龐廣昌，陳慶森，胡志和，解軍波

（天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

味覺受體及其傳感器研究與應(yīng)用

龐廣昌，陳慶森，胡志和，解軍波

（天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

中國傳統(tǒng)飲食和食品的烹制與加工講究色、香、味俱全，其中“酸、甜、苦、辣、咸五味調(diào)和”又構(gòu)成其核心標(biāo)準(zhǔn)。國際上也分為“五味”，分別為“酸、甜、苦、咸、鮮”，其中少了辣味，多了鮮味。也有人建議將脂肪的味道定義為“香”味，但是中國人的“香”實(shí)際上是“香氣”，屬于嗅覺，而非味覺。大量研究證明，多數(shù)味覺受體作為營養(yǎng)傳感系統(tǒng)，如苦、甜、鮮都屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族成員，而且其分布并不限于味蕾、腸道等，其他組織均有分布，是藥物篩選的重要靶標(biāo)。然而，到目前為止，市場上進(jìn)行味覺測定仍然依賴于電子鼻和電子舌等儀器設(shè)備，味覺受體傳感器及其有關(guān)技術(shù)則仍處于探索和研究階段。其主要原因是：味覺受體和其他大多數(shù)受體一樣，在與配體識別和啟動信號傳遞時主要依賴于弱相互作用，如何將這些弱相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅骺梢蕴幚聿⒎糯蟮墓狻⒙?、電、磁、熱等信號，從而?shí)現(xiàn)其定量測定是一個關(guān)鍵性難題。但是，由于味覺受體在醫(yī)藥篩選、食品添加劑、食品的功能性評價和代謝綜合征預(yù)防等方面的巨大應(yīng)用與開發(fā)前景，其檢測方法一直是科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文將針對味覺受體及其傳感器檢測技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜合評述，討論其未來發(fā)展和應(yīng)用前景。

G蛋白偶聯(lián)受體；生物傳感器；味覺受體；電子舌

G蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptor，GPCRs）作為一個由上千個成員構(gòu)成的受體超家族，一直是科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。其原因在于，它作為營養(yǎng)傳感器受體，通過胞內(nèi)復(fù)雜的信號途徑對機(jī)體或細(xì)胞的物質(zhì)代謝、能量代謝和信號交流發(fā)揮至關(guān)重要的作用[1]。不僅如此，GPCRs還通過和多條細(xì)胞信號途徑進(jìn)行“Cross talking”也就是“串音”，從而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞趨化、自吞噬、有性生殖控制等重要功能。在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域，有40%以上的藥物是通過GPCRs為靶點(diǎn)而篩選得到。在食品和營養(yǎng)方面，作為主要的營養(yǎng)傳感系統(tǒng)，GPCRs則控制著生物的取食方式、營養(yǎng)吸收及其定量化和生存狀態(tài)。包括人類在內(nèi)的高等動物的視覺、聽覺、嗅覺和味覺基本上都依賴于GPCRs的傳感作用。有營養(yǎng)的物質(zhì)一般都表現(xiàn)為“愉悅的甜、鮮、咸味”，并以此作為“獎賞機(jī)制”；而抗?fàn)I養(yǎng)或腐敗、有毒的成分則往往表現(xiàn)為“令人討厭的苦、酸、辣味”，以此提醒回避，并作為一種安全和防御機(jī)制。味覺系統(tǒng)還決定了進(jìn)食量，一旦超過一定的限制，其“愉悅”感就會減弱或消失，而代之以“飽腹感”，甚至產(chǎn)生“厭惡”感，從而停止進(jìn)食。從這個意義來看，食品科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)的目的都同樣是探索如何通過調(diào)節(jié)GPCRs來保證機(jī)體的營養(yǎng)攝取、吸收、控制，從而維持生物功能、維護(hù)機(jī)體健康、防御和治療疾病。

1 GPCRs的結(jié)構(gòu)與功能

很多國際一流的科學(xué)家都為GPCRs的研究付出了巨大努力。研究發(fā)現(xiàn)，GPCRs都具有一個共同的七跨膜結(jié)構(gòu)域、胞外結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域。其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域非常保守，主要是用來激活G蛋白信號傳遞與放大系統(tǒng)，構(gòu)成其功能基礎(chǔ)[2]。對其胞外結(jié)構(gòu)域的比較研究證明，它們具有非常巨大的多樣性，是達(dá)爾文“正”選擇的典型代表，因而構(gòu)成了不同物種獲取營養(yǎng)的途徑、方式、生存與適應(yīng)不同生態(tài)位的基礎(chǔ)[3-4]。

