北京时间2024年2月2日，浙江大学基础医学院/医学院附属第四医院郭江涛团队、浙江大学医学院/良渚实验室的徐浩新团队、中国科学院分子植物科学卓越创新中心范敏锐团队、浙江大学医学院附属第四医院/浙江大学“一带一路”国际医学院/浙江大学国际健康研究院苏楠楠团队合作，在Science杂志在线发表题为“Structural basis for sugar perception by Drosophila gustatory receptors”的研究论文，报导首个昆虫味觉受体的结构和分子机制，为设计害虫引诱剂或驱虫剂提供了结构依据和理论基础。
动物利用味觉系统来感知食物的营养成分，同时避免摄食有害物质。哺乳动物通过G蛋白偶联受体等感知甜、苦、鲜等味道，而昆虫则利用一类称为味觉受体（gustatory receptor，GR）的配体门控离子通道来感知甜、苦等味道。果蝇GR家族包含68个成员，甜味感知由9个GR蛋白介导，其中GR43a感知果糖，而GR64a可以感受蔗糖和麦芽糖等多种糖。然而由于缺乏结构信息，人们对GR如何识别糖分子并产生味觉信号了解甚少。
图1 昆虫甜味受体GRs感知糖分子的结构基础
GR是糖分子激活的阳离子通道
为了探究GR是否可以直接被糖分子激活并产生电流，研究团队首先将GR43a和GR64a分别在体外重组表达在HEK293等细胞中，利用电生理和钙成像技术证明了甜味受体GR43a和GR64a是糖分子激活的阳离子通道：GR43a可以被单糖果糖特异性激活，而不能被葡萄糖或二糖如蔗糖和麦芽糖激活；相反，GR64a可以被二糖（蔗糖和麦芽糖）特异性激活，但不能被单糖如果糖和葡萄糖激活。
甜味受体GR识别糖分子的结构基础
研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术，解析了GR43a和GR64a在未结合糖分子（称为apo态）和结合糖分子状态的三维结构，分辨率达2.5-2.6 Å。GR43a和GR64a以同源四聚体形式存在，其俯视图像一枚四叶风车，每个亚基包含7次跨膜螺旋（S1-S7）：S1-S6组成配体结合结构域（LBD），来自四个亚基的S7b形成离子通透的中央孔道（PD）。Apo态GR43a和GR64a的中央孔道是处于关闭状态的。在GR通道胞内区域的侧面，相邻两个亚基之间存在一个侧腔，形成潜在的离子通透路径。
图2 GR43aapo的结构 A. GR43aapo密度图的侧视图和俯视图 B. GR43aapo单个亚基的侧视图 C. 胞内侧四个侧腔离子通透孔径表面模型的俯视图（左）和侧腔离子通透孔径的范德华半径（右）
在结合糖分子的GR结构（GR43afructose、GR64asucrose和GR64amaltose）中，糖分子结合在LBD朝向胞外的配体结合口袋里，主要与周围氨基酸发生氢键和CH-π相互作用。GR43a通过狭窄的口袋识别果糖；该口袋既不能容纳二糖，也不能稳定容纳葡萄糖。电生理和钙成像实验表明，果糖结合位点的氨基酸突变显著降低了果糖激活GR43a的活性。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，但不能稳定结合单糖如葡萄糖和果糖。研究人员通过结构比较、电生理、钙成像、分子动力学模拟、分子对接等多种方法对GR识别糖分子的机制进行了系统分析，证实了GR的配体结合口袋比较浅，表面具有极性，适合选择性地识别非挥发性、水溶性的糖分子，从而阐明了GR识别糖分子的机制。
图3 GR43a和GR64a中糖分子的结合模式 A. GR43a LBD中果糖结合口袋的表面模型 B.果糖与周围氨基酸的相互作用 C. GR64a LBD中蔗糖结合口袋的表面模型 D.蔗糖与周围氨基酸的相互作用 E. GR64a LBD中麦芽糖结合口袋的表面模型 F.麦芽糖与周围氨基酸的相互作用
糖分子激活GR通道的分子机制
在结合糖分子的GR结构中，通道的中央孔道是关闭的。为了揭示糖分子结合如何引起GR通道孔道开放，研究人员引入了一个组成型激活突变体GR43a-I418A，成功获得了结合果糖的开放态的GR43a的结构（GR43aI418A-fructose）。通过比较GR43aapo、GR43afructose和GR43aI418A-fructose三个结构，研究人员揭示了果糖激活GR43a的分子机制：果糖分子结合到GR43a的LBD，引起跨膜螺旋S5和S6朝向配体结合口袋中心移动；LBD的这种收缩移动通过S5和S7之间的氢键和疏水相互作用传递到组成中央孔道的S7b，引起了S7b的弯曲；随着S7b弯曲，GR43a的中央孔道打开，细胞外的阳离子进入细胞内，从而产生电信号。
图4 果糖激活GR43a的模型
本项研究证实了甜味受体GR是糖分子激活的阳离子通道，解析了甜味受体GR43a和GR64a的高分辨率三维结构，明确了糖分子与甜味受体GR的结合模式，阐明了糖分子激活GR43a的分子机制。这项工作不仅系统地阐明了糖分子如何结合并激活果蝇甜味受体的分子机制，而且有助于指导开发新型害虫引诱剂或驱虫剂，用于防治害虫。除了味觉分子，GR及其相近的嗅觉受体OR蛋白还可以感受信息素、温度、光等多种化学和物理信号。因此，GR的这项工作打开了一扇大门，为进一步研究昆虫感知外界信号的分子机制打下了基础。
浙江大学医学院博士生马德敏、浙江大学医学院/良渚实验室胡美钦研究员、浙江大学医学院博士生杨晓彤和浙江大学医学中心博士后刘强为论文共同第一作者。郭江涛、徐浩新、范敏锐、苏楠楠为论文共同通讯作者。浙江大学医学院博士生叶繁和蔡伟杰、浙江大学基础医学院杨巍教授、浙江大学生命科学学院王勇研究员、中国海洋大学药学院徐锡明研究员、浙江大学冷冻电镜中心常圣海博士、中国科学院植物生理生态研究所王睿瑛、天津大学生命科学学院叶升教授也在其中做出了重要贡献。本研究受中国科学技术部、国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石项目、浙江省自然科学基金、国家杰出青年科学基金以及国家科技创新2030重大计划等资助。
原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adj2609
研究团队主要成员合影（前排左起：王勇、叶繁、苏楠楠、马德敏、杨晓彤、刘强、蔡伟杰；后排左起：范敏锐、郭江涛、徐浩新、胡美钦）
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浙江大学医学院郭江涛-苏楠楠团队采用多种生物物理学和生物化学方法研究离子跨膜运输的分子机制，并从事相关离子通道和转运蛋白的调控分子和蛋白工具开发。近年来的工作相继发表在Science (2019, 2024), Nature (2022), Cell Research (2020, 2021, 2022a, 2022b), Nature Communications (2020, 2022, 2023), Science Advances（2020）, PNAS (2021, 2022), Cell Reports (2021, 2023), Nature Plants (2024), Nature Chemical Biology (2023, 2024)等杂志。团队长期招聘博士后，欢迎具有神经生物学、计算机科学、结构生物学等专业背景的博士加盟，待遇从优。详见实验室网站：https://person.zju.edu.cn/guo_jiangtao_lab1