味覺受體及其對食品功能評價的應用潛力

龐廣昌，陳慶森，胡志和，解軍波

（天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134）

味覺受體及其對食品功能評價的應用潛力

龐廣昌，陳慶森，胡志和，解軍波

（天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134）

哺乳動物味覺系統傳統分類為五味：鮮、甜、咸、酸、苦。這些味覺讓我們能夠大概了解食物的組成成分。味覺的傳感受體經鑒定屬于最大的基因家族——G蛋白偶聯受體的主要成員T1R和T2R。有研究表明，還有一種和脂肪傳感有關的受體，可以介導游離脂肪酸（free fatty acid，FFA）的味道，也屬于G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptors，GPCR）家族成員。越來越多的研究顯示，味覺受體不僅在味覺器官中表達，也廣泛表達于其他組織和器官中。但是大多數研究結果都是通過反轉錄聚合酶鏈式反應（reverse transcriptionpolymerase chain reaction，RT-PCR）和微陣列方法得到，尚未對其蛋白表達和生理功能進行系統研究。近年來，一些文章報道了關于胃腸道味覺受體的生理功能。這些研究結果進一步證明嗅覺和味覺受體絕不僅僅局限于味覺和嗅覺傳感，可能還有其他潛在的重要功能。本文首先整理和總結了嗅覺和味覺受體在嗅覺和味覺器官以外的組織中的表達情況，而后深入探討其潛在的多種生理功能，從營養傳感、吸收控制及對代謝平衡、能量吸收與控制的影響，到代謝紊亂所引起的疾病。最后，預期這些受體及其檢測技術的發展方向和應用前景，特別是在食品性味評價和主要功能性成分，如：白藜蘆醇、多酚類、黃酮類和其他植物化合物的功能性評價中的應用。

G蛋白偶聯受體；嗅、味覺受體；配體（基）；G蛋白級聯放大；生物傳感器

G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）是一種七跨膜蛋白受體，幾乎存在于所有細胞中，通過激活胞內G蛋白級聯放大系統傳遞營養信號。該受體基因是細胞中最大的受體基因超家族[1]。GPCRs作為多種配體或配基的傳感系統，可以和光量子、離子、生物胺、脂肪、碳水化合物、肽類和多種化合物相互作用，作用結果通過胞內結構域激活G蛋白級聯放大系統，從而介導多種細胞生理活性，包括視覺、聽覺、嗅覺和味覺傳感作用，是細胞和機體與環境進行物質和信息交流的主要受體。顯然，該受體不僅在調節細胞和生物營養物質的傳感與吸收控制起作用，而且在神經、免疫、內分泌、代謝控制以及繁殖等幾乎所有生理活動中發揮至關重要的作用。由此可見，GPCRs的傳感與控制構成了生命活動的關鍵性調控機制。盡管其結構與功能研究因其與細胞膜的復雜相互作用而存在很多難題，其傳遞信號的復雜性又使得測定方法上面臨很多難以克服的問題，但仍無法掩蓋GPCRs作為藥物篩選靶點的巨大潛力。事實上，至少40%的藥物是通過GPCRs作為靶點篩選出來的。GPCRs最早是在嗅覺上皮作為嗅覺受體得以鑒定[2]。已知在人類中有900 個嗅、味覺GPCRs成員（包括假基因），在鼠科動物中則高達1 500 個成員，在脊椎動物中該基因家族占總編碼基因的3%～5%。人類有390 個編碼嗅、味覺受體的基因[3]，這些受體主要屬于GPCRs的視紫紅質A家族（the rhodopsin family A）。國際上，味覺感受一般分為5 種：甜、鮮、苦、咸和酸，和中國傳統的五味：酸、甜、苦、辣、咸略有區別。在中國傳統五味中，按照味覺物質屬性，甜和咸顯然分別代表營養物質（或能量物質，如糖、蛋白和脂肪）和食鹽，而酸、苦、辣則代表抗營養物質。國際上主要是描述以GPCRs為受體的營養感受：甜、鮮和咸代表營養，苦和酸代表抗營養。顯然，味覺傳感代表了生物對環境中營養的探查、追求以及對抗營養的回避。值得注意的是，中國傳統飲食文化中講究的是“五味調和”，這正是在自身嗅、味覺傳感的基礎上追求營養的平衡與協調[4]。在過去的幾十年里，甜、鮮和苦味的傳感機制已經清楚，它是由GPCRs介導的，主要由味覺受體1型（taste receptor type 1，T1R）和味覺受體2型（taste receptor type 2，T2R）組成。T1R家族即谷氨酸鹽家族C（glutamate/ family C GPCR group），共有3 個家族，它們形成甜和鮮味受體。而T2R家族則有多達25 個高度分化的GPCRs，主要負責苦味傳感。已經有證據表明，在味覺系統也存在專門傳感游離脂肪酸的受體，即游離脂肪酸GPCR家族（the free fatty acid GPCR family），該受體主要傳遞香味感受。近年來不斷發現這些嗅、味覺傳感受體不僅分布在嗅覺和味覺系統也廣泛分布在其他組織、器官和系統例如腦、骨骼肌、胃腸道和呼吸道等。然而這些研究結果主要通過反轉錄聚合酶鏈式反應（reverse transcription polymerase chain reaction，RT-PCR）和微陣列技術（microarray technology）得到很少對受體蛋白的表達和功能進行系統研究。作為化學傳感受體的GPCRs嗅、味覺受體，可能在多種組織中發揮更多重要的生理功能，這引起了科學家們的密切關注[5]。對這些受體的研究不僅在食品、營養和調味品方面的應用，也在其他領域如藥物篩選靶點和食品的功能性評價等[6]。

