Nat Metab | 果蝇味蕾新发现，碱性味觉靠它实现：嗜盐菌氯离子通道

Original 珊今 BioArt

撰文 | 珊今

我们都知道，酸味可以让动物们感受到食物的酸度或低pH值。但是，有个问题一直没有解决：动物们有没有一种味觉可以感知食物的碱性或高pH值呢？

有些研究发现猫的味觉神经中有一种叫做鼓室神经的亚种，它们可以被高pH的食物激活，但是对其他刺激比如温度就无动于衷。这意味着猫会把高pH的食物当做有味道的食物，而不是危险的化学物质【1】。甲虫也一样，它们非常厌恶碱性环境，这是因为甲虫的味觉器官里有一些细胞可以感受高pH值，这些细胞会随着pH值的增加而增加放电活动【2】。事实上在上世纪40年代，在人类的研究发现，舌头尖端富含味蕾，比背部富含味蕾的区域更敏感于氢氧化钠（NaOH），这意味着碱性溶液可能有“味道”【3】。虽然这些研究让我们知道高pH感觉是一种独立的味觉模式，但是我们还不知道控制这种感觉的分子和细胞基础是什么。

2023年3月20日，来自美国宾夕法尼亚大学的Yali Zhang团队在Nature Metabolism 杂志上发表了题目为Alkaline taste sensation through the alkaliphile chloride channel in Drosophila的文章，该研究发现了一个叫做“嗜碱菌”（Alkaliphile, Alka）的氯离子通道，它既必要又足以引起对碱性食物的厌恶反应，是一种新型的碱性味觉受体。

研究人员通过利用果蝇这个经典模式生物，来揭示碱性味觉感受的分子特性。他们选择了强碱性物质NaOH来改变食物的pH值，因为NaOH在溶解后完全解离成Na⁺和OH^-离子，可以用较低的浓度获得广泛的碱性pH范围。此外，果蝇基因可以通过基因编辑技术将与钠味有关的基因去除，从而避免钠离子带来的副作用。研究发现，野生型果蝇在选择中性食物（2 mM葡萄糖，pH7）和碱性食物（含有相同浓度的葡萄糖和100 mM NaOH，pH13）时，主要偏向于选择中性食物，因此行为数据表明野生型果蝇对碱性食物具有排斥性。研究人员通过筛选大量缺陷突变体，最终发现一个基因CG12344可能是探测碱性味觉的基因。

该基因编码的蛋白质属于果蝇中的配体门控氯离子通道（LGCC）家族，与甘氨酸受体有关。研究人员进一步发现，果蝇基因组编码了12种LGCC成员，许多LGCC通道是孤儿通道，它们的激活配体和生理功能仍然不清楚。进一步的实验表明，CG12344是一个很好的候选碱性味觉受体，其在实验条件下的敲减可以使果蝇对碱性食物的避免行为明显减少。因此，研究人员将CG12344基因命名为Alka，这个基因可能是果蝇探测碱性食物的关键。

作者构建了Alka突变体，它缺少编码跨膜段的DNA序列，从而导致任何可能的离子通道活性严重受损。结果表明，野生型果蝇对中等到高度碱性的食物表现出逐渐增强的厌恶反应，而Alka突变果蝇在对碱性食物的厌恶方面表现出严重的缺陷，甚至表现出对混合有低水平NaOH的食物的强烈偏好。通过进一步的实验，发现这种偏好可能是由于Alka突变果蝇在消除对OH^-的厌恶时对低浓度钠离子的内在吸引力造成的。此外，进一步的实验表明，在Alka1突变果蝇中表达野生型Alka转基因可以完全恢复突变表型。

通过OH^-激活Alka通道将导致GRN去极化的模型

使用尖端记录技术，作者确定了果蝇味觉感受器对高pH有差异的反应。结果显示，在含有GRN（Gustatory receptor neurons）的味觉感受器中，S型感受器对NaOH产生了最强烈的反应。因此，该研究重点关注S型感受器并对其进行了电生理分析。结果表明，在被一系列的NaOH浓度刺激后，S型感受器会产生一系列的动作电位，而Alka1突变体产生的动作电位频率显著低于野生型。此外，该研究还发现，野生型和Alka果蝇对蔗糖、咖啡因、盐或酸的PER（Proboscis-extension-response）百分比没有显著差异，表明ALKA是负责感知高pH而不是其他测试的味觉物质。

后续的研究发现，果蝇的Alka突变体对含Na₂CO₃的碱性食物的厌恶程度明显降低，表现出偏好。而在Alka;Ir76b1双突变体果蝇中（后者是盐的味觉所必需的），没有观察到对Na₂CO₃的吸引反应。研究还发现，ALKA主要作为化学感受器，在果蝇的嗅球中表达为GRN亚集，主要在具有特征性结构的双极神经元类型的GRNs中表达，如树突、体和轴突。此外，Alka-Gal4在外周嗅觉器官如触角和上颌触角中也有表达，但未在整个成虫大脑中观察到表达。这些结果进一步支持了Alka作为化学感受器的概念。pH刺激可导致细胞内向电流的产生，该电流主要是由Cl^-离子流出而非Na⁺流入所致，这表明ALKA通道可能是Cl^-离子通道。这其实是反常识的，成熟的神经元通常会经历面向胞内的Cl^-梯度，但成熟的神经元中Cl^-流入是超极化的而不是去极化的。但是，在果蝇的基因调控网络（GRN）中，Cl^-梯度分布不寻常，果蝇GRN的细胞外受体淋巴液中的Cl^-浓度似乎甚至低于果蝇味觉感受神经元的细胞质内的Cl^-浓度。因此，ALKA完全适合果蝇。

综上，本研究以果蝇为模型，鉴定了嗜碱性菌氯离子通道（ALKA），该通道对碱性食物引起的厌恶反应是必要和充分的。ALKA形成了一个高pH门控氯离子通道，在味觉受体神经元的一个子集中特异表达。总之，ALKA作为碱性味觉受体的发现为未来研究其他动物中的碱性味觉感受奠定了基础。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s42255-023-00765-3

制版人：十一

参考文献

1 Liljestrand, G. & Zotterman, Y. The alkaline taste. Acta physiologica Scandinavica 35, 380-389, doi:10.1111/j.1748-1716.1955.tb01294.x (1956).

2 Paje, F. & Mossakowski, D. pH-preferences and habitat selection in carabid beetles. Oecologia 64, 41-46, doi:10.1007/bf00377541 (1984).

3 Kloehn, N. W. & Brogden, W. J. The alkaline taste; a comparison of absolute thresholds for sodium hydroxide on the tip and mid-dorsal surfaces of the tongue. The American journal of psychology 61, 90-93 (1948).

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。