GPCRs及其與配體（配基）的相互作用構(gòu)成其傳遞細(xì)胞信號、發(fā)揮生物功能的基礎(chǔ)，因而備受關(guān)注。但是作為一種膜蛋白，其分離純化，特別是形成單晶卻一直是本領(lǐng)域的難題之一。盡管科學(xué)家付出了巨大努力，但是真正能夠獲得單晶從而對其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確解析的只有A組GPCRs成員，B組受體目前還沒有突破，C組只有個別受體獲得了高分辨率解析。然而，這些有限的研究結(jié)果已經(jīng)足以證明GPCRs和配體（基）相互作用的多樣性和復(fù)雜性，以致科學(xué)家用“分子簽名”一詞來形容[5]。既然要拿到某種GPCR的結(jié)晶并不容易，那就應(yīng)該以其基因和DNA序列為突破口進(jìn)行研究。事實(shí)上，這方面的研究已經(jīng)取得了巨大成功[6]。在GPCRs的味覺傳感研究方面，Nelson[7]、Zhao[8]、Li Xiaodong[9]等系統(tǒng)研究了味覺受體1型（taste receptor type 1，T1R）1和T1R3與鮮味傳感的關(guān)系，證明谷氨酸單鈉鹽、次黃嘌呤核苷酸（hypoxanthine monophosphate，IMP）和鳥苷酸（guanosine monophosphate，GMP）等“鮮味（人類）”的確是由T1R1＋T1R3的異二聚體進(jìn)行傳感的。另外，通過人類和鼠科動物對不同氨基酸傳感及其通過味蕾細(xì)胞的瞬時感受陽離子通道家族M成員5（transient receptor potential cation channel subfamily M member 5，TRPM5）控制的鈣內(nèi)流激活作用和受試者標(biāo)準(zhǔn)化鼓索神經(jīng)響應(yīng)（normalized chorda tympani responses）等，對味蕾受體激活細(xì)胞信號傳遞并通過傳入神經(jīng)傳遞脈沖信號進(jìn)行味覺傳感的情況做了研究，結(jié)果表明：鼠科動物與人類在傳感“鮮味”時具有明顯的區(qū)別，鼠科動物對幾乎所有氨基酸都能傳感“鮮味”，而人類則只對谷氨酸和天冬氨酸單鈉鹽（味精）傳遞“鮮味”神經(jīng)信號[10]。而且Nelson等[7]證明：當(dāng)用人類T1R1＋T1R3基因取代鼠科動物的基因以后，鼠科動物就會表現(xiàn)出和人類相同的“鮮味”傳感譜，Zhao等[8]則進(jìn)一步通過在“鮮味”味蕾細(xì)胞中表達(dá)κ-阿片受體（κ-opioid receptor），證明該細(xì)胞獲得了可以傳遞阿片類成分的細(xì)胞信號；Rawal等[11]經(jīng)過比對人類鮮味受體T1R1胞外結(jié)構(gòu)域的DNA序列及其與味覺的關(guān)系證明：其多樣性的確決定了不同人群之間的味覺差異。這提示味覺的傳感主要取決于受體的胞外結(jié)構(gòu)域，而胞內(nèi)激活G蛋白信號放大與傳遞系統(tǒng)以及離子通道、神經(jīng)信號傳遞等途徑則是共同的，換言之，味覺感受是由受體和配基的相互作用及其在味覺組織上的分布和表達(dá)情況所“編碼”[12]。

2 味覺受體的分布與功能

味覺受體的概念本身就會毫無疑問地將這些受體局限在機(jī)體的味覺系統(tǒng)。但是，奇怪的是，近年來發(fā)現(xiàn)這些味覺受體竟然在其他器官中也有表達(dá)，而且這些“異位表達(dá)”竟是一種普遍現(xiàn)象。顯然，其功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳感味覺那么簡單，它們應(yīng)該還有其他功能[13]，但是因?yàn)樵谶@些部位并非通過激活神經(jīng)元將信號傳遞到大腦，所以不能感知它們的作用[14]。T1Rs（鮮味、甜味）和T2Rs（苦味）GPCRs已經(jīng)在很多組織中發(fā)現(xiàn)[7,15]。研究表明，味覺受體可能就是內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)與控制的介導(dǎo)者[16]。味覺信號可以調(diào)節(jié)激素分泌，而激素，如腎上腺素[17]則可以通過循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)體的能量內(nèi)平衡（energy homeostasis），包括食欲肽（orexigenic peptides）、神經(jīng)肽（neuropeptide）Y等[18-19]。這顯然意味著味覺上皮并不簡單地傳感外部信號，而是在傳遞這些信號到神經(jīng)系統(tǒng)的同時，也傳遞代謝內(nèi)分泌信號[20]。同樣，已經(jīng)有越來越多的證據(jù)表明味覺傳感作用可能具有調(diào)節(jié)多種激素，如胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）[21]、大麻素類（cannabinoids）[22]都可能受味覺受體，特別是T1Rs的調(diào)節(jié)。Lagerstrom[23]和Riera[24]等在綜述了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出：分布在味覺組織上的味覺受體可以將進(jìn)食的成分作為味覺信號傳遞到大腦，所以可以感受到這些成分的味道；而分布在胃腸，特別是腸道系統(tǒng)的味覺受體則通過分泌胃腸激素等信號成分作用于機(jī)體的代謝與內(nèi)分泌系統(tǒng)，或者通過交感-副交感神經(jīng)系統(tǒng)作用于下丘腦、腦垂體，調(diào)節(jié)機(jī)體的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)（圖1）。可見，這些受體不僅在味覺物質(zhì)，或食品添加劑的篩選、檢測和功能評價中具有重要的應(yīng)用價值，在藥物篩選和功能評價方面的應(yīng)用潛力也已經(jīng)引起科學(xué)界的密切關(guān)注[23]。