1 嗅、味覺受體及細胞信號放大作用

嗅、味覺傳感受體家族的信號級聯放大和傳遞途徑已經有較為詳盡的研究，如圖1所示[7]。嗅、味覺受體信號途徑所涉及的G蛋白級聯放大系統被命名為Gαolf（GNAL），該信號系統主要通過激活嗅、味覺同型腺苷環化酶（olfactory isoform of adenylyl cyclase，AC），即AC3（即ADCY3）由ATP環化生成第二信使cAMP[8]。細胞cAMP的升高激活陽離子選擇性環核苷酸門控通道（cation selective cyclic nucleotide-gated channels，CNG）導致鈣離子滲透性增強[9]，使細胞膜去極化，并積累后產生嗅、味覺神經元動作電位。基因敲除小鼠實驗證實，缺少Gαolf[10]、AC3[11]和CNG[12]的小鼠表現出嗅、味覺缺失。有證據表明，一種鉀離子依賴性Na＋/Ca2＋交換因子（a potassium-dependent Na＋/Ca2＋exchanger，NCKX4）可能用來決定嗅、味覺的響應模式[13]，但是激活Ca2＋或Cl?通道的詳細機制尚存在爭議[14]。

圖1 嗅、味覺成分與受體結合引起鈣通道的開放、鈣內流和極化作用[77]Fig.1 GPCR-mediated olfactory signaling cascade is highly specialized in the olfactory epithelium[7]

嗅、味覺傳感是在決定是否進食和消化吸收之前，為我們提供了評價食品來源和營養成分的有力工具。苦味和酸味往往意味著抗營養或食物腐爛變質，甚至存在有毒成分；咸味主要傳感食鹽的存在；而甜味和鮮味意味著富含能量物質，激活機體的欲望，驅使進食[15]。脂肪和游離脂肪酸的傳感則主要表現為誘人的香味，而由于對脂肪和游離脂肪酸的感受在香味和油膩之間交叉轉變而一直充滿爭議，直到近年來才得到了較為詳細的研究[16]。有趣的是，中國的傳統飲食和烹飪中的五味調和理論不僅沒將鮮味列在其內，也把香味排斥在五味之外。雖然味覺系統 非常復雜，但是人類似乎很難在味覺系統的區分和描述上取得完全統一的認識、描述和量化指標。雖然如此，人們似乎憑借這5 種基本味道就能夠實現對食品營養成分的控制與取舍[17]。

經典的T1R和T2R信號傳導級聯放大系統可以放大分子信號，當分子和受體結合時，激活受體的胞內結構域，βγ亞基激活PLCβ2，從而促使Ca2＋從瞬時受體電位離子通道蛋白5（transient receptor potential cation channel，subfamily M，member 5，TRPM5）離子通道流入。推測味導素（gustducin，Gαt3）就是配合T2Rs這一作用，部分證據已表明T1Rs的作用與此相似。也有證據表明α-亞基在甜味、鮮味（包括：Gαs、Gαi2、Gαt和Gα14）的味覺傳感中發揮重要作用。這些推測也得到了敲除PLCβ2或TRPM5實驗的證明：敲除這2 個基因的小鼠傳感甜、苦和鮮味受阻，而傳感咸和酸味作用不受影響，如圖2所示[17]。

圖2 不同味覺物質通過激活不同的G蛋白信號放大系統傳遞細胞信號，產生不同的味道神經傳感[17][17]Fig.2 Canonical T1R and T2R signal transduction cascades share common signaling molecules[17]

2 嗅、味覺受體不僅分布于嗅覺和味覺器官

嗅覺和味覺受體的概念會將這些受體局限在機體的味覺和嗅覺系統。也正是這些受體在系統中傳感嗅、味覺信號，并將信號轉為神經興奮，傳入大腦，才使機體產生味覺感受。事實上，我們也的確不能通過其他器官來感受相應的嗅覺或味覺。但是，近年來發現這些味覺或嗅覺受體在其他器官中也有表達。最初這些表達被冠以“異位表達”（ectopic expression），或嗅、味覺樣受體（olfactory-like receptors）的名稱。但后來發現，這些所謂的異位表達是一種普遍現象，且已超過“異常表達”的本意，故需要重新解釋[18]。嗅、味覺GPCRs在多種細胞和組織上表達，表明其功能不止是傳感嗅、味覺，而是還有其他功能[19]，但是這些部位上，信號并非通過激活神經元傳遞到大腦，所以還未可知它們的作用。

