TAS1R2单个氨基酸替换决定人类和小鼠对磺胺类甜味剂的物种特异性敏感机制

本研究针对人类与小鼠对磺胺类甜味剂（如糖精钠和安赛蜜钾）敏感性差异的分子机制，通过TAS1R2/TAS1R3受体功能实验和分子动力学模拟，发现TAS1R2的Venus flytrap结构域（VFD）中Ile-67（人类）/Leu-70（小鼠）的单氨基酸替换是物种特异性敏感性的关键决定因素，为甜味受体激活机制和甜味感知差异提供了新见解。

　　

甜味感知是生物体识别能量来源的重要机制，而人工甜味剂如糖精钠（Sac）和安赛蜜钾（AceK）的广泛应用引发了对其作用机制的深入探索。有趣的是，人类对这些磺胺类甜味剂的敏感性显著高于小鼠，但这一现象背后的分子机制长期悬而未决。这种物种差异不仅关乎基础味觉生物学，还可能影响食品科学和代谢疾病研究中动物模型的数据解读。

研究人员聚焦于甜味受体TAS1R2/TAS1R3（属于C类GPCR家族）的Venus flytrap结构域（VFD），通过构建人鼠嵌合受体和单点突变体，结合HEK293细胞钙成像和分子动力学（MD）模拟技术展开研究。实验采用瞬时转染的HEK293细胞表达系统，通过单细胞钙成像记录受体激活；MD模拟则基于AlphaFold预测的受体结构，进行1微秒时长的动态模拟和结合自由能（ΔG_bind）计算。

3.1 TAS1R2 VFD介导物种特异性敏感差异

嵌合受体实验表明，将小鼠Tas1r2的VFD替换为人类版本后，受体对Sac的敏感性显著提升（EC₅₀降低），反之则敏感性下降，证实VFD是决定物种差异的核心区域。

3.2 MD模拟揭示结合稳定性差异

分子模拟显示，人类TAS1R2 VFD与Sac/AceK的结合自由能（-42.3 kcal/mol）显著低于小鼠（-35.1 kcal/mol），且人类受体中Asn-70与磺胺基团的氢键、Leu-377的CH-π相互作用更稳定。

3.3 单氨基酸决定敏感性开关

关键发现是VFD中第67位氨基酸（人类Ile/小鼠Leu）的差异：将人类TAS1R2的Ile-67突变为小鼠型（I67L）后，受体活性完全丧失；而将小鼠Tas1r2的Leu-70反转为人类型（L70I）则获得人类水平的敏感性。结构-活性关系分析进一步表明，Ile的仲丁基侧链（相比Leu的异丙基）通过增强疏水相互作用稳定配体结合。

讨论部分强调，这一发现首次明确了单个氨基酸残基通过调节VFD结合口袋的拓扑结构，直接影响磺胺类化合物的结合稳定性。尽管动物进化过程中未曾接触人工甜味剂，该机制可能反映了对天然甜味物质感知的进化适应。研究还指出，TAS1R2/TAS1R3在肠道等外周组织的表达提示其可能参与能量代谢调控，未来可基于此开发靶向甜味受体的代谢调节剂。

这项发表于《Food Chemistry》的工作，通过多学科方法破解了物种间甜味感知差异的结构基础，不仅推进了味觉受体生物学认知，也为理性设计物种特异性甜味剂提供了理论框架。