Receptor TAS1R3: klucz do zrozumienia percepcji smaku umami i słodkiego

Czy receptor TAS1R3 to klucz do zrozumienia percepcji smaku?

Odkrycie nowego mechanizmu percepcji umami i słodkiego smaku – przełomowe znaczenie receptora TAS1R3

Percepcja smaku jest złożonym procesem, w którym kluczową rolę odgrywają specyficzne receptory zlokalizowane na powierzchni komórek kubków smakowych. Nauka o receptorach smaku dynamicznie rozwija się w ostatnich latach, dostarczając nowych informacji o molekularnych podstawach odczuwania różnych smaków. Najnowsze badania rzucają światło na funkcjonowanie receptorów odpowiedzialnych za detekcję umami i słodkiego smaku, wskazując na istotną rolę wspólnego elementu obu tych receptorów – podjednostki TAS1R3.

Badacze od dawna wiedzieli, że detekcja smaku umami jest zapośredniczona przez heterodimer TAS1R1/TAS1R3, podczas gdy smak słodki jest odbierany przez heterodimer TAS1R2/TAS1R3. Te receptory należą do rodziny receptorów sprzężonych z białkami G klasy C (GPCR klasy C), charakteryzujących się dużą domeną zewnątrzkomórkową (ECD) składającą się z domeny Venus flytrap (VFT) i domeny bogatej w cysteinę (CRD), połączonej z domeną siedmiu helis transbłonowych (7TM). W tej samej rodzinie znajdują się receptory metabotropowe glutaminianowe (mGluRs), receptory kwasu γ-aminomasłowego typu B (GABA_BRs), zewnątrzkomórkowe receptory wyczuwające wapń (CaSRs) oraz receptor aminokwasów L-α GPRC6A i kilka receptorów sierocych, w tym niektóre receptory feromonów.

Charakterystyczną cechą smaku umami jest jego wzmocnienie przez 5′-rybonukleotydy, takie jak inozyno-5′-monofosforan (IMP) i guanozyno-5′-monofosforan (GMP), co stanowi wyróżnik tego smaku. Molekularny mechanizm tej synergii, obejmujący model kooperatywny, został wyjaśniony w poprzednich badaniach. L-glutaminian (L-Glu) wiąże się w regionie zawiasowym TAS1R1-VFT, indukując zamknięcie VFT, podczas gdy IMP wiąże się do sąsiedniego miejsca, dodatkowo stabilizując zamkniętą konformację TAS1R1-VFT.

Interakcje między smakiem umami a słodkim zostały podkreślone przez analizy sensoryczne. Wykazano na przykład, że umiarkowane/wysokie stężenie L-Glu hamuje smaki słodki i gorzki, podczas gdy 5′-rybonukleotydy, takie jak IMP, wzmacniają percepcję słodyczy. Wykorzystując funkcjonalną ekspresję ludzkiego receptora słodkiego smaku TAS1R2/TAS1R3, udowodniono, że związki umami, w tym L-Glu, 5′-mononukleotydy (IMP i GMP) oraz niektóre dipeptydowe pochodne glutaminianu, hamują aktywację receptora przez substancje słodzące (sacharoza i acesulfam K), które wiążą się z TAS1R2-VFT, ale nie przez cyklaminian, który oddziałuje z TAS1R3-7TM.

Jakie metody badawcze zostały zastosowane?

Niedawno przeprowadzone badania miały na celu dokładniejsze zrozumienie strukturalnych podstaw rozpoznawania bodźców umami przez receptor TAS1R1/TAS1R3, z wykorzystaniem funkcjonalnego testu in vitro. “Nasze badanie miało na celu zrozumienie, w jaki sposób receptor smaku umami rozpoznaje specyficzne związki, a także jak dochodzi do synergii między różnymi substancjami wzmacniającymi ten smak” – wyjaśniają autorzy.