利用轉錄分析技術在鼠科動物和人類組織，包括精子[20]、心臟[21]、脾臟[22]、紅細胞[23]和胎盤[24]中都檢測出嗅、味覺受體基因的轉錄。而且在心臟和胰腺中[25-26]也發現存在Gαolf。已有證據表明Gαolf在多巴胺D1受體和腺苷A2a受體信號傳遞中發揮關鍵作用[27]。AC3也并非僅在味覺神經信號傳遞中發揮作用，它也在中樞神經系統、心血管系統、呼吸系統和視神經系統中表達[28-30]。同樣，T1R和T2R GPCRs也已經在很多組織中被發現[31-32]。由于上述研究結果主要是基于轉錄檢測的方法，對這些受體的實際合成與分揀作用尚需研究和證實。然而這些受體在氣管和胃腸道黏膜系統的表達與功能特性已得到了證實。已有至少32 個嗅、味覺基因在嗅、味覺上皮以外的組織上表達。例如，在肺和心臟中各有10 個基因表達[19]。可見這些基因除傳遞嗅、味覺信號外，還應具有其他功能[33]。Feldmesser等[18]為此提出假說：該現象可能是嗅、味覺神經傳導系統的痕跡性轉錄和表達，因此不可能在組織或器官發揮功能。但是，這個假說遭到了來自進化生物學研究證據的挑戰，特異性的嗅、味覺基因的表達并沒有所謂“痕跡”的轉錄和表達[34]。同時，傳導素也被證明在其他器官，如胃中表達[35-36]。報告基因技術為嗅、味覺受體在其他組織或器官中的表達調查提供了有效手段。實驗結果有力證明了嗅覺和味覺受體的確存在于人類幾乎所有的組織或細胞中。因此，這些受體可能正是內分泌系統調節與控制的介導者[37]。嗅覺信號可以調節激素分泌，而激素，如腎上腺素[38]則可以通過循環系統調節機體的能量內平衡（energy homeostasis），包括食欲肽（orexigenic peptides）、神經肽（ neuropeptide）Y等[39-40]。這意味著嗅、味覺上皮在傳遞信號到神經系統的同時，也傳遞代謝內分泌信號[41]。越來越多的證據表明嗅、味覺傳感作用可能還具有調節多種激素，包括大麻素類（cannabinoids）[42]、腺苷類[43-44]和血管緊張素轉換酶Ⅱ類[45]的功能。

3 嗅、味覺受體與健康

大量研究表明，嗅、味覺受體GPCRs出問題會導致疾病。例如，一系列的味覺受體在肌發生和再生中發揮重要作用[46]，而嗅覺受體可能在精子發生中發揮作用[47]。大鼠在饑餓狀態[48]、缺少必要的腸道微生物菌群[49]或腦缺血[50]等狀態下，T1R3轉錄和蛋白水平就會升高。還有研究證明，T2R的激活作用可以促進腸促胰酶肽（cholecystokinin，CCK）和胰高血糖素樣肽（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的分泌。Tas2基因表達則受飲食中的甾醇類化合物的控制[51]，而且饑餓狀態可以上調鼠科動物心臟的Tas2基因的表達，證明營養成分傳感可以作用于心臟的基因表達[52]。

3.1 胃腸系統

一些嗅、味覺化合物對調節機體內平衡發揮了重要作用，它們能被各種器官或組織感受或“檢測”到，以便對機體的代謝、內分泌和免疫系統進行相應的調節與控制，特別是腎臟、胰臟、消化道和腦部。我們可以直觀地推測：在腸道中味覺傳感系統應該可以通過味覺GPCRs對腸腔中的營養進行定量探測，并在此基礎上通過釋放激素、細胞因子和趨化因子控制機體代謝和免疫功能[53-55]。大量研究證明，甜味、鮮味和苦味GPCRs遍及整個消化道，Meyerhof等[56]專門對此進行了綜述。T1Rs可以調控GLP-1腸內分泌細胞（enteroendocrine cells）的分泌、降糖素（incretin）的分泌、以及葡萄糖鈉依賴性吸收與轉運所形成的體內平衡[57-58]。據報道，作為鮮味物質的L-谷氨酸可以通過鮮味受體發揮黏膜防御功能[59]，這個防御過程是通過L-谷氨酸和葡萄糖激活T1Rs，然后激活腸黏膜系統的葡萄糖載體（glucose transporter，GLUT2）和寡肽載體（oligopeptide transporter，PepT1）。這些發現證明味覺受體之間可能調節運載體運輸網絡從而控制體內能量和代謝平衡[60]。甜味和鮮味受體也存在于下丘腦的事實說明，食欲控制的器官也是通過受體發揮作用[61]。已經有人提出，T1Rs可能作為Ⅱ型糖尿病和某些代謝性疾病的治療藥物靶點[62]。但是由于它的廣泛表達增加了體內信號傳遞和信號與胃腸道的復雜關系，因此在作為靶點時必須重點考慮。T2Rs具有調節胃腸道激素分泌的功能，這使得目前大多數利用體外細胞進行的研究結果說服力大打折扣。多數情況下，缺少T2R依賴性生物學作用的直接證據，例如，在人類和小鼠中，苦味會增加腸內分泌細胞Ca2＋的內流，這將導致腸道激素的分泌，包括：CCK和GLP-1[51,63-64]。而且，推測T2R配體（基）還可以引發前列腺素調節性陰離子在大腸中的分泌，調節胃的排空[65-66]。存在于腸腔中的食品衍生味覺成分與嗅、味覺受體作用，也會刺激人類腸嗜鉻細胞釋放5-羥色胺[67]。上述這些研究表明，嗅、味覺受體作為靶標，可能在胃腸道中和在肥胖、糖尿病和吸收不良綜合癥治療及藥物篩選中起到重要作用。

3.2 呼吸系統

T2Rs已經被揭示出在呼吸系統中的一系列不同細胞類型中發揮不同的作用。作為鼻腔上皮嗅覺系統的化學傳感細胞受體，T2Rs被各種刺激物激活，如苦味物質和外源異物可以激活三叉神經纖維，并產生氣管保護性反應[68-69]；氣管中的TAS2受體表達細胞也可以對苦味物質，如環己酰亞胺（cycloheximide）做出響應，導致呼吸頻率的減少[70]。

人類呼吸道上皮細胞也能對苦味物質做出響應，例如增加纖毛的運動頻率，有助于清除有害物質的吸入和病原體的入侵[71]。對Tas2R38基因的研究結果表明，該基因可以增強呼吸道對細菌感染的敏感性。在此過程中，受體T2R38首先被細菌分泌的敏感成分激活，然后產生氧化一氮從而介導內源性防御應答[72]。此外，T2Rs在人類和老鼠呼吸道平滑肌中被檢測到，預示著該受體可以作為哮喘病治療的靶點[73]。