圖 1 不同部位味覺受體的生理功能[24]Fig. 1 Taste receptors distributed in different parts may play different physiological functions[24]

現(xiàn)代生活方式?。╩odern lifestyle diseases），特別是糖尿病和心腦血管疾病的不斷蔓延，極大地促進(jìn)了低能量和無能量味覺添加劑的生產(chǎn)和銷售，并已經(jīng)使其發(fā)展成為巨大的產(chǎn)業(yè)。但是，在這個產(chǎn)業(yè)中，目前所進(jìn)行的味覺（酸、甜、苦、咸、鮮）評價基本上都是通過電子舌。對這些調(diào)味品的評價方法與細(xì)胞受體無關(guān)，而實(shí)際上消費(fèi)者食用這些食品后勢必存在這些味覺成分和機(jī)體內(nèi)各種相關(guān)受體之間的相互作用，從而具有一定的生理功能，而這些功能對機(jī)體的健康作用卻不能得到評價。已經(jīng)有科學(xué)家在總結(jié)了大量研究證據(jù)的基礎(chǔ)上，對低卡（卡洛里）或無卡甜味劑的生理作用及其安全性提出質(zhì)疑和擔(dān)心[25]，盡管也有人認(rèn)為這些低卡和無卡甜味劑對糖尿病和心腦血管疾病患者是安全的[26]。不過人們?nèi)匀徊荒芑乇苓@些味覺物質(zhì)在體內(nèi)通過與其受體相互作用所產(chǎn)生的代謝、生理與內(nèi)分泌作用。鮮味添加劑或鮮味物質(zhì)的研究也已經(jīng)形成巨大的產(chǎn)業(yè)，在整個餐飲和食品加工制作、烹飪等行業(yè)中發(fā)揮舉足輕重的作用。已知“鮮味”和氨基酸、肽類以及嘌呤成分密切相關(guān)[27]，盡管IMP和GMP作為鮮味物質(zhì)，與嘌呤代謝疾病有一定的聯(lián)系，但是氨基酸和呈味肽類產(chǎn)品的研究與開發(fā)已經(jīng)成為功能性食品、營養(yǎng)添加劑和調(diào)味品研究的熱門領(lǐng)域。而大量的研究證明，這些氨基酸、短肽類營養(yǎng)成分和核苷酸類成分都是通過和鮮味受體T1R1＋T1R3相互作用進(jìn)行味覺傳感并發(fā)揮生理功能[28]，所以毫無疑問，能夠?qū)Α磅r味”受體進(jìn)行系統(tǒng)化和定量化研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

2.1 鮮味受體及其分布與功能

氨基酸和呈味核苷酸可以產(chǎn)生鮮味，鮮味可以讓人感受到食物可口的味道，是由日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第5種基本味覺感受。由T1R1和T1R3組成的異二聚體是鮮味的味覺受體，T1R1/T1R3主要在舌前部的菌狀乳突味蕾內(nèi)的Ⅱ型細(xì)胞中共表達(dá)[7]。另外一種鮮味受體是代謝型谷氨酸受體（metabotropic glutamate receptor，mGluR），人在服用該受體的抑制劑之后，舌咽神經(jīng)和鼓索神經(jīng)對谷氨酸鈉鹽產(chǎn)生的興奮被顯著抑制，說明mGluR主要在舌后部分布，并介導(dǎo)谷氨酸鈉鹽產(chǎn)生的鮮味味覺[29-30]，該受體不對其他核苷酸和氨基酸敏感。在鼠科動物中，T1R1/T1R3異二聚體對20 種L-氨基酸都有著較寬的傳感范圍，并且，氨基酸與呈味核苷酸的共同作用能使人感覺到強(qiáng)烈的鮮味協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。小鼠T1R1或T1R3單基因敲除后對谷氨酸鈉鹽的感知能力減弱[8]，T1R1/T1R3雙基因敲除后則喪失了對于鮮味味道的感受能力[31]。人類的味覺只能品嘗到兩種氨基酸（天冬氨酸鹽和谷氨酸鹽）產(chǎn)生的鮮味，而很多的動物實(shí)驗(yàn)表明，哺乳動物可以對幾乎所有L-氨基酸產(chǎn)生喜好感。人類和動物間經(jīng)過不斷進(jìn)化，已經(jīng)在大自然中處于不同的生態(tài)位，造成不同物種鮮味傳感機(jī)制的差異、營養(yǎng)傳感和偏好上的多樣性。

