诺奖得主Cell子刊解析全新感光机制

人类味觉感受器专门区分不同的化合物：糖的味道是甜的，盐的味道是咸的，酸性化合物是酸的。近期，来自美国麻省理工学院（MIT）的一项最新研究发现，秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）还具有另外一种检测能力：它们可以尝出过氧化氢的味道，从而触发其停止进食可能有危险的物质。相关研究结果发表在1月29日的Cell旗下子刊《Neuron》杂志。

　　

生物通报道：人类味觉感受器专门区分不同的化合物：糖的味道是甜的，盐的味道是咸的，酸性化合物是酸的。近期，来自美国麻省理工学院（MIT）的一项最新研究发现，秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）还具有另外一种检测能力：它们可以尝出过氧化氢的味道，从而触发其停止进食可能有危险的物质。

线虫能够尝出过氧化氢，从而使其能检测到光，光会在线虫体内及其周围环境中产生过氧化氢和其他有害的活性氧化合物。

相关研究结果发表在1月29日的Cell旗下子刊《Neuron》杂志，本文第一作者、麻省理工学院生物系博士后Nikhil Bhatla指出：“这可能是一种全新的感光机制。我们了解的所有光探测机制，都涉及一个发色团——一个小分子，可吸收光子并改变形状或传递电子。这似乎是行为型感光的第一个例子，需要在光探测过程中产生一种化学物质。”

本文通讯作者是美国生物学家Robert Horvitz，以研究线虫动物门的秀丽隐杆线虫而著名。因发现器官发育和细胞程序性细胞死亡（细胞程序化凋亡）的遗传调控机理，与Sydney Brenner、John E. Sulston一起获得2002年诺贝尔生理学或医学奖。相关阅读：解读2002年诺贝尔生理学或医学奖成果

在这篇论文中，Bhatla和Robert Horvitz描述了新的过氧化氢味觉受体。虽然目前还不知道人类是否有这个系统的等价物，研究人员称他们的这一发现支持一种理念：人类可能有专门感受其他五种典型味道的味觉受体，甜、咸、苦、酸和辣。这项研究也带来了一种可能性，即人类可能有根本不同于视觉的方式来感受光。

Bhatla说：“我认为，我们低估了我们的生物学能力。除了这五种味道之外，还有其他味道，如烧焦味。我们如何尝到烧焦味这样的味道呢？还是其他什么辣味、金属味或烟熏味？这是还没有被探索的全新领域。”

除了苦与甜
味觉的一个主要功能是确定所吃的东西是安全的还是有利的。对于人类和其他动物来说，苦味往往起毒药警告的作用，而甜味可以帮助确定富含能量的食物。

对于线虫来说，过氧化氢可能是有害的，因为它会在体内引起广泛的细胞损伤，包括损伤的蛋白质、DNA和其他分子。事实上，某些菌株在被线虫进食之后，可产生杀死线虫的过氧化氢。线虫也可能进食来自于它们居住土壤中的过氧化氢。

Bhatla和Horvitz发现，当线虫尝出过氧化氢或者当光（特别是高能量的光，如紫光或紫外光）照射到它们时，它们会停止进食。作者发现，当线虫暴露于过氧化氢或光时做出的摄食反应是相同的，这从而提示他们，可能有相同的机制控制着这两种刺激响应。

线虫已知是厌光的：之前其他研究已经表明，当光照射它们时，它们会逃跑。现在Bhatla和Horvitz发现，这种逃避反应，如同对光照做出的进食反应，可能是由产光化合物（如过氧化氢）所引起的。

秀丽隐杆线虫有一种非常简单和彻底的映射神经系统，由302个神经元构成，其中20个位于咽部——摄取和磨碎食物的器官。Bhatla发现，一对咽神经元，称为I2神经元，控制动物对光和过氧化氢的反应。该神经元中的一个特定分子受体——味觉受体3（GUR-3），和其他神经元中一个分子构成相似的受体LITE-1，对于这一响应都是至关重要的。然而，每个受体作用的方式似乎略有不同。

GUR-3可检测过氧化氢，无论是环境自然产生还是光产生。在I2神经元中有许多GUR-3受体，过氧化氢通过一种仍然未知的机制刺激GUR-3，可引起咽部停止转动。另一种分子称为过氧化物酶——一种抗氧化剂，可能有助于GUR-3检测过氧化氢。

与光相比，GUR-3受体对过氧化氢的响应更为强烈，与过氧化氢相比，LITE-1受体对光的响应更为敏感。LITE-1之前被认为与光探测有关，但是直到现在，一个味觉受体如何响应光？一直都是一个谜。新的研究表明，GUR-3、LITE-1通过光产生的活性氧化合物——包括但不仅限于过氧化氢，间接地检测光。

Oklahoma医学研究基金会的Kenneth Miller在2008年发表的一篇论文中描述了LITE-1，并假设它可能通过检测光相互作用的化学产物而起作用。Miller并不是这项新研究的参与者，但是他指出：“这篇论文超越了这一假设，确定了LITE-1通过感知某种分子来识别光的存在。我认为这项研究精彩地分析了过氧化氢这种分子的复杂的味觉感受机制。”

在人类中没有发现
受体（包括GUR-3和LITE-1）分子家族是无脊椎动物特异性的，在人类中并没有发现。然而，过氧化物酶在人体中有过发现，特别是在眼睛，所以研究人员怀疑，过氧化物酶可能在对眼部光所产生的活性氧的检测过程中发挥作用。

研究人员正在试图找出过氧化氢检测的确切机制：例如，这些味觉受体如何检测活性氧化合物？研究人员也力图识别可定义“I2神经元如何与其他神经元相互作用以控制线虫摄食行为”的神经电路图。这样的神经电路图可能为“线虫和人类大脑如何产生行为”提供深刻的见解。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Light and Hydrogen Peroxide Inhibit C. elegans Feeding through Gustatory Receptor Orthologs and Pharyngeal Neurons
Summary: While gustatory sensing of the five primary flavors (sweet, salty, sour, bitter, and savory) has been extensively studied, pathways that detect non-canonical taste stimuli remain relatively unexplored. In particular, while reactive oxygen species cause generalized damage to biological systems, no gustatory mechanism to prevent ingestion of such material has been identified in any organism. We observed that light inhibits C. elegans feeding and used light as a tool to uncover molecular and neural mechanisms for gustation. Light can generate hydrogen peroxide, and we discovered that hydrogen peroxide similarly inhibits feeding. The gustatory receptor family members LITE-1 and GUR-3 are required for the inhibition of feeding by light and hydrogen peroxide. The I2 pharyngeal neurons increase calcium in response to light and hydrogen peroxide, and these responses require GUR-3 and a conserved antioxidant enzyme peroxiredoxin PRDX-2. Our results demonstrate a gustatory mechanism that mediates the detection and blocks ingestion of a non-canonical taste stimulus, hydrogen peroxide.