苦味物質可以促進鈣的細胞內流，卻使鼠科動物平滑肌松弛，減弱哮喘模型鼠的癥狀，這表明T2R在非味覺組織也能發揮生理功能[73]。高濃度的苦味配基往往可以引起支氣管擴張，也說明了味覺受體藥物應用前景。并且推測呼吸道的肌肉松弛的原因，可能是通過細胞內鈣流激活通道 （Ca2＋-activated K＋BKCa）引起的。但近期此觀點受到了質疑，認為該過程可能是苦味依賴性Gβγ電壓依賴性Ca2＋通道的作用[74]引起的。T2Rs可能成為哮喘和慢性阻塞性肺病治療性藥物篩選的重要靶點，但其作用機制仍有待于深入研究。

3.3 骨骼肌和心肌

微陣列方法揭示出肌發生、再生、損傷修復過程，與特異性味覺受體的存在和傳感密切相關[46]。在該研究中，研究人員用一種合成的水溶性配基——新鈴蘭醛（lyral）發現特異性味覺受體可以作為精子Olfr16受體選擇性趨化作用的激動劑。對該受體是否可以作為藥物靶點的研究結果表明，的確具有很大的潛力。最近又有研究證明在鼠科和人類心臟中也存在味覺受體[52]。他們通過微陣列方法鑒定了血管緊張素轉化酶Ⅱ誘導的心肌肥大模型動物的味覺受體表達情況，證明了味覺受體亞類的確在鼠科動物心臟中表達，并受營養狀態的調控[52]。

3.4 腎臟

嗅、味覺受體也在腎臟中分布，并可能對腎臟功能發揮調節作用[75]。至少有6 個嗅、味覺受體，如Gαolf和AC3，在整個腎臟中都有分布。通過免疫細胞化學定位法已經測定到Gαolf和AC3分布于遠側腎單位——致密斑細胞（macula densa），而且AC3?/?缺陷型小鼠表現出腎素分泌和腎小球過濾缺陷。敲除Olfr78和Gpr41基因，小鼠表現出對腸道微生物產生的短鏈脂肪酸的應答失調，以致腎素和血壓的失調[76]。

3.5 生殖系統

不少研究證明，人類和小鼠嗅、味覺受體在生殖系統，如睪丸和精子中表達[77]。這些受體與不同的信號傳遞途徑相配合，產生特異性的鞭毛運動模式和精子的趨化特性。家蠶的性誘素（蠶蛾醇）正是通過雌性個體分泌蠶蛾醇并散發到空氣中，當雄蠶蛾觸角上的性信息素受體接受到蠶蛾醇時，就可以做出響應，沿著蠶蛾醇的濃度梯度找到雌蠶蛾。這些性誘素的受體也正是和嗅、味覺受體的作用相似，但更加特異而靈敏，最大接收信息距離可以達到10 km[78]。人類精子表現出對叔丁基苯丙醛配基較高的激活作用，這與趨藥實驗結果一致[79]。另外一項研究結果表明，對前列腺癌細胞增殖的抑制作用與特異性的味覺受體——OR51E2明顯相關[80]。這些表達在精子上的嗅、味覺受體可能通過調節Ca2＋和cAMP的水平在精子發生和趨化中發揮作用[81]。

3.6 嗅、味覺GPCRs的功能擴展

游離脂肪酸受體FFA4（GPR120）是另一種具有重要生理功能的GPCR，它的主要功能是傳感脂肪酸或脂肪的味道。在對ω-3脂肪酸刺激作出響應時，FFA4還可以減少巨噬細胞介導的炎癥，介導體內抗糖尿病作用[82]。FFA4在肥胖個體脂肪組織中表達量明顯增高，在脂肪膳食傳感和控制鼠和人類能量平衡中發揮重要作用[83]。T1R1、T1R3可以直接傳感氨基酸，同時也在調節哺乳動物雷帕霉素靶蛋白1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）自吞噬途徑中發揮重要作用[48]。OR2A4和TRs（T1R2和T2R13）對細胞分裂周期的控制最近也有報道[84]，這是對其命名為嗅、味覺受體的又一個挑戰。與苦味傳感相關，并廣泛表達的T2Rs可能還具有介導苦味藥物的脫靶效應[85]。越來越多的證據迫使我們改變原來的看法，所謂嗅、味覺受體GPCRs還具有其他廣泛的生理和病理作用，它們不能傳遞感知信號的原因，主要是它們釋放的是激素和免疫內分泌信號，而不是通過神經元傳導神經興奮。

