大学Monell化学感官中心首席研究员张亚力(Yali Zhang)博士领导的课题组在《自然—代谢》(Nature Metabolism发表论文。


该研究以果蝇为研究对象,利用分子生物学、遗传学、电生理和光遗传学的方法成功揭示了动物感受碱性物质的分子机制和细胞基础。

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味觉是非常重要的基本感觉之一,从昆虫到哺乳动物包括人类在内都利用特异的味觉受体和味觉受体细胞来感受不同食物的味道,包括酸、甜、苦、咸和鲜味。动物可以通过味觉识别并食用有营养的食物,而避免摄入有害的物质。pH作为一个重要的化学指标,衡量物质的酸性或碱性。生物体内几乎所有的生理过程都依赖于精确的酸碱调控:比如人体血液的pH值维持在7.4左右,pH过高会导致碱中毒,引起恶心、肌肉痉挛和麻木等症状,甚至会导致昏迷等其他严重的健康问题。碱性物质过量摄入导致胃酸减少是引起碱中毒的原因之一。

酸与碱作为两类截然相反的化学物质,广泛存在于食物中。众所周知,我们通过舌头上的酸味受体来感知酸的味道。问题是,动物是否也存在碱性味觉受体来品尝碱性食物的味道呢?科学家们用昆虫及猫的行为学实验初步表明动物可以感知碱的味道。然而到目前为止,动物通过什么受体以及细胞感受碱的味道仍然是个谜。

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图1. 果蝇通过其舌头上的Alka味觉受体来感知碱性pH。褐色液滴代表中性食物,蓝色液滴表示碱性食物。因为碱性pH有害健康,  野生型果蝇排斥碱性食物,而选择中性食物。然而,Alka的缺失导致果蝇对碱性食物不敏感。

与哺乳动物一样,果蝇也采用不同类别的味觉受体和味觉受体神经细胞来感受甜、咸、酸以及苦味等。张博士领导的课题组长期致力于研究味觉感受的分子与神经生物学机制,包括味觉感受的受体、神经元以及神经环路等。该课题组以果蝇作为模式动物,发现了一个新的碱性味觉受体。当面对中性食物和碱性食物时,野生型果蝇通常选择中性食物。有趣的是,当碱性味觉受体基因被敲除掉后,突变型果蝇在面对碱性食物时丧失了正常的辨别能力,反而摄取碱性食物,因此他们将这个新味觉受体命名为嗜碱者 alkaliphile(Alka)(图1)。

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图2. 碱性味觉感受机制。碱性条件下,OH激活味觉受体神经元 (gustatory receptor neuron)上的Cl- 通道Alka,导致细胞内的Cl通过Alka流出至细胞外。味觉受体神经元进而诱发动作电位,使果蝇感知到碱性食物。

该课题组利用电生理的研究手段,发现Alka能形成一个氢氧根离子(OH-)直接激活的氯离子(Cl-)通道。Alka通道可以比喻为控制Cl进出细胞的城门,OH-则是打开城门的钥匙。当Alka通道被OH打开后,Cl通过Alka通道顺其浓度梯度从内向外流出。与哺乳动物的嗅觉神经元类似,果蝇的味觉受体神经元内的Cl浓度高于胞外的Cl浓度。当野生型果蝇接触到碱性物质时,味觉受体神经元的Cl通过Alka离子通道从细胞内流出,导致味觉受体神经细胞去极化,进而产生动作电位并将其传递至大脑,让果蝇知道食物是碱性的,应该避免(图2)。

进一步通过光遗传学方法研究发现,激活表达Alka的味觉受体神经元时,即使给予果蝇喜欢的甜味食物,果蝇表现出躲避的行为。如何解释这个实验结果呢?当感受碱性pH的味觉受体神经细胞被人为的用红光激活后,果蝇会误以为甜味食物中参杂有碱性物质而变得对其不喜欢。打个比方,这就像将苦味的物质加入甜的食物中会导致甜味被苦味掩盖一样的道理。总之,张博士领导的课题组发现Alka是一种新的味觉受体,专门用于感知食物的碱性pH。这项研究让我们对味觉有了新的认识:动物通过Alka受体来感受食物的碱性pH。

宾夕法尼亚大学Monell化学感官中心首席研究员张亚力为本文通讯作者。宾夕法尼亚大学Monell化学感官中心米廷伟博士和John Mack为本文共同第一作者。中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室、北京干细胞与再生医学研究所滕兆乾研究员,加利福尼亚大学Santa Barbara分校 (UCSB)的Craig Montell教授,Monell化学感官中心Peihua Jiang研究员等参与了课题合作。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s42255-023-00765-3




https://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1381277.html

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