谷胱甘肽作为味觉调节剂：与鲜味和甜味受体相互作用的分子机制

《Food Chemistry Advances》：Glutathione as a taste modulator: molecular mechanisms of interaction with umami and sweet taste receptors

本研究旨在阐明kokumi活性分子还原型谷胱甘肽（GSH）增强味觉感知的分子机制。研究人员通过细胞功能实验、分子对接和定点突变技术，首次揭示了GSH可作为人源鲜味受体（hTAS1R1/rTAS1R3）的部分激动剂和甜味受体的弱激动剂，并精确定位了其与TAS1R1和TAS1R3亚基Venus Flytrap结构域（VFT）的结合位点。该研究不仅深化了对味觉受体调控机制的理解，也为开发新型风味增强剂提供了理论依据。

　　

美食的奥秘不仅在于食材本身，更在于其如何与我们的味觉系统互动。鲜味（umami）和甜味是两种基本味觉，分别由TAS1R1/TAS1R3和TAS1R2/TAS1R3异源二聚体受体介导。而“浓厚感”（kokumi）则是一种更为微妙的味觉维度，它本身无味，却能显著增强咸、鲜、甜等基本味觉的感知强度。还原型L-谷胱甘肽（GSH）是一种典型的kokumi活性分子，广泛存在于水果、蔬菜和肉类中。长期以来，同源二聚体钙敏感受体（CaSR）被认为是介导GSH kokumi效应的主要受体。然而，越来越多的证据表明，GSH对味觉的调制可能远比通过CaSR单一途径更为复杂。例如，有研究报道GSH能微弱激活鲜味受体TAS1R1/TAS1R3，但其具体的分子作用机制，例如是否以及如何与受体结合、结合位点在哪里、是否存在协同效应等，仍是未解之谜。为了解决这些问题，由Clémence Cornut、Adeline Karolkowski、Maxence Lalis、Antoine Thomas、Rudy Menin、Jérémie Topin、Lo?c Briand和Christine Belloir组成的研究团队开展了一项深入研究，其成果发表在《Food Chemistry Advances》上。

研究人员综合运用了几项关键技术来揭示GSH与味觉受体的相互作用。他们采用了基于细胞的钙离子成像功能实验，通过共表达味觉受体和嵌合G蛋白（Gα15i2）以及钙指示剂（GCaMP6s），在HEK293T细胞中检测受体激活情况。分子建模与分子对接技术被用于预测GSH在TAS1R1和TAS1R3的VFT结构域中的潜在结合位点。为了验证预测并精确定位关键氨基酸残基，研究团队构建了多种人/大鼠嵌合受体以及针对TAS1R1-VFT和TAS1R3-VFT的系列定点突变体。这些方法的结合使得系统性地剖析GSH与受体的相互作用成为可能。

3.1. GSH是鲜味受体的部分激动剂

研究人员首先确认了GSH对人源鲜味受体的激活作用。他们将hTAS1R1与大鼠来源的TAS1R3（rTAS1R3）共表达，以增强受体反应信号。结果表明，GSH能以剂量依赖的方式激活hTAS1R1/rTAS1R3，其半数最大效应浓度（EC₅₀）为2153 ± 87 μM，但其最大效应（max ?F/F0 = 0.46 ± 0.01）仅为L-谷氨酸（L-Glu）的约一半，表明GSH是鲜味受体的部分激动剂。GSH的前体二肽γ-L-谷氨酰-L-半胱氨酸（Glu-Cys）也表现出微弱的激动剂活性，而其氧化形式（GSSG）则无活性。研究还验证了5′-核糖核苷酸（如IMP和GMP）对L-Glu反应的显著增强效应，但这些核苷酸对GSH的反应则无增强作用。这些发现与感官评价中GSH仅具有微弱鲜味强度的结果一致。

3.2. GSH与TAS1R3的相互作用

3.2.1. GSH激活甜味受体并与TAS1R3相互作用

令人意外的是，研究发现GSH也能弱激活甜味受体（hTAS1R2/hTAS1R3和hTAS1R2/rTAS1R3）。更有趣的是，当与人工甜味剂三氯蔗糖（sucralose）共同作用时，10 mM的GSH能显著增强hTAS1R2/rTAS1R3对三氯蔗糖的反应，使其EC₅₀值降低3倍，但这种协同效应在完全人源的hTAS1R2/hTAS1R3受体中并未观察到。这强烈提示，协同作用的物种差异性源于TAS1R3亚基。