4 嗅、味覺受體與藥物篩選靶標潛力

4.1 配體（基）的鑒定及其與GPCRs分離與純化的不對稱性

一系列受體和配體（基）被用來闡明嗅、味覺受體除嗅、味覺以外的功能。大量不同的嗅、味覺GPCRs家族在分離、純化、檢測和鑒定方法上遇到不少實際困難和難以克服問題。在藥物篩選方面，第一個難題就是潛在的配體（基）的靶標受體Ors或T2Rs的分離與鑒定[86]。在這兩個受體家族中，每一個受體成員都可以結合多種配體（基），而且一種配體（基）又可以結合多種受體，甚至作用于不同的細胞內G蛋白信號級聯放大系統。在配體（基）的選擇性方面，Ors和T2Rs往往表現出在某一情況下被單一化合物激活，而在其他場合卻表現為與相當廣泛的配體（基）相互作用。這些嗅、味覺受體往往只被作為味覺化合物的受體[87]，因此很少對這些受體的其他功能進行研究。這些味覺化合物往往還有其他作用靶點，如離子通道、運載體等，這將會影響或混淆對實驗材料的選擇和對結果的判斷，從而進一步增加了研究的復雜性。例如，在人類精神物理學檢測（psychophysical tests）中，氯奎寧（chloroquine）和環己酰亞胺都是苦味化合物。氯奎寧是已知溶酶體抑制劑，被用來抗瘧疾，并具有抗炎癥，抑制免疫等作用，而環己亞胺則通常被用作蛋白質合成抑制劑。與此相似，已知最苦的物質——苯酸芐銨酰胺（denatonium benzoate），具有激活ATP-敏感性鉀通道（ATP-sensitive potassium channel）[88]活性的作用。另一個的問題是當考量苦味物質與推定T2R依賴性功能作用時，往往使用高濃度的配體（基），這樣的濃度常常和脂肪受體產生與T1Rs的交叉作用。這是因為一般T2Rs都具有較低的EC50值[87]，有些甚至有細胞毒性，因此濃度太高的T2Rs有可能增加非特異性作用。故在推測T2R與配體（基）互作產生生理作用時，這些配體（基）在濃度和交叉作用方面的問題也需要給予重視。到目前為止，我們還對嗅、味覺GPCRs在嗅覺和味覺器官以外的組織中的配體（基）的物質結構和來源缺少了解。從直覺判斷，腸道表達的嗅、味覺GPCRs可能受飲食中化合物的作用[65]。同樣道理推測T2Rs在呼吸道中的作用主要是用來排除呼吸空氣中的刺激性，甚至毒性物質[72]。

另一個值得注意的問題是，在分離和鑒定嗅、味覺受體及其配體（基）之間存在著明顯的不對稱性。經驗得出幾乎所有自然界的有機化合物或金屬離子都有嗅、味覺作用，說明不僅嗅、味覺受體具有很大的多樣性[89]，其配體（基）則具有更加巨大的多樣性，所以很多文獻稱GPCRs為化學傳感受體。GPCRs作為七跨膜受體蛋白超家族具有上千個成員，和細胞內的G蛋白級聯放大系統相偶聯，放大其與配體（基）的識別作用。雖然GPCRs的研究一直受到科學家的廣泛關注，但是對其結構和功能的研究卻遇到很多難以克服的問題，例如分離和純化就需要解決它與膜之間相互作用、結構和功能之間的復雜關系。另外，由于它是通過細胞內G蛋白不同途徑放大和傳遞信號，進一步增加了問題的復雜性。根據目前的研究可知，在體內細胞間正是通過GPCRs和配體（基）之間的信號傳遞形成細胞通訊網絡、神經網絡、代謝和內分泌網絡。雖然通過分子生物學方法，以及GPCRs序列可以檢測到該超家族的多樣性和進化特性，但是其分離、純化、結構與功能的關系研究卻受到了很多限制，例如純化的GPCR是否還具有和錨定在細胞膜上相同的功能？胞外結構域和胞內結構域的關系是否隨分離純化而改變？GPCRs之間及其與輔助刺激分子之間是否有互作？GPCRs在和G蛋白級聯放大系統偶聯時的選擇性問題、和其他信號途徑之間的“串音”（cross talking）等眾多問題都有待克服。而在配體，特別是配基的分離、純化、化學合成以及結構分析等方面，卻由于物理化學，有機化學合成與分析技術的發展取得了巨大成就。因此在研究配體，特別是配基與受體的作用規律時，應著重對已知配基對載有GPCRs的細胞或組織上的研究。

4.2 內源性嗅覺和味覺受體激動劑

已知的嗅、味覺受體的配體（基）基本上都是合成或異源化合物。所研究的受體廣泛表達在幾乎整個機體中，所以有假說認為可能還存在著這些GPCRs內源性激活性配體（基），像這樣推定的內源性激動劑可能為我們提供嗅覺或味覺受體全身性分布的功能的合理解釋。根據這一思路，Kimoto[90]和Haga[91]等相繼證明了外分泌腺通過釋放生物活性肽作用于信息素受體，產生性特異性生殖誘導作用。研究證明，從組織中篩選到的味覺配體，一種脂肪酸代謝中間體可以作為味覺受體的生理性配體[92]。實驗證明，這些嗅、味覺受體的確可以被內源性中間代謝物激活[93]。從這一觀點出發，中間代謝產物配基可能和多種受體系統相互作用，調節機體的代謝、免疫和內分泌平衡，因而具有治療各種代謝性疾病的潛力[94]。

值得注意的是，T1Rs屬于谷氨酸鹽/家族C，是被研究較多的GPCRs家族成員，這一組GPCRs包括非常廣泛的由營養——氨基酸、蛋白降解肽、離子、糖類和游離脂肪酸[53]受體。該受體異源表達后經體內實驗研究證明，T1R2、T1R3作為甜味物質的傳感受體，傳感相應的甜味物質包括糖、人工甜味劑、D-氨基酸、甘氨酸和甜蛋白[56]。重要的是，研究所得出的結果在不同哺乳動物之間差別很大，特別是人工甜味劑和甜蛋白并不能引起嚙齒類動物甜味受體的響應。與這些結果相似，已知T1R1、T1R3是鮮味受體，可以優先結合谷氨酸鹽，而嚙齒類動物該受體則可以對多數L-氨基酸做出響應[32]。它們的這種廣泛的配體（基）響應和多種組織的表達反映了作為藥物靶點的GPCRs，在治療糖尿病、代謝紊亂等方面應該有所作為[48]。