W badaniu nadekspresowano dwie domeny wiążące ligandy, TAS1R1-VFT i TAS1R3-VFT, w Escherichia coli. Integralność strukturalną i poprawne fałdowanie białek potwierdzono za pomocą badań biofizycznych, w tym chromatografii wykluczenia z wielokątowym rozpraszaniem światła (SEC-MALS) oraz dichroizmu kołowego (CD). Przeprowadzono również eksperymenty wiązania fluorescencyjnego, aby zmierzyć powinowactwo między domenami TAS1R1-VFT i TAS1R3-VFT a L-glutaminianem (L-Glu), L-asparaginianem (L-Asp), inozyno-5′-monofosforanem (IMP) oraz D-glutaminianem (D-Glu, jako kontrola negatywna).

Ekspresja i charakterystyka biofizyczna TAS1R1- i TAS1R3-VFT stanowiły pierwszy etap badania. cDNA kodujące TAS1R1-VFT i TAS1R3-VFT sklonowano do wektora ekspresyjnego bakteryjnego i nadekspresowano w komórkach E. coli BL21(DE3). Analiza SDS-PAGE i western blot wykazała pasmo migrujące przy około 50 kDa, ujawniając, że TAS1R1- i TAS1R3-VFT były wysoko ekspresjonowane po indukcji IPTG. Ciała inkluzyjne (IB) zostały wyizolowane, przemyte i uzyskano około 185 i 45 mg z 1 L hodowli bakteryjnej odpowiednio dla TAS1R1- i TAS1R3-VFT.

Białka TAS1R1- i TAS1R3-VFT zostały zrenaturowane przy użyciu protokołu opisanego wcześniej z niewielkimi modyfikacjami. Izolację monomerycznych zrenaturowanych białek przeprowadzono za pomocą chromatografii wykluczenia (SEC). TAS1R1- i TAS1R3-VFT eluowały przy 14,5 ml jako pojedynczy dobrze zdefiniowany pik. Kalibracja kolumny za pomocą markerów masy cząsteczkowej wskazywała, że białka miały pozorną masę cząsteczkową 56 i 60 kDa odpowiednio dla TAS1R1- i TAS1R3-VFT, co było zgodne z monomerycznymi strukturami obu białek.

Aby potwierdzić prawidłowe fałdowanie TAS1R1- i TAS1R3-VFT, przeprowadzono spektroskopię dichroizmu kołowego (CD). Widma CD wykazały dominujące struktury drugorzędowe α-helisy z dodatnim pikiem skoncentrowanym przy 193 nm i dwoma ujemnymi pikami przy długościach fal 208 i 222 nm dla obu TAS1R-VFT. Dekonwolucja widm CD ujawniła, że TAS1R1- i TAS1R3-VFT miały wysoką zawartość helikalnych struktur drugorzędowych, zgodnie z tymi zmierzonymi w ludzkich i mysich TAS1R2- i TAS1R3-VFT.

Czy IMP wzmacnia sygnały smakowe?

Stan oligomeryczny TAS1R3- i TAS1R1-VFT został dalej analizowany za pomocą SEC-MALS. Analiza SEC-MALS wykazała, że TAS1R1- i TAS1R3-VFT eluowały jako monodyspersyjne piki o zmierzonych masach odpowiednio 55 i 56 kDa. Dane te potwierdziły monomeryczną strukturę TAS1R1- i TAS1R3-VFT. Następnie zarejestrowano widma fluorescencji wewnętrznej tryptofanu, aby zbadać stan zrenaturowany TAS1R1- i TAS1R3-VFT w obecności i nieobecności 6 M chlorowodorku guanidyny (GuCl) jako czynnika chaotropowego. Denaturacja TAS1R1- i TAS1R3-VFT za pomocą GuCl spowodowała przesunięcie maksimum emisji z 335 do 350 nm i 20% spadek intensywności fluorescencji, co wskazuje, że oba białka były sfałdowane przed denaturacją.