T1R1是膜受體，屬于G蛋白偶聯(lián)受體C家族，胞內(nèi)與Gα、Gβ和Gγ3個亞基相偶聯(lián)。味覺物質(zhì)與受體結(jié)合后，導(dǎo)致受體的構(gòu)象變化，使Gα和Gβγ亞基分離，Gα和Gβγ被激活后分別介導(dǎo)各自的下游信號途徑，受體-配體結(jié)合產(chǎn)生的信號利用細(xì)胞內(nèi)的級聯(lián)放大系統(tǒng)進(jìn)行信號放大，并活化細(xì)胞表面的離子通道，促進(jìn)鈣離子內(nèi)流，將細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)遞質(zhì)釋放到細(xì)胞外。Wauson等[32]系統(tǒng)研究了T1R1/T1R3的分布，證明該受體幾乎分布在所有的組織、器官和細(xì)胞中。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（the mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）能夠集成營養(yǎng)信息，特別是氨基酸營養(yǎng)，從而對蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞生長發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)氨基酸缺乏（饑餓）時，mTORC1通過激活自吞噬作用為最重要的蛋白質(zhì)合成提供氨基酸保證。文獻(xiàn)[32]用大量的實(shí)驗(yàn)證明T1R1/T1R3作為食物中氨基酸狀態(tài)和可利用程度的傳感系統(tǒng)將信號傳遞給mTORC1，干擾T1R1/T1R3受體的信號傳遞可以改變mTORC1的細(xì)胞定位。下調(diào)該信號途徑抑制因子的表達(dá)可以上調(diào)關(guān)鍵性氨基酸的運(yùn)載體，阻斷翻譯起始，誘導(dǎo)自吞噬作用。這些發(fā)現(xiàn)證明了T1R1/T1R3作為氨基酸傳感器實(shí)現(xiàn)氨基酸營養(yǎng)狀態(tài)和mTORC1之間的通訊，在氮源傳感、吸收和代謝方面發(fā)揮重要功能（圖2）。

2.2 甜味受體及其分布與功能

甜味受體是由T1R2構(gòu)成，和鮮味受體共用T1R3，亦即以異二聚體的形式傳感甜味信號[15,33]。甜味受體作為GPCRs超家族成員，也在其他組織、器官和細(xì)胞中表達(dá)，如呼吸道[34]。已經(jīng)有證據(jù)表明甜味受體可能涉及免疫調(diào)節(jié)和應(yīng)答[35]。甜味受體也表達(dá)在胃腸道，如腸內(nèi)分泌L-細(xì)胞和K-細(xì)胞，通過分泌GLP-1和葡萄糖依賴性促胰島素肽（glucose-dependent insulinotropic peptide）發(fā)揮生理作用。腸絨毛頂部的這些細(xì)胞暴露到腸腔中攝取葡萄糖等甜味營養(yǎng)，同時激活甜味受體，刺激胰島素的分泌[35]，這些胰島素統(tǒng)一受胰島β-細(xì)胞的統(tǒng)籌與控制。甜味受體也可以上調(diào)小腸上皮細(xì)胞葡萄糖運(yùn)載體的表達(dá)，增加葡萄糖的吸收和運(yùn)輸[36]。有研究認(rèn)為，甜味受體在各種類型細(xì)胞表達(dá)實(shí)質(zhì)上是一種控制糖代謝的機(jī)制。所以，甜味受體表達(dá)于胰島的β-細(xì)胞[37]、脂肪細(xì)胞[38]和下丘腦葡萄糖響應(yīng)神經(jīng)元[39]。這些研究結(jié)果顯然提出一個必須面對的問題：人工甜味添加劑是否也能發(fā)揮這些作用？至少應(yīng)該弄清楚這些問題[40]。已經(jīng)有大量研究證明，不像葡萄糖之類的能量甜味劑那樣，人工甜味劑不能增加胰島素或腸降糖素的釋放[25]。例如，Anton等[41]報(bào)道：飲食添加蔗糖的茶、乳酪或餅干后測定其體內(nèi)的胰島素水平明顯高于以阿斯巴甜或甜葉菊作為甜味劑的同樣食品。另一項(xiàng)研究也表明在飯前食用天然甜味劑-蔗糖或三氯蔗糖，然后進(jìn)餐同量的土豆，食用三氯蔗糖者的胰島素、GLP-1或腸抑胃肽（gastric inhibitory polypeptide，GIP）并不升高，而蔗糖食用者則明顯升高[42]。其原因可以解釋為：蔗糖在腸道里和三氯蔗糖具有明顯不同的生理作用，而這些生理作用是由于它們和受體作用及其激活的信號途徑不同（圖2）。

2.3 苦味受體及其分布與功能

“苦味”作為五味之一，最顯著的特點(diǎn)就是閾值極低，許多苦味物質(zhì)不僅可以賦予食品苦味，還有降血壓、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫等功能[43]。生活中苦味也是不可或缺的，當(dāng)它與其他味感調(diào)節(jié)得當(dāng)時，能起到改善食品風(fēng)味的作用[44]。膳食中的苦味成分，特別是植物性多酚、黃酮類化合物，都有抗氧化、降低心血管疾病和腫瘤發(fā)病率的作用，所以常常被稱作“植物營養(yǎng)素”，而且隨著人們對苦味物質(zhì)的認(rèn)識，苦味食品也開始受到人們的關(guān)注[45]。現(xiàn)在苦味受體T2Rs已經(jīng)被鑒定出來，且也是GPCRs超家族成員，這種受體對很多苦味物質(zhì)都有響應(yīng)，例如存在于食物和藥物中的苦味物質(zhì)主要包括：生物堿、萜類、糖苷類和苦味肽類，另外還有膽汁、某些氨基酸等。T2Rs受體作為哮喘病治療藥物的篩選靶點(diǎn)已經(jīng)受到研究人員的廣泛關(guān)注[46]。作用于苦味受體的化合物可以促進(jìn)細(xì)胞的鈣離子內(nèi)流，從而舒緩平滑肌，減少哮喘患者呼吸道阻塞。這同時也促使科學(xué)家對該受體味覺以外的分布進(jìn)行了調(diào)查，并已經(jīng)證明其分布廣泛，特別是在呼吸道[47-49]。所以有人提出，分布在呼吸道中的苦味受體通過味覺依賴性Gβγ作用于電壓依賴性鈣通道（the voltage-dependent Ca2＋channels）發(fā)揮活化鉀離子通道的作用[49]，這也是很多抗過敏、抗哮喘藥物都很苦的重要原因。中國人一直認(rèn)為“良藥苦口利于病”其原因可能正是由于苦味受體的作用（圖2）。