4.3 嗅、味覺受體拮抗劑

已經有多種嗅、味覺GPCR-修飾化合物（配基）可以對嗅、味覺以外的器官表現出功能作用。特別是關于T1Rs的拮抗劑，一系列的變構調節小分子化合物，如怡甜降甜劑（lactisole）[95]已經廣泛應用于對甜味機制的研究。在美國，怡甜降甜劑已經可以作為食品添加劑以及代謝性疾病治療的候選藥物進行研究。在食品和飲料行業開發新的別構調節劑也已經開始發展[96]，結合嗅、味覺受體的深入研究一定能夠揭示出更多有關這些嗅、味覺GPCRs全身性分布的秘密。另外，苦味受體及其作用機制的研究結果也表明，它們的功能可能遠遠超出其本來含義[97]。同樣，作為嗅覺受體，包含了GPCRs家族A——最大的視紫紅質子集，雖然在作為治療性藥物靶標方面進展不佳，但是由于這些嗅覺受體往往和信息素密切相關，在蟲害和鼠害防治，激素控制和信號傳遞等方面已經展示出廣闊的發展空間[98]。

5 中國“性味”理論的秘密

苦、辣、酸、甜、咸“五味”是中國人對味覺的總結和認識。雖然中國人早就清楚“味覺”遠非只有這“五味”，而是“百味”或更多。但是從“屬性”和功能相生相克的關系來說，則主要歸納為五味。例如，中國的五味里不包括鮮味，并不是因為不知道有鮮味物質存在，而是中國人至少在三千年以前已經意識到味覺和健康、疾病之間的“表里”聯系和相生相克關系，所以從其屬性和表里關系上歸納為“五味”。以“性味”為主要內容的中醫藥、食品性味理論，是中醫藥和食品屬性理論的核心，也是中醫臨床用藥及飲食的依據。匡海學等[99-100]通過一系列研究表明，中藥同時具有性與味兩種作用，且中藥性味組分、性味拆分組分或化合物亦有其性味屬性，即兩種屬性都具有可拆分性和可組合性。五味主要與功效相關，屬性則主要影響機體能量和物質代謝。在食品、飲食和烹飪方面，中國人主張食材也具有四氣、五味、歸經、升降、浮沉等食性[101]。人類通過平衡膳食就可以“不治已病治未病”，其可操作性理論基礎就是五味調和。由于人的生活和飲食習慣以及所處的環境各不相同，所以主張針對每一個人的不同情況，依據各種食材的性味制定不同的飲食方案[102]。顯然，中國人早就注意到嗅、味覺，特別是五味與機體五臟六腑、神經、免疫和內分泌、代謝內平衡互成“表里”的關系，并通過“五味”的傳感與機體內部五臟六腑的功能相聯系，從而根據“五味”之“表”判斷臟腑及功能之“里”。中醫藥正是通過治“標（表）”達到治“本”的目的。為了能夠更清晰地說明嗅、味覺傳感與機體生理需要和功能的關系，根據目前的研究結果并結合本實驗室的研究結果，我們提出嗅、味覺受體及其全身分布的“窗口”假說，如圖3、4所示。

圖3 “五味”和“臟腑”之間的“表里”關系Fig.3 Internal and external relationships among five flavors (sweet, sour, bitter, pungent, and salty) and internal organs (Zang-Fu viscera)

中國人一直認為“五味”調和才是健康之本，原因是“五味”和五臟六腑互成“表里”關系，甜和咸分別作為糖、脂和氨基酸以及鈉離子等營養成分，苦、辣和酸則作為“抗營養”成分，在體內形成臟腑之間的相生相克關系。五臟六腑的健康和問題通過味覺表現出來。“味覺”既可以作為機體內部營養需求及平衡的“窗口”，又可以通過味覺變化控制食欲。醫生也可以通過味覺變化來判斷機體營養需求和平衡情況，維護機體健康，減少由于飲食不平衡所導致的疾病。

圖4 “嗅、味覺”物質及其受體之間所形成的通訊網絡Fig.4 Communication network formed by odorant/taste receptors and their ligands

如圖4所示的假說認為：在嗅、味覺物質及其受體之間形成化學通訊系統，通常所說的嗅、味覺實際上是嗅、味覺受體在接受相應配體（基）刺激以后釋放神經遞質，通過神經纖維與中樞神經（腦）系統之間形成有線通訊網絡，發揮攝食、食欲和性引誘等快速反應機制；而分布在消化道、呼吸道中的嗅、味覺受體則是用來接受相應配體（基）刺激，通過分泌激素、細胞因子和趨化因子等信號分子，經循環系統在機體內細胞間形成無線通訊網絡。細胞間無線通訊網絡控制機體的免疫、代謝平衡和內分泌[103]。正是由于動物的生理和營養需求，才需要進化出營養和生理傳感系統，用以取食、進食和食欲控制。同樣，也正是由于機體內復雜的生理、免疫、代謝和能量需求，才在消化道系統表達這些營養傳感受體，從而實現營養的吸收與控制。嗅、味覺受體傳感系統的實質是控制機體營養攝取、生理需求，是一個“窗口”機構，就像公司的人事部，它控制整個公司的人力需求，而不是“人事部”本身。已經有研究證明，至少在GPCRs及其配體（基）之間具有一種配體和多種受體作用，而多種受體又可以和同一種配體作用，如趨化因子及其受體[104]，這恰恰符合網絡通訊的基本要素。相信隨著細胞及其分子生物學研究的不斷深入，嗅、味覺受體的作用規律和分子機制將得到深入研究。