Wyniki badań przyniosły kilka zaskakujących odkryć. Po pierwsze, zarówno TAS1R1-VFT, jak i TAS1R3-VFT wykazały zdolność wiązania związków umami w fizjologicznie istotnych stężeniach. L-Glu i L-Asp wiązały się z TAS1R1-VFT z wartościami Kd wynoszącymi odpowiednio 0,11 ± 0,03 i 0,21 ± 0,06 μM. Co ciekawe, te same związki wiązały się również z TAS1R3-VFT, choć z nieco niższym powinowactwem (Kd = 0,75 ± 0,20 μM dla L-Glu i 1,18 ± 0,33 μM dla L-Asp).

Szczególnie interesujący okazał się IMP, związek znany ze swojej zdolności do potęgowania smaku umami. Badanie wykazało, że IMP wiąże się zarówno z TAS1R1-VFT (Kd = 0,06 ± 0,02 μM), jak i z TAS1R3-VFT (Kd = 0,22 ± 0,07 μM). Co ważne, dodanie IMP do L-Glu lub L-Asp wpływało na ich wiązanie z receptorem, co sugeruje złożone interakcje allosteryczne.

Zastanawiające jest, że efekt IMP na fluorescencję wewnętrzną TAS1R1-VFT i TAS1R3-VFT był odmienny – w przypadku TAS1R1-VFT obserwowano zmniejszenie fluorescencji, podczas gdy dla TAS1R3-VFT – jej zwiększenie. “Te różnice sugerują odmienne zmiany konformacyjne indukowane przez IMP w zależności od podjednostki receptorowej, co może mieć kluczowe znaczenie dla mechanizmu synergii umami” – komentują badacze.

Dodanie D-Glu, jako kontroli negatywnej, nie miało istotnego wpływu na intensywność fluorescencji TAS1R1- i TAS1R3-VFT. Wynik ten był spójny, ponieważ D-Glu nie jest odbierany jako umami przez ludzi i nie aktywuje ludzkiego receptora TAS1R1/TAS1R3.

Wykorzystując testy komórkowe, badacze wykazali również, że IMP i cyklaminian (związek słodzący wiążący się z domeną 7TM TAS1R3) modulują aktywację zarówno homodimeru TAS1R3/TAS1R3, jak i heterodimeru TAS1R2/TAS1R3 stymulowanych jonami wapnia. W obecności 10 mM IMP lub 10 mM cyklaminianu amplituda maksymalnej odpowiedzi indukowanej wapniem dla TAS1R3 była zmniejszona odpowiednio do około 54% i 62%. Dla TAS1R2/TAS1R3 stymulowanego jonami wapnia, dodanie 10 mM IMP i 10 mM cyklaminianu nie zmieniło wartości EC₅₀, ale amplitudy sygnału zostały zmniejszone odpowiednio do 30% i 52%.

Szczególnie istotne okazało się odkrycie, że IMP może potęgować odpowiedź receptora słodkiego smaku TAS1R2/TAS1R3 na niektóre substancje słodzące, takie jak sukraloza, neotam i cyklaminian. Synergistyczny efekt był najsilniejszy dla najmniejszego stężenia IMP dla sukralozy i neotamu. Efekt ten był najbardziej widoczny dla sukralozy, która wiąże się zarówno z TAS1R2-VFT, jak i TAS1R3-VFT, co podkreśla znaczenie interakcji między domenami receptorowymi.

Badanie wykazało również, że GMP nie wzmacniał aktywności receptora słodkiego smaku dla neotamu, podczas gdy stymulacja w obecności 10 mM GMP prowadziła do spadku wartości EC₅₀ dla sukralozy. Ta obserwacja była zgodna z wcześniejszym badaniem in vitro, które wykazało brak wpływu 0,3-3,0 mM GMP na aktywację TAS1R2/TAS1R3 przez sacharozę (0-150 mM). Dodanie MSG nie zmieniło znacząco wartości EC₅₀ sukralozy i neotamu.

Jakie znaczenie kliniczne mają te odkrycia?