圖 2 鼠科動物苦、甜、鮮味受體及其傳感作用[50]Fig. 2 Taste receptors and transduction in murine animals[50]

2.4 辣味受體及其分布與功能

辣味作為“五味”之一在以中國人為代表的東方國家中占據(jù)重要地位。但是，在西方人的“五味”中沒有辣味，也許正因如此，至今沒有測定辣味的電子舌上市。不過辣味受體早已作為痛（熱）覺傳感受體被發(fā)現(xiàn)[51]，辣椒素就是這種受體的激活劑。辣味傳感主要是通過激活瞬時感受器電位香草素受體亞家族（the transient receptor potential vanilloid subtype ion channel，TRPV）1從而激活離子通道。隨后大量的研究集中在以該受體為靶標(biāo)進(jìn)行止痛藥物的篩選研究方面[46]，其檢測方法也基本上依賴于該受體所造成的離子通道上的變化[52]。本課題組利用大鼠味蕾組織進(jìn)行固定化，研制出一種新型電化學(xué)型辣味受體傳感器，其檢測限達(dá)到1×10－13mol/L，并可以進(jìn)行動力學(xué)分析，真正實(shí)現(xiàn)了對辣椒素發(fā)揮辣味作用的定量化評價[53]。

辣味受體（capsaicin receptor）-TRPV1也被定義為傷害性受體，同樣可以被胞外質(zhì)子激活[54]。毫無疑問，傳入神經(jīng)對辣味和酸味等傷害性受體傳感發(fā)揮重要作用。辣味受體的作用受炎癥細(xì)胞因子的激活，對酸性pH值、高溫也非常敏感（圖3）。所以概括起來，TRPV1傳感辣味、酸味和高溫。

圖 3 辣味受體TRPV1及其與激活因子的相互作用[55]Fig. 3 TRPV1 channel subunit and interaction sites for several TRPV1 activators[55]

2.5 咸味受體及其分布與功能

咸味的研究雖然很早，但是否存在咸味受體直到2010年才塵埃落定。在鼠科動物中，咸味（食鹽）傳感有兩種機(jī)制：一種對利尿劑阿米洛利（amiloride）敏感，另一種機(jī)制就是對阿米洛利感覺遲鈍[56]。對于人類，咸味沒有阿米洛利利尿敏感性。動物對低濃度食鹽的作用與上皮Na＋通道（ENaCs）相聯(lián)系，也有人認(rèn)為低鹽受體就是Na＋通道[57]。ENaC是由α、β、γ 3個亞基構(gòu)成，它們形成孔狀結(jié)構(gòu)，發(fā)揮鈉離子通道的作用。ENaCα被敲除后可以減少動物對低鹽溶液的敏感性[58]。對高鹽濃度的傳感就更加復(fù)雜，根據(jù)神經(jīng)信號傳遞情況可以看到，很多都表現(xiàn)出對KCl和NaCl的敏感性[59]。傳遞咸味信號的神經(jīng)纖維主要分布在舌頭的背腹部。到目前為止，對于高鹽傳感受體仍然莫衷一是。也曾經(jīng)有人提出高鹽傳感受體實(shí)際上就是辣味受體TRPV1[60]，但是后來又被否定了[59]。顯然，介導(dǎo)高鹽傳感的細(xì)胞并不是特異性的，至少有兩個細(xì)胞群，它們既可以傳感苦味，也可以傳感酸味[61]。對苦味傳感細(xì)胞的TRPM5或磷酸肌醇特異性磷酸酯酶Cβ2（phosphoinositide-specific phospholipase Cβ2，PLCβ2）滅活后，同時對高鹽傳感也會消失，但是酸味細(xì)胞多囊性腎病2樣1基因（polycystic kidney disease 2-like 1，PKD2L1）不表達(dá)時，其他部件也被消除[62]。顯然，小鼠細(xì)胞關(guān)閉PKD2L1基因表達(dá)以及TRPM5滅活后仍然保持對高鹽的吸引，這有可能是通過阿米洛利敏感性通道實(shí)現(xiàn)的[63]。到底多大鹽濃度可以激活這兩種類型的細(xì)胞并不完全清楚。高鹽也可以通過這種受體的變構(gòu)作用激活苦味傳感細(xì)胞，而酸味傳感則需要其細(xì)胞頂部環(huán)境通過高鹽溶液改變酸堿平衡[58]。Chandrashekar等[58]通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)證明咸味作為對NaCl攝取的一種“獎賞”，實(shí)際上是通過上ENaC作為咸味傳感受體（圖4）。而該受體如何通過和NaCl相互作用控制細(xì)胞內(nèi)的信號途徑，以及受體-配體結(jié)構(gòu)與功能及其量效關(guān)系尚需深入研究。迄今為止，只發(fā)現(xiàn)低鹽溶液對哺乳動物具有吸引作用，而且適量的NaCl是動物生理活性所必需。但是，過高濃度的食鹽對機(jī)體也會產(chǎn)生傷害作用，高濃度的食鹽是否也是通過受體傳感，如果是，那會是什么受體尚需探索和研究。