6 嗅、味覺受體及其與配體（基）作用的研究方法

由于這些嗅、味覺受體的高質量的抗體非常有限，再加上遺傳的多樣性，有關其分布的研究大多數都依賴于RT-PCR技術，而且大多集中在比較容易取樣的部位，如氣管、消化道等。

6.1 微陣列技術

微陣列技術可以高通量檢測GPCRs的轉錄情況[18,34,105]。但是，高通量測定的結果只能反映出某種GPCRs基因的轉錄情況，由于翻譯、運輸、分揀和定位要經歷一個非常復雜的過程，所以對這些數據應該持審慎態度。而且，微陣列技術很難實現真正意義上的定量化測定[19]。但測定結果的確可以證明嗅覺受體基因主要在嗅覺上皮組織中轉錄，這和實際情況吻合。微陣列方法檢測結果表明，人類有32 個嗅覺基因的轉錄并不局限在嗅覺組織，在其他組織器官如肺和心臟也有分布[71]。因為目前對GPCRs的分類主要是根據基因序列，所以有些嗅覺受體并不在嗅覺組織中表達[33]。味覺GPCRs基因的豐度常常很低，處于微陣列測定的下限，容易漏檢，因此需要更多的探針[106]。因為微陣列方法所檢測的是轉錄情況，要確認味覺受體是否發揮味覺以外的功能則需要其他方法的印證。

6.2 檢測嗅、味覺受體的新方法

關于嗅、味覺GPCRs新功能的多數證據來自體內、外方法的結合測定。除上述微陣列方法外，轉基因或基因缺陷型小鼠模型也是常用的方法。前沿技術的應用，如在RT-qPCR陣列基礎上的高通量定量表達和新一代測序技術等，將有助于探察嗅、味覺受體在非嗅、味覺組織中的表達情況[107]。例如最近公布的對人類心、腎、肝、肺和白細胞等16 種組織器官進行的嗅、味覺受體基因轉錄和表達組學研究結果證明：嗅、味覺受體幾乎存在于所有人類器官或組織。顯然，新技術的發展和應用將會進一步揭開這些嗅、味覺受體的分布之謎。

盡管對嗅、味覺受體的研究已有很多，但是有關辣味、麻味的研究仍然很少，其主要原因是有些科學家認為麻、辣味不屬于味覺，而是痛覺。直到其受體TRPV1[108]被發現之后，才逐漸引起科學家的關注。本實驗室通過固定化小鼠味蕾組織研制出姜辣素和辣椒堿的生物傳感器，不僅實現了對這兩種物質的定量、高靈敏的測定，且獲得了這兩種物質與相應受體的結合解離常數[109]。實驗室通過相似方法也實現了對甜味、苦味物質與相應受體間的結合解離常數的測定（尚未發表的材料）。為了能夠直接測定GPCR和配基之間的相互作用，本課題組還引入納米金、辣根過氧化物酶放大系統[110]，利用體外表達的代謝性鮮味受體GPR70（T1R1）的固定化所制成生物傳感器，檢測了谷氨酸鈉鹽與受體的互作動力學及其結合解離常數（尚未發表的材料），成功實現了GPCR與配體（基）間弱相互作用的動力學分析[111]。利用該技術不僅可以實現對多種味覺物質的定量化測定，還可以實現受體和配體（基）之間相互作用和胞內結構域激活信號的傳遞，改變細胞周圍的電化學性質和對動力學參數的測定。與此同時，本驗室還通過對幾種常見動物味蕾細胞、腸道細胞的固定化，成功實現了對食品功能成分——白藜蘆醇的定量化測定，實現了受體和配體（基）互作所產生的胞內信號放大和動力學特性的研究（尚未發表的結果）。實驗證明這些方法對破解嗅、味覺受體全身性分布之謎開辟了新的途徑。

7 嗅、味覺受體與食品功能性成分的功能評價

如上所述，嗅、味覺受體構成了整個機體的生理生化、免疫內分泌、對基本營養的需求、食品安全等長時間形成的評價體系。因此，受體與配體（基）之間的識別和互作研究可能為食品在體內、外功能地方評價提供重要方法和平臺。由于以往對味覺或嗅覺的測定基本是基于對物質本身濃度測定，與受、配體識別、細胞信號傳遞或動物神經信號傳導無關，因此無法用于藥品和食品的功能評價但是，當味覺受體與配體（基）相互作用，從而激活細胞內信號放大系統，造成細胞的極化、Ca2＋通道的開啟或神經遞質的釋放，我們就可以用傳感電極取代神經元將這些電信號的變化傳遞到信號放大器和電腦，通過這一檢測系統，我們可以實現受體和配體（基）互作所產生的細胞信號功能的定量化測定，原理如圖5所示。預期這種測定方法能夠成為對功能成分評價的有力工具。不僅如此，相信這些方法在藥物篩選、藥效評價等方面也可以發揮重要作用。

圖5 固定化味蕾組織生物傳感器設計原理[109]Fig.5 Principle and scheme of the immobilized taste-bud tissue biosensor[109]