Czy te wyniki mają znaczenie kliniczne? Zdecydowanie tak. “Nasze odkrycia sugerują, że IMP i być może inne związki umami, we współpracy ze związkami o słodkim smaku, przyczyniają się do wzmocnienia słodyczy mieszanek substancji słodzących używanych jako dodatki do żywności i mogą być uważane za pozytywne modulatory allosteryczne (PAM) dla smaku słodkiego” – podkreślają autorzy badania.

Zrozumienie molekularnych mechanizmów percepcji smaku może mieć istotne implikacje kliniczne. Zaburzenia smaku występują w wielu stanach chorobowych, w tym po chemioterapii, w chorobach neurologicznych, a także u osób starszych. Poznanie precyzyjnych mechanizmów receptorowych może pomóc w opracowaniu nowych strategii terapeutycznych mających na celu przywrócenie lub modyfikację percepcji smaku u tych pacjentów.

Dodatkowo, wiedza ta może być wykorzystana w projektowaniu nowych dodatków do żywności lub leków, które mogłyby modulować receptory smaku, poprawiając smak produktów dietetycznych lub farmaceutycznych. Jest to szczególnie ważne w kontekście rosnącej świadomości dotyczącej zdrowego odżywiania i redukcji spożycia cukru.

Autorzy badania proponują mechanizm, w którym wiązanie IMP do TAS1R3-VFT indukuje zmiany konformacyjne w domenie VFT, a reorientacja domeny VFT może z kolei prowadzić do ruchu wewnątrzpodjednostkowego między TAS1R3-VFT a TAS1R3-7TM ze względu na sztywność CRD. W ten sposób IMP może działać jako wzmacniacz cyklaminianu poprzez reorganizację między TAS1R3- a TAS1R2-7TM, gdy związek o słodkim smaku wiąże się z VFT.

Ponadto, wiązanie IMP do TAS1R3-VFT może tworzyć reorganizację międzypodjednostkową poprzez allosteryczne interakcje między dwiema domenami VFT. Tym samym przesunięcie równowagi domeny VFT wzmacnia aktywację TAS1R2/TAS1R3 przez ligandy o słodkim smaku.

Te argumenty są poparte wieloma badaniami przeprowadzonymi na receptorach CaSR, mGlu i GABA_B, które wyjaśniły mechanizm funkcjonalnej interakcji między każdą podjednostką a białkami G. Na przykład, dla dimerycznego receptora mGlu wykazano, że wiązanie glutaminianu do jednej domeny VFT prowadzi do aktywacji receptora i ułatwia zajęcie drugiej domeny VFT, indukując pełną aktywność receptora mGlu. Podobnie, heterodimetryczne zjawisko kooperatywne zaobserwowano dla receptora GABA_B, którego powinowactwo agonisty do GABA_B1 jest wzmacniane przez jego interakcję z VFT GABA_B2. Mechanizm ten jest również potwierdzony dla dimeru CaSR, pokazując, że pojedyncze miejsce allosteryczne jest wystarczające do uzyskania aktywności pozytywnego modulatora allosterycznego (PAM).

Receptory TAS1R gromadzą się, tworząc heterodimery, TAS1R1/TAS1R3 dla receptora umami i TAS1R2/TAS1R3 dla receptora słodkiego smaku, a TAS1R3 w formie homomerycznej jest w stanie reagować na wysokie stężenia sacharozy. Kilka badań wskazuje, że struktura dimeryczna jest niezbędna do przejść konformacyjnych do aktywacji białka G. Nie jest jeszcze jasne, które 7TM spośród TAS1R1, T1S1R2 i TAS1R3 jest odpowiedzialne za sprzężenie z białkami G w receptorach słodkich i umami. Badania przeprowadzone na heterodimerze mGlu2-4 wskazują, że mGlu4-7TM jest odpowiedzialne za aktywację białka G, nawet jeśli mGlu2 w formie homodimeru również może aktywować białko G.

