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2024年2月2日（北京時間），國際頂尖學術期刊Science以長文形式在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心范敏銳研究組與浙江大學郭江濤、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構，闡明了昆蟲甜味受體識別單糖（果糖）和二糖（蔗糖和麥芽糖）的結構基礎以及糖類分子激活甜味受體的作用機理，為設計害蟲引誘劑或驅蟲劑提供了重要的模板。
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，這些可溶性糖對于調控植物的生長發育有重要作用。此外，花蜜中的可溶性糖可以吸引昆蟲幫助植物完成授粉，而水果中的可溶性糖也會吸引害蟲（如果蠅、金龜子等），從而造成農業損失。
昆蟲對植物糖類的識別是通過味覺受體（gustatory receptor (GR)）大家族中的甜味受體來實現的。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，果蠅中含有60多個GR蛋白，包含感知甜味、苦味等的受體，也有一些負責感知CO2、信息素以及溫度等。這些GR蛋白對于昆蟲的覓食以及在各種環境中的生存和適應至關重要。盡管領域內已對昆蟲味覺受體進行了大量的鑒定和功能研究，然而人們對于GR蛋白如何識別味覺分子以及相關激活機制仍知之甚少。
本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和果糖結合狀態的結構，以及二糖受體GR64a處于apo、蔗糖結合和麥芽糖結合狀態的結構，分辨率達到2.5-2.6埃。結構顯示GR蛋白是一個四聚體的離子通道，與哺乳動物中的GPCR型味覺受體的結構完全不同。每個GR亞基包含七個跨膜螺旋（S1-S7），其中S1-S6形成配體結合結構域（ligand-binding domain（LBD）），S7則組成中間的孔道結構域（pore domain（PD））。關于糖類的識別，GR43a和GR64a均通過胞外朝向的極性口袋來結合糖類，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，突變結合口袋的相關氨基酸殘基會嚴重影響糖類分子對GR43a和GR64a的激活（圖1）。
由于GR的中心孔道在上述apo和配體結合狀態的結構中均處于關閉狀態，作者鑒定了一個具有組成型活性的GR43a突變體（需要指出的是，該突變體仍能被果糖進一步激活）。利用該突變體解析了GR43a處于開放狀態的結構，其中孔道擴張，能夠允許陽離子通過。通過對比GR43a處于apo關閉態、配體結合的關閉態以及配體結合的開放態的結構，研究揭示了果糖激活GR43a的分子機制：首先，果糖結合到GR43a的LBD結構域，引發跨膜螺旋S5-S6向配體結合口袋中心的移動；進一步，由于跨膜螺旋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的移動會驅動S7的彎折以及中心孔道的開放（圖1）。
上述研究工作揭示了糖類分子結合并激活甜味受體的分子機制，為理解昆蟲味覺受體 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，由于味覺感知在調控昆蟲生理和行為方面起重要作用，該研究也為設計害蟲引誘劑或驅蟲劑等小分子調控劑提供了精準的結構模型。
浙江大學博士生馬德敏、胡美欽研究員、博士生楊曉彤和博士后劉強為該論文的共同第一作者，中國科學院分子植物科學卓越創新中心王睿瑛參與了該項工作。浙江大學基礎醫學院/醫學院附屬第四醫院郭江濤研究員、浙江大學醫學院/良渚實驗室徐浩新教授、中國科學院分子植物科學卓越創新中心范敏銳研究員、浙江大學醫學院附屬第四醫院/浙江大學“一帶一路”國際醫學院/浙江大學國際健康研究院蘇楠楠研究員為該論文共同通訊作者。此外，浙江大學醫學院博士生葉繁和蔡偉杰、浙江大學醫學院楊巍教授、浙江大學生命科學學院王勇研究員、中國海洋大學藥學院徐錫明研究員、浙江大學冷凍電鏡中心常圣海博士、天津大學生命科學學院葉升教授對該工作做出了重要貢獻。該研究得到中國科學院分子植物科學卓越創新中心、中國科學院上海分院的大力支持和資助。
論文鏈接：
圖1 果蠅甜味受體GR43a和GR64a感知糖類的分子基礎