圖 4 哺乳動物咸味受體[58]Fig. 4 The salt taste receptors in mammals[58]

2.6 酸味受體及其分布與功能

酸味受體[62]：動物對酸味的傳感主要是靠舌頭和上顎上皮上的味覺受體細(xì)胞。它們可以對酸性pH值和弱有機(jī)酸作出電化學(xué)響應(yīng)[63]。在過去若干年，研究者假設(shè)了多種負(fù)責(zé)傳感酸味的受體，包括ASICs、HCNs、K＋通道，以及近來的TRP通道PKD2L1和PKD1L3[64]。這些假設(shè)往往被基因敲除實(shí)驗(yàn)所否定。例如敲除老鼠的PKD2L1或PKD1L3基因后，其傳感酸味刺激的神經(jīng)脈沖只有微量的衰減[65]。盡管如此，細(xì)胞表達(dá)PKD2L1仍然是其傳感酸味所需要的[61]。顯然，有關(guān)基因敲除實(shí)驗(yàn)的邏輯推理是值得懷疑的，當(dāng)有不止一個基因傳感同一種味道時，敲除其中任何一個基因都不會影響其他受體對該味道的傳感，因?yàn)槠渌驎《?。?xì)胞表達(dá)PKD2L1對酸味作出響應(yīng)是通過質(zhì)子選擇通道（proton-selective ion channel）進(jìn)行[66]。該質(zhì)子選擇通道在對酸作出響應(yīng)時不受Na＋的干擾。至于該質(zhì)子通道的分子基礎(chǔ)尚未得到鑒定。當(dāng)質(zhì)子進(jìn)入酸味傳感細(xì)胞后會促使其酸化，從而產(chǎn)生細(xì)胞信號傳遞。值得注意的是，味覺細(xì)胞表達(dá)一系列靜息雙孔鉀離子通道（resting two-pore K＋channel）[67]，這些通道可能被細(xì)胞內(nèi)酸化作用所阻斷，從而使細(xì)胞進(jìn)一步去極化。另外，TRPA1是一種“傷害性受體（nociceptor）”也可以對乙酸作出響應(yīng)[68]（圖5）。哺乳動物對酸味的傳感實(shí)際上是通過質(zhì)子選擇性離子通道的頂部進(jìn)入所發(fā)出的信號。弱酸也可能通過穿入細(xì)胞膜使胞漿酸化從而導(dǎo)致鉀離子通道關(guān)閉，產(chǎn)生膜的去極化作用，激活酸味傳感細(xì)胞。

圖 5 酸味受體[68]Fig. 5 Sour taste receptors[68]

總之，味覺受體除辣味受體不屬于GPCRs外，其他如鮮味、甜味、苦味都屬于GPCRs，咸味和酸味傳感比較復(fù)雜，只有微咸的受體比較明確，不屬于GPCRs。酸味主要是通過離子和質(zhì)子通道來傳遞損傷性信號，也不屬于GPCRs。不過，這些受體都與胞內(nèi)小G蛋白（small G proteins）有復(fù)雜的關(guān)系，其細(xì)胞信號傳遞的詳細(xì)機(jī)制有待深入研究。

3 味覺受體傳感的測定方法

在味覺受體的檢測方面，由于生物化學(xué)及分子生物學(xué)對味覺信號傳遞以及作用機(jī)制，特別是醫(yī)藥科學(xué)領(lǐng)域以GPCRs作靶標(biāo)進(jìn)行藥物篩選的需要，對其與配體（基）相互作用規(guī)律及其激活/抑制劑作用規(guī)律方面進(jìn)行了大量研究，并已經(jīng)取得了舉世矚目的進(jìn)展[69]。這些技術(shù)主要是基于GPCRs與配基作用所產(chǎn)生的細(xì)胞生理變化，如對離子通道的作用[70]所產(chǎn)生的神經(jīng)脈沖信號（多用于嗅覺信號編碼與傳遞）[71]、針對分子互作的表面等離子體共振技術(shù)（surface plasmon resonance，SPR）[72]，以及適于高通量細(xì)胞微孔篩選平臺（microtiter plate-based high-throughput screening platforms）和活細(xì)胞微操作（live-cell screening assays）技術(shù)，包括細(xì)胞微陣列（cell microarrays）、細(xì)胞微流（cell microf l uidics）等[73]。遺憾的是，這些技術(shù)往往只適用于某一特定的目的，難以實(shí)現(xiàn)真正意義的定量化。