本實驗室的研究結果顯示，動物對味覺的感受明顯不同于人類，因此將某一動物的實驗結果外推到其他動物是不合適的，更不能用人類的味覺經驗外推到其他動物。用固定化不同味蕾組織對雌二醇的測定結果表明，豬、牛和鯰魚等動物均對雌二醇具有極寬的線性范圍（1×10－2～1×10－14mg/mL），然而對味覺物質僅表現為1～2 個數量級的線性范圍。該結果可以解釋雄家蠶在10 km的范圍內可以感受到雌家蠶所釋放的蠶蛾醇的原因。味覺物質大多是與營養相關的物質，其非線性正好適應了對食欲的控制，就像人類對脂肪的傳感，少量表現為香味，而超過了限量就會變為油膩一樣。本實驗團隊還通過固定化大鼠小腸不同部位的組織所制備的生物傳感器，檢測了白藜蘆醇與受體的作用規律，結果表明（尚未發表的材料），白藜蘆醇在小腸不同的部位作用受體所產生的信號放大動力學特性是不一樣的，這說明細胞表面受體的分布也是不一樣的。可見白藜蘆醇的功能主要是在小腸內與受體相互作用激活不同的信號通路，向機體內部傳遞不同的信號，從而發揮不同的生物功能。

綜上所述，嗅、味覺受體在機體內部的組織、器官和細胞都有分布，且和機體的五臟六腑互成“表-里”關系，所以它不僅是構成五味調和的基礎，同時也能反映機體的健康狀況，是評定食品或藥物功能性成分的基礎。

8 結 語

多數嗅、味覺受體是屬于GPCRs超家族成員。GPCRs是細胞營養物質傳感、細胞趨化、代謝、免疫和內分泌系統的主要受體家族，動物機體對視覺、聽覺、嗅覺、味覺的感知都依賴于GPCRs的信號傳遞作用。越來越多的研究結果表明，嗅、味覺受體不僅分布于嗅、味覺組織和器官，而是遍布于整個機體。對原因的研究已經受到越來越多的科學家的關注。弄清楚嗅、味覺GPCRs全身分布的原因不僅要深入研究這些受體的功能和機制，更可以探究這些受體成為更多化學藥物篩選的重要靶標。在目前的臨床藥物中，40%以上都是通過GPCRs作為靶標篩選出來的，所以有人推斷嗅、味覺GPCRs作為藥物篩選靶標的潛力極其巨大，特別是針對高血壓、高血脂、糖尿病、肥胖等現代代謝綜合征的藥物篩選。本文根據中國傳統食品和中醫藥理論和經驗，結合目前對嗅、味覺受體分布、功能的研究結果、技術發展和面臨的問題，提出了嗅、味覺全身分布的“窗口”假說，認為嗅、味覺受體系統正是構成整個機體對營養需求、代謝內平衡、免疫防御、神經內分泌等生理狀態的顯示窗口（中醫作為診病的依據之一），同時也構成了機體覓食、取食、安全檢測、營養吸收、免疫防御、代謝內分泌系統的檢測窗口和平臺。因此，應加強對嗅、味覺受體與配體（基）之間識別和互作規律的研究，攻克研究方法上的難題和瓶頸，深入探討不同GPCRs的信號傳遞和放大機制，系統研究由這些GPCRs及其配體（基）所形成的互作網絡，其中包括攜帶這些受體的細胞通過釋放神經遞質和中樞神經系統之間所形成的有線通訊網絡，和這些細胞通過釋放激素、細胞因子和趨化因子在細胞、組織和器官間所形成的無線通訊網絡（包括代謝和內分泌網絡）。這些研究不僅可以為我們揭開嗅、味覺GPCRs全身分布的秘密，而且在中醫藥“性味”歸經和中醫藥現代化，食品或藥物的功能評價、食品營養與安全、食品添加劑等方面均具有重大的理論意義和應用前景。

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Odorant and Taste Receptors and Their Potential Applications in Evaluation of Functional Foods

PANG Guangchang, CHEN Qingsen, HU Zhihe, XIE Junbo
(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The mammalian gustatory system is classified into five primary tastes: umami, sweet, salty, sour and bitter, which enable us to evaluate food constituents. The tastes have been identified as the major members of the G protein-coupled receptor (GPCR) family, the largest family of receptor proteins in mammals (referred to as taste receptor type 1 (T1R) and type 2 (T2R)). Another taste quality related to lipid sensing is mediated by free fatty acid (FFA) GPCR family. An increasing number of reports on the expression of odorant and taste receptors in tissues beyond the nose and mouth started to appear in the literature. But most literatures have been relied on reverse transcription PCR (RT-PCR) and microarray data without demonstrating either protein expression or function. Recently, some publications are appearing on the function of odorant and taste receptors in the gastrointestinal tract. These studies reinforce the broader potential and even more important roles beyond the odorant and taste receptors. In this review, the prevailing evidence for the expression of odorant and taste GPCRs in cells and tissues beyond the nose and mouth is summarized, and then the putative function for these receptors in diverse physiological functions, ranging from nutrient sensing, regulation of nutrient uptake, metabolic balance, energy control and metabolic disorder is highlighted. Finally, the future trends and potential applications of detection technologies for these GPCRs are expected for the evaluation of functional ingredients such as resveratrol, polyphenols, flavonoids and other phytochemicals.

G protein-coupled receptors; odorant/taste GPCRs; ligand; G protein cascade; biosensor

10.7506/spkx1002-6630-201603039

R151.41

A

1002-6630（2016）03-0217-12

龐廣昌, 陳慶森, 胡志和, 等. 味覺受體及其對食品功能評價的應用潛力[J]. 食品科學, 2016, 37(3): 217-228. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201603039. http://www.spkx.net.cn

PANG Guangchang, CHEN Qingsen, HU Zhihe, et al. Odorant and taste receptors and their potential applications in evaluation of functional foods[J]. Food Science, 2016, 37(3): 217-228. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201603039. http://www.spkx.net.cn

2015-07-05

國家自然科學基金面上項目（31371773）

龐廣昌（1956—），男，教授，博士，研究方向為食品生物技術和生物傳感器。E-mail：pgc@tjcu.edu.cn