酸了？感知酸味的离子通道可能是它

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你喜欢醋或者柠檬的酸味吗？最近两项研究发现，小鼠对酸味的感知与一类在耳中表达的功能基因有关。研究团队在小鼠模型中确定了这种质子通道的作用，这或许能帮助我们理解味觉偏好的演化过程。

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当我们吃酸的食物时，舌头和大脑之间的味觉感应回路会让我们立即做出反应。9 月 19 日分别在《细胞》（Cell）和《当代生物学》（Current Biology）发表的两篇论文都表明，舌头酸味受体中的 otopetrin-1 质子通道，是负责小鼠酸味感知的结构之一。

瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）计算生物物理学家 Lucie Delemotte 指出，这些发现补充了酸味机制的研究范围，“从分子层面的这些质子的运输方式，到（整体层面的）小鼠如何品尝到酸味”。她本人没有参与这两项研究。

舌头上分布的每个味蕾中，都包含着一群由味觉神经网络支配的味觉感受细胞。这些细胞的顶端具有各种各样捕获味觉分子的蛋白质，一类被称为质子通道的蛋白质可以检测出食物的 pH，完成对酸味的检测。

由哥伦比亚大学医学中心（Columbia University Medical Center）的 Charles Zuker 领导的一个研究小组，于 2006 年首次发现了一种潜在的酸味受体。他和其他研究人员们一直致力于确认这种受体以及其他可能的酸味受体的机制和功能。研究在去年取得了突破，南加州大学（University of Southern California）实验室的 Emily Liman 发现 otopetrin-1（也称为 OTOP1）是一个质子通道，并与酸味检测有关。但之前的的研究人员们没有在动物身上证明 OTOP1 是进行酸味感知的必需成员——直至今天。

Liman说：”它（OTOP1）显然是一个质子通道。它可以感应 pH 值，并提高对 pH 值的敏感性。但是否在动物体内也是如此呢？这就是 Zuker 在《细胞》中发表的论文和我们在《现代生物学》中的论文具体阐述的故事。”

OTOP1 曾被证明是内耳中形成耳石所必需的基因，耳石是一种碳酸钙晶体，能使我们对重力和加速度做出反应。Liman  说，没有迹象表明它与酸味有任何关系。“这似乎极不可能——为什么在耳朵中表达的基因，会在舌头中作为酸味受体发挥作用？”她说，“这是我们最后测试的基因之一。”

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Zuker 的研究小组为他们的实验准备了两种小鼠：一种老鼠含有编码 OTOP1 的非功能基因，另一种老鼠含有 OTOP1 通道的甜味受体细胞。研究人员给老鼠们饮用酸性液体，并观察动物的行为偏好，以及味觉受体水平的细胞反应。

Zuker 实验室的博士后、《细胞》论文的第一作者 Jin Zhang 指出：“敲除 OTOP1 后，我们发现酸味受体细胞不再对酸刺激作出反应。在基因敲入的动物中，当我们在甜味细胞中表达酸性受体 OTOP1 时，使甜味细胞也对酸做出了反应。”

虽然 Zuker 和 Liman 的研究小组是独立工作的，但这两项研究在设置和结果上均有一些相似之处。Liman 的实验室还通过基因敲除的小鼠，来了解 OTOP1 在味蕾中味觉神经的功能。Liman 告诉《科学家》（The Scientist）：“两个实验室都发现，基因敲除后的小鼠的味觉神经对酸的反应严重减弱，这表明 OTOP1 的功能在对酸味的反应的必需性。”

Liman 实验室还确定，质子进入味觉受体细胞需要 OTOP1 受体。Liman 说：“当某种物质呈酸性时，它会含有很高的质子浓度，也正因如此，这样的分子才可以作为 pH 的感应器。”

与此同时，Zuker 实验室研究了位于味蕾和脑干之间神经节神经元的反应。“我们发现酸味分子通过自己特有的通路将信号从外围传递到大脑。我们还确定了在味觉神经节和脑干中传递酸信号的神经元。当我们激活动物脑干中的酸反应神经元时，动物喝水时的行为表现，就像他们在喝酸性液体一样。”Jin Zhang 说。

目前还存在其他两个已知 otopetrin 质子通道：OTOP2 和OTOP3。Delemotte 说，这些物质的功能尚未明确。她告诉《科学家》：“从生物物理学上讲，它们与 OTOP1 具有类似的特征，但尚不了解它们在生理上的功能。”

在未来的研究中，两个实验室将把研究人员们了解到的舌头感知的酸味和其他味道，与大脑不同部位的联系纳入其中。“我们看到了它是如何使用从舌头到脑干的专有回路，但是如何从脑干到大脑皮层呢？后续研究中还有很多有趣的问题。”Jin Zhang 说。

了解味觉受体与大脑之间的通路将有助于深入理解对不同味觉的行为反应的进化。“例如，大多数动物天生就讨厌苦味，喜欢甜味。通过识别大脑各个阶段的细胞类型，我们可以开始了解那些复杂的行为是如何产生的。”Liman 说道。

论文信息

 【标题】Sour Sensing from the Tongue to the Brain

【作者】Jin Zhang et al.  

【期刊】Cell

【时间】19 September  2019

【DOI】10.1016/j.cell.2019.08.031

【链接】https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S009286741930950X

【摘要】

The ability to sense sour provides an important sensory signal to prevent the ingestion of unripe, spoiled, or fermented foods. Taste and somatosensory receptors in the oral cavity trigger aversive behaviors in response to acid stimuli. Here, we show that the ion channel Otopetrin-1, a proton-selective channel normally involved in the sensation of gravity in the vestibular system, is essential for sour sensing in the taste system. We demonstrate that knockout of Otop1 eliminates acid responses from sour-sensing taste receptor cells (TRCs). In addition, we show that mice engineered to express otopetrin-1 in sweet TRCs have sweet cells that also respond to sour stimuli. Next, we genetically identified the taste ganglion neurons mediating each of the five basic taste qualities and demonstrate that sour taste uses its own dedicated labeled line from TRCs in the tongue to finely tuned taste neurons in the brain to trigger aversive behaviors.

论文信息

 【标题】Cellular and Neural Responses to Sour Stimuli Require the Proton Channel Otop1

【作者】Bochuan Teng et al.  

【期刊】Current Biology

【时间】19 September  2019

【DOI】10.1016/j.cub.2019.08.077

【链接】

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(19)31161-3 

【摘要】

The sense of taste allows animals to sample chemicals in the environment prior to ingestion. Of the five basic tastes, sour, the taste of acids, had remained among the most mysterious. Acids are detected by type III taste receptor cells (TRCs), located in taste buds across the tongue and palate epithelium. The first step in sour taste transduction is believed to be entry of protons into the cell cytosol, which leads to cytosolic acidification and the generation of action potentials. The proton-selective ion channel Otop1 is expressed in type III TRCs and is a candidate sour receptor. Here, we tested the contribution of Otop1 to taste cell and gustatory nerve responses to acids in mice in which Otop1 was genetically inactivated (Otop1-KO mice). We first show that Otop1 is required for the inward proton current in type III TRCs from different parts of the tongue that are otherwise molecularly heterogeneous. We next show that in type III TRCs from Otop1-KO mice, intracellular pH does not track with extracellular pH and that moderately acidic stimuli do not elicit trains of action potentials, as they do in type III TRCs from wild-type mice. Moreover, gustatory nerve responses in Otop1-KO mice were severely and selectively attenuated for acidic stimuli, including citric acid and HCl. These results establish that the Otop1 proton channel plays a critical role in acid detection in the mouse gustatory system, evidence that it is a bona fide sour taste receptor.