雖然有不少科學(xué)家致力于味覺受體傳感器的研究，而且在受體與配體互作所產(chǎn)生的光[74]、聲[29]、電[75]、熱[76]變化的基礎(chǔ)上進(jìn)行味覺受體傳感器的研究與開發(fā)，但這些研究基本上仍然是基于活細(xì)胞受體與配體（基）互作所產(chǎn)生的Ga2＋內(nèi)流等離子通道的變化[77]，而這些變化都依賴于細(xì)胞的種類、生理活性、所處的環(huán)境、細(xì)胞之間的相互作用、細(xì)胞內(nèi)信號傳遞途徑及其“串音（crosstalking）”、各種離子通道之間的控制和狀態(tài)等復(fù)雜因素，因此尚處于探索階段。已經(jīng)進(jìn)入市場的基于SPR技術(shù)的分子互作儀雖然可以用來進(jìn)行非標(biāo)受體-配體互作檢測[78]，但是因其難以實(shí)現(xiàn)高通量、技術(shù)要求復(fù)雜、操作精細(xì)、成本高，難以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的“味覺”檢測。

值得一提的是，Duan Xuexin等[79]在SPR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)明了一種硅納米線形成電場效應(yīng)晶體管技術(shù)（silicon nanowires conf i gured as f i eld-effect transistors，Si-NW FETs），該技術(shù)可以用作親和性生物傳感器，實(shí)現(xiàn)蛋白-受體之間親和性和動力學(xué)測定。該技術(shù)主要可用于大分子之間的相互作用，但是難以用于味覺受體與味覺成分的測定，因?yàn)槲队X物質(zhì)不僅多種多樣，而且大多數(shù)都是各種有機(jī)分子，如糖、核苷酸、氨基酸、芳香族化合物（如苦味）等，同時也有短肽、糖類衍生物，甚至很多金屬離子也有味覺。另一方面，這類物質(zhì)似乎并非僅僅通過與受體之間的親和作用發(fā)揮傳感功能，所以SPR或者Si-NW FET都難以實(shí)現(xiàn)味覺受體-配體作用的定量化測定。

4 電子舌測定味覺成分

在食品營養(yǎng)、調(diào)味和感官評價領(lǐng)域，其檢測方法主要集中在以感官為基礎(chǔ)的電子鼻和電子舌技術(shù)的研究與應(yīng)用，目前已經(jīng)有各種儀器、設(shè)備上市。但是此類傳感器主要是開發(fā)具有對味覺或嗅覺成分作出響應(yīng)的材料（膜、電極或粒子），從而根據(jù)不同人群的感官評價指標(biāo)進(jìn)行比對和定量化。這種定量化實(shí)質(zhì)上仍然是一種對味覺成分濃度的測定，其優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)性好、不需要對味覺物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理、成本較低等；但是缺點(diǎn)也很明顯，與真正的味覺傳感、神經(jīng)、生理作用沒有直接聯(lián)系。

5 味覺受體傳感器研究進(jìn)展

雖然對嗅覺受體，特別是昆蟲觸角上的嗅覺受體進(jìn)行微型傳感器的研究已經(jīng)取得了很多重要進(jìn)展[71]，但是在味覺受體傳感器研究，特別是電化學(xué)型味覺受體傳感器方面則很少有成功的報(bào)道。Chen Peihua等[80]將具有酸味傳感受體的細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，用光尋址傳感器（lightaddress able potentiometric sensor，LAPS）識別酸味刺激并與無酸溶液作比較，酸味傳感受體細(xì)胞經(jīng)受酸味刺激以后就會改變其動作電位，并可通過LAPS對這些細(xì)胞外的信號進(jìn)行記錄。經(jīng)過對這些信號進(jìn)行一段時間的分析和提取，過濾掉與味覺受體無關(guān)的信號后即可以對味覺受體的作用進(jìn)行研究。用這種方法所得到的信息雖然可能與味覺受體對味覺刺激相關(guān)，但是，由于其細(xì)胞的狀態(tài)、細(xì)胞和細(xì)胞之間的相互作用以及胞內(nèi)信號途徑的復(fù)雜“Cross-talking”，難以得出味覺受體和味覺刺激的動力學(xué)規(guī)律，更難以進(jìn)行精確的味覺測定和評價。

到目前為止，對味覺傳感的定量化方法實(shí)質(zhì)上是基于3 種機(jī)制之一：1）基于活細(xì)胞離子通道或細(xì)胞活性成分的標(biāo)記；2）所謂非標(biāo)-SPR法，主要是通過測定受體-配體之間的結(jié)合與解離特性；3）電子舌，主要是基于人們對若干基本味覺物質(zhì)的品嘗經(jīng)驗(yàn)對味覺物質(zhì)作用于敏感材料所產(chǎn)生的電化學(xué)響應(yīng)進(jìn)行味覺評價。第3種機(jī)制與細(xì)胞受體無關(guān)，而第1種機(jī)制必須面對復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)不同信號途徑之間的“Cross-talking”以及細(xì)胞本身的狀態(tài)等復(fù)雜因素的影響，而第2種機(jī)制不僅要克服如何實(shí)現(xiàn)高通量、降低成本等問題，其測定結(jié)果也需要持審慎的態(tài)度。因?yàn)槲队X受體對味覺物質(zhì)，特別是小分子物質(zhì)，例如對酸味（pH值）、咸味的傳感似乎與受體-配體之間的結(jié)合-解離作用沒有直接關(guān)系。

