2月2日，《科學(xué)》（Science）以長文形式在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究組與浙江大學(xué)郭江濤、徐浩新、蘇楠楠研究組合作完成的題為Structural basis for sugar perception by?Drosophila?gustatory receptors的研究論文，解析了首個昆蟲味覺受體——糖類受體的高分辨率結(jié)構(gòu)，闡明了昆蟲甜味受體識別單糖（果糖）和二糖（蔗糖和麥芽糖）的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及糖類分子激活甜味受體的作用機(jī)理，為設(shè)計(jì)害蟲引誘劑或驅(qū)蟲劑提供了重要模板。

植物通過光合作用生成的碳水化合物，一部分以淀粉、纖維素等多糖的形式儲存，另一部分則以可溶性糖（如葡萄糖、果糖和蔗糖等）的形式存在。可溶性糖對于調(diào)控植物的生長發(fā)育具有重要作用。此外，花蜜中的可溶性糖可以吸引昆蟲以幫助植物完成授粉，水果中的可溶性糖會吸引害蟲（如果蠅、金龜子等）而造成農(nóng)業(yè)損失。

昆蟲對植物糖類的識別是通過味覺受體（GR）大家族中的甜味受體實(shí)現(xiàn)的。昆蟲的味覺受體是由一大類七次跨膜的離子通道蛋白組成的超家族。果蠅含有60多個GR蛋白，包含感知甜味、苦味等的受體，也有一些負(fù)責(zé)感知CO₂、信息素及溫度等。這些GR蛋白對于昆蟲的覓食以及在各種環(huán)境中的生存和適應(yīng)至關(guān)重要。盡管領(lǐng)域內(nèi)已對昆蟲味覺受體開展了大量的鑒定和功能研究，而科學(xué)家對于GR蛋白如何識別味覺分子以及相關(guān)激活機(jī)制知之甚少。

該研究聚焦于昆蟲的甜味受體，利用冷凍電鏡，解析了單糖受體GR43a處于apo和果糖結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，以及二糖受體GR64a處于apo、蔗糖結(jié)合和麥芽糖結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)（分辨率達(dá)到2.5-2.6埃）。結(jié)構(gòu)顯示，GR蛋白是一個四聚體的離子通道，與哺乳動物中的GPCR型味覺受體的結(jié)構(gòu)完全不同。每個GR亞基包含七個跨膜螺旋（S1-S7）。其中，S1-S6形成配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（LBD），S7則組成中間的孔道結(jié)構(gòu)域（PD）。關(guān)于糖類的識別，GR43a和GR64a均通過胞外朝向的極性口袋來結(jié)合糖類，主要涉及氫鍵相互作用和CH-π相互作用。其中，GR43a利用一個窄小的口袋來來識別果糖分子，而GR64a則通過一個較大且較平的口袋來識別蔗糖和麥芽糖，且突變結(jié)合口袋的相關(guān)氨基酸殘基會嚴(yán)重影響糖類分子對GR43a和GR64a的激活。

由于GR的中心孔道在上述apo和配體結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中均處于關(guān)閉狀態(tài)，該研究鑒定了一個具有組成型活性的GR43a突變體（需要指出的是，該突變體仍可被果糖進(jìn)一步激活）。研究利用該突變體解析了GR43a處于開放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。其中，孔道擴(kuò)張，能夠允許陽離子通過。研究通過對比GR43a處于apo關(guān)閉態(tài)、配體結(jié)合的關(guān)閉態(tài)以及配體結(jié)合的開放態(tài)的結(jié)構(gòu)，揭示了果糖激活GR43a的分子機(jī)制：果糖結(jié)合到GR43a的LBD結(jié)構(gòu)域，引發(fā)跨膜螺旋S5-S6向配體結(jié)合口袋中心移動；進(jìn)一步，跨膜螺旋S5和孔道螺旋S7之間通過氫鍵和疏水相互作用相連，因此S5-S6的移動會驅(qū)動S7的彎折以及中心孔道的開放。

上述研究揭示了糖類分子結(jié)合并激活甜味受體的分子機(jī)制，為探索昆蟲味覺受體GR超家族中各種成員識別不同味覺分子提供了一個原型。此外，由于味覺感知在調(diào)控昆蟲生理和行為方面具有重要作用，該成果為設(shè)計(jì)害蟲引誘劑或驅(qū)蟲劑等小分子調(diào)控劑提供了精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)模型。

研究工作得到分子植物卓越中心和中國科學(xué)院上海分院的支持。

論文鏈接

果蠅甜味受體GR43a和GR64a感知糖類的分子基礎(chǔ)