3.2.2. GSH与TAS1R3-VFT相互作用

为了证实TAS1R3的VFT结构域是GSH的作用位点，研究人员构建了交换胞外域和跨膜域（TMD）的人/大鼠TAS1R3嵌合体。功能实验表明，只有当嵌合体包含大鼠TAS1R3的胞外域（VFT和CRD）时，GSH才能增强三氯蔗糖的反应。这直接证明了GSH通过与rTAS1R3的VFT结构域相互作用来发挥协同效应。

3.2.3. 定位GSH在TAS1R3-VFT上的配体结合位点

通过分析物种间序列差异并结合分子对接结果，研究人员在rTAS1R3-VFT上设计了多组多点突变。功能实验发现，将rTAS1R3-VFT结合口袋深处的五个关键残基突变为其人源对应物（Mut1）后，GSH增强三氯蔗糖反应的效应即消失。另一组位于口袋周围、可能与信号传递相关的突变（Mut2）也产生了类似效果。而一个作为阴性对照的、位于VFT界面远处的双突变（Mut3）则不影响GSH的协同作用。这些结果进一步证实了GSH与TAS1R3-VFT的特异性结合。

3.3. GSH与TAS1R1的相互作用

3.3.1. GSH与TAS1R1结合

研究人员发现，单独表达hTAS1R1、hTAS1R3或rTAS1R3均不能响应GSH。然而，当使用一种能与hTAS1R1跨膜域（TMD）结合的强效鲜味化合物S807（0.1 μM）预先处理仅表达hTAS1R1的细胞时，GSH便能诱导产生剂量依赖的钙信号响应（EC₅₀ = 281 ± 250 μM）。这表明GSH确实能够结合hTAS1R1亚基，而S807可能通过变构效应促进了这种结合或信号传导。

3.3.2. L-Glu与GSH的协同作用

研究揭示了GSH与L-Glu之间存在新颖的相互协同作用。在hTAS1R1/rTAS1R3受体中，300 μM和1000 μM的L-Glu能分别使GSH的EC₅₀值降低2.5倍和6.7倍。反之，3 mM和10 mM的GSH也能显著增强受体对L-Glu的反应。这种双向协同效应与GSH和5′-核糖核苷酸之间缺乏协同作用形成对比，暗示了GSH与L-Glu可能同时结合受体并相互增强，而其与核苷酸则可能竞争结合位点。

3.3.3. 定位GSH在TAS1R1-VFT上的配体结合位点

通过分子对接和定点突变，研究人员精细绘制了GSH在hTAS1R1-VFT上的结合图谱。对接结果显示，GSH的谷氨酸基团与L-Glu一样，结合于VFT铰链区附近的深口袋（定义为亚口袋P1），而其半胱氨酰甘氨酸部分则延伸至相邻的亚口袋P2。对21个候选残基进行突变分析发现，位于亚口袋P1的S172A、D192F、Y220A、E301A等突变完全废除了受体对L-Glu和GSH的反应。位于亚口袋P2的H71S突变也产生了同样效果，而H71的不同突变（H71A, H71Y, H71L）则不同程度地影响了受体对IMP的协同作用及对GSH的反应。这些结果表明，L-Glu、IMP和GSH共享TAS1R1-VFT上的一个结合区域，但各自又有其独特的关键相互作用残基。

本研究系统阐明了kokumi分子GSH与鲜味和甜味受体相互作用的精细分子机制。主要结论包括：GSH是hTAS1R1/rTASR3受体的部分激动剂，其效力低于L-Glu；GSH能与L-Glu产生协同效应，但不能与5′-核糖核苷酸（IMP/GMP）协同；GSH是甜味受体的弱激动剂，并能通过与大鼠TAS1R3-VFT结合来增强三氯蔗糖的甜味反应；分子对接和定点突变研究成功定位了GSH在hTAS1R1-VFT和rTAS1R3-VFT上的结合位点。这项研究的意义在于，它揭示了GSH的kokumi活性具有复杂的多受体机制，不仅限于之前认识的CaSR，还涉及对TAS1R家族受体的直接调控。这为理解食物风味增强的生物学基础提供了新的视角，也为未来开发靶向特定味觉受体的新型风味改良剂或减糖、减盐策略提供了精确的分子靶点和理论依据。