Niemniej jednak, podjednostki TAS1R2 i TAS1R3 mogą same aktywować transdukcję sygnału w testach opartych na komórkach ze specyficznymi ligandami, co sugeruje, że aktywacja białka G może być zapośredniczona przez każdą podjednostkę dla receptorów homodimerycznych, podczas gdy w heterodimerze interakcja allosteryczna prowadzi tylko jedną domenę 7TM do aktywacji białka G. Dlatego interakcja między domenami VFT może promować aktywację obu domen 7TM w sposób symetryczny lub asymetryczny, jak opisano dla receptorów mGlu.

Jakie są perspektywy dalszych badań? “Dodatkowe badania wykorzystujące mutagenezę ukierunkowaną na określone miejsca i modelowanie molekularne są potrzebne do identyfikacji reszt aminokwasowych TAS1R3-VFT zaangażowanych w wiązanie IMP i zbadanie allosterii receptora” – piszą autorzy. “Te odkrycia sugerują bardziej złożone interakcje na poziomie receptora między jakościami smaku umami i słodkiego oraz otwierają pole do opracowania nowych wzmacniaczy słodyczy.”

W podsumowaniu, badania wykazały, że IMP, L-Glu i L-Asp są w stanie wiązać się z białkami TAS1R1- i TAS1R3-VFT z powinowactwem w zakresie mikromolarnym. Rola modulatora IMP, porównywalna z cyklaminianiem, w aktywacji receptora homodimerycznego TAS1R3/TAS1R3 i heterodimerycznego TAS1R2/TAS1R3 została podkreślona przy użyciu testów komórkowych. Wykazano również, że IMP wzmacnia odpowiedź receptora TAS1R2/TAS1R3 na substancje słodzące, takie jak sukraloza, neotam i cyklaminian poprzez wiązanie TAS1R3-VFT. Zatem IMP i być może inne związki umami, we współpracy ze związkami o słodkim smaku, przyczyniają się do wzmocnienia słodyczy mieszanek substancji słodzących używanych jako dodatki do żywności i mogą być uważane za pozytywne modulatory allosteryczne (PAM) dla smaku słodkiego.

Dla lekarzy te odkrycia mogą mieć znaczenie w kontekście leczenia pacjentów z zaburzeniami smaku, a także w projektowaniu spersonalizowanych interwencji żywieniowych. W świetle tych badań, warto zastanowić się, jak możemy wykorzystać tę wiedzę w praktyce klinicznej? Czy modulatory receptorów smaku mogą stanowić nową klasę leków lub suplementów dla pacjentów z zaburzeniami smaku? Jakie inne receptory smaku mogą być potencjalnymi celami terapeutycznymi? Te pytania pozostają otwarte i wymagają dalszych badań, ale już teraz możemy docenić złożoność i elegancję molekularnych mechanizmów percepcji smaku.

Podsumowanie

Badania wykazały kluczową rolę receptora TAS1R3 w percepcji zarówno smaku umami, jak i słodkiego. Odkryto, że związki takie jak IMP, L-Glu i L-Asp wiążą się z białkami TAS1R1- i TAS1R3-VFT z mikromolarnym powinowactwem. IMP pełni funkcję modulatora w aktywacji receptorów TAS1R3/TAS1R3 i TAS1R2/TAS1R3, wzmacniając odpowiedź na substancje słodzące jak sukraloza, neotam i cyklaminian. Badania potwierdziły, że IMP i inne związki umami mogą działać jako pozytywne modulatory allosteryczne dla smaku słodkiego. Te odkrycia mają potencjalne zastosowanie w rozwoju nowych dodatków do żywności oraz w leczeniu zaburzeń smaku. Wyniki badań sugerują także złożone interakcje między jakościami smaku umami i słodkiego na poziomie receptorowym, otwierając nowe możliwości w projektowaniu wzmacniaczy słodyczy.

Bibliografia

Belloir Christine, Moitrier Lucie, Karolkowski Adeline, Poirier Nicolas, Neiers Fabrice and Briand Loïc. Inosine-5′-monophosphate interacts with the TAS1R3 subunit to enhance sweet taste detection. Food Chemistry: Molecular Sciences 2025, 10(10), 2220-2242. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fochms.2025.100246.