2024年8月6日，云南大学生命科学中心陈庆锋课题组联合复旦大学李保宾团队和天津大学田裕涛团队在著名学术期刊Cell Discovery 发表了题为“Structure basis for sugar specificity of gustatory receptors in insects”的研究论文，报道了果蝇果糖特异性受体DmoGr43a（Drosophila mojavensis Gr43a）在apo态和果糖结合状态，以及甜味受体DmGr64a（Drosophila melanogaster Gr64a）在apo态和蔗糖结合状态的高分辨冷冻电镜结构，为昆虫糖特异性和甜味感知的结构机制提供了一定的基础。

味觉感知对于动物的食物选择和摄食行为至关重要。哺乳动物使用G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors, GPCR）来感知甜味和苦味，而果蝇等昆虫则使用一类称为味觉受体（gustatory receptors, Grs）的离子通道家族来感知。甜味物质和苦味物质由分布在不同感觉细胞中的不同Grs家族成员来感知，并分别产生吸引或排斥反应。果蝇的68个Grs中，有8个成员（Gr5a、Gr61a和Gr64a-f）定位于甜味神经元中，多数参与甜味感知。其中Gr5a是感知海藻糖所必需的，Gr64a则被认为对多种糖的感知至关重要，包括葡萄糖、蔗糖和麦芽糖等。而Gr43a是果糖特异性受体，在果蝇大脑中表达并作为血液中果糖水平的感应器，参与调节果蝇进食行为。尽管人们对昆虫甜味受体Grs的功能已有较多认知，但是这些受体的整体结构和特异识别不同糖分子的分子机制仍需通过结构生物学等手段进行阐明。

该研究解析了DmoGr43a在apo态和果糖结合状态、DmGr64a在apo态和蔗糖结合状态的高分辨冷冻电镜结构。DmoGr43a和DmGr64a均形成风车状的同源四聚体，且具有相似的拓扑结构。它们的结构可划分为共有28个跨膜螺旋（transmembrane helices, TMs）的跨膜结构域（transmembrane domains, TMD）（每个亚基7个TM，编号为S1-S7），以及包含“锚定结构域（anchor domain）”的胞内结构域（intracellular domain, ICD）。不同亚基的TMD间相互作用仅由S7b介导，从而使相邻亚基间形成较大的空腔，由大量脂质分子占据。

DmoGr43a和DmGr64a四聚体均有4个糖分子结合口袋，位置与Orco/MhOR5等气味受体中的配体结合位点相似。在DmoGr43a和DmGr64a中，每个亚基的S1-S6围成糖分子结合口袋（位于脂双分子层近胞外侧）。与DmoGr43a相比，DmGr64a的TMD更宽，主要原因在于其参与形成底物结合口袋的螺旋束（S1-S6）的胞外一半发生了向外扩张，其中S1、S3和S4最为显著。DmGr64a中更大的糖分子结合口袋与其可识别更多、更大的糖分子是吻合的。DmoGr43a和DmGr64a与糖分子的结合是通过结合口袋中氨基酸残基与糖分子的各个基团之间形成大量的氢键和疏水相互作用来实现的。当参与果糖和蔗糖结合的残基被突变后，DmoGr43a和DmGr64a对果糖和蔗糖的响应能力显著下降。糖分子的结合引起结合口袋发生局部的结构变化，并可能通过S5向负责形成中心离子孔的S7传递，最终引起离子通道的开放。

云南大学生命科学学院博士研究生陈瑞珠、复旦大学脑科学转化研究院副研究员张然、天津大学医工院博士研究生李璐和硕士研究生王伯展为该论文的共同第一作者。陈庆锋教授、李保宾研究员和田裕涛教授为共同通讯作者。该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、天津市杰出青年科学基金、云南省杰出青年项目和云南省兴滇英才计划项目的资助。

来源：生命科学学院

编辑：李哲 责任编辑：陈涛