本課題組自1996年至今，在生物傳感器研究方面進(jìn)行了10多年的探索，特別是在納米免疫傳感器的研究方面取得了較大突破。本課題組以交聯(lián)辣根過氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）的電子媒介體硫堇-殼聚糖為橋聯(lián)劑，吸附納米金于玻碳電極，借助納米金吸附固定HRP制備了H2O2生物傳感器。利用計(jì)時電流法對H2O2進(jìn)行測定，結(jié)果表明該生物傳感器檢測的線性范圍為1×10－7～1×10－4mol/L，檢測限為5.0×10－8mol/L。其壽命、穩(wěn)定性、重現(xiàn)性及選擇性都表現(xiàn)突出[81]。在此基礎(chǔ)上，本課題組以殼聚糖作為橋聯(lián)劑連接金納米粒子于玻碳電極，用納米金固定HRP標(biāo)記的抗牛免疫球蛋白（immunoglobulin，IgG）構(gòu)建了檢測牛IgG的電化學(xué)免疫傳感器。通過交流阻抗法和循環(huán)伏安法表征電極組裝過程的電化學(xué)特性，用電流-時間法測定PBS緩沖液稀釋的標(biāo)準(zhǔn)牛IgG。結(jié)果顯示，免疫反應(yīng)前后穩(wěn)態(tài)電流的變化率與牛IgG的質(zhì)量濃度的對數(shù)在10－1～104ng/mL范圍內(nèi)呈良好的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.997 6。該傳感器重現(xiàn)性及穩(wěn)定性良好、成本低、操作簡單，可用于含牛免疫球蛋白樣品的定量檢測[82-83]。以殼聚糖為橋聯(lián)劑固定第一層納米金于玻碳電極并吸附固定抗蠟樣芽孢桿菌BALB/c單克隆抗體，以滴電極方式將硫堇-殼聚糖/納米金-HRP復(fù)合物固定于上述電極并吸附抗蠟樣芽孢桿菌單克隆抗體構(gòu)建了雙層納米金修飾的蠟樣芽孢桿菌電化學(xué)免疫傳感電極。利用循環(huán)伏安法、交流阻抗法等表征電極組裝的各個階段，利用計(jì)時電流法對蠟樣芽孢桿菌進(jìn)行測定，結(jié)果顯示，該傳感器的響應(yīng)電流與菌濃度在5×101～5×104CFU/mL范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.996 6，檢測限為10 CFU/mL[84]，為實(shí)現(xiàn)蠟樣芽胞桿菌的快速定量和在線檢測奠定了基礎(chǔ)。

該技術(shù)的重要意義在于建立了一個用于結(jié)合BALB/c小鼠單克隆抗體的納米免疫傳感器及其辣根過氧化物酶信號放大系統(tǒng)。事實(shí)上，免疫球蛋白本身就是B-細(xì)胞受體（B cell receptor，BCR）經(jīng)過轉(zhuǎn)型開關(guān)作用轉(zhuǎn)變成抗體，它和抗原之間的互作與受體和配體之間的互作基本上是相同的。因此有理由推測：既然可以把抗體-抗原之間的弱相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀瘜W(xué)信號，那么也應(yīng)該可以將其他受體和配體之間的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀瘜W(xué)信號從而研制出電化學(xué)型受體傳感器。于是本課將這一信號放大系統(tǒng)用于電化學(xué)型味覺受體傳感器的研究，并取得了突破性進(jìn)展。一方面將該放大系統(tǒng)用于小鼠GPR70受體（T1R1，NCBI編號：AF337040.1）鮮味電化學(xué)生物傳感器的研究，另一方面利用Oligo法進(jìn)行基因合成，酶切法連接至真核表達(dá)載體pcDNA3.1，轉(zhuǎn)化DH5α菌株獲得質(zhì)粒載體，再使用脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染法轉(zhuǎn)染至CHO-K1細(xì)胞，培養(yǎng)并表達(dá)，獲得了目的受體蛋白-GPR70。然后利用該受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域中的多個巰基和納米金-硫堇-殼聚糖連接，通過HRP進(jìn)一步放大該受體胞外結(jié)構(gòu)域與配基之間的相互作用的信號，研制出鼠GPR70電化學(xué)型鮮味傳感器，經(jīng)實(shí)際檢測表明：該鮮味受體傳感器能夠?qū)劝彼徕c和多種TCA代謝中間化合物（5×10－14～7×10－12mol/L）進(jìn)行測定，呈現(xiàn)酶-底物相似的雙曲線動力學(xué)方程，于是按雙曲線進(jìn)行回歸，相關(guān)系數(shù)為0.974 5；在谷氨酸鈉濃度為5×10－14～1×10－12mol/L時，谷氨酸鈉濃度和檢測信號的差值呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.991 5；通過雙倒數(shù)法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，受體-配基相互作用濃度/活性常數(shù)（達(dá)到最大活性一半時的配體濃度）為1.316 4×10－12mol/L。該方法的優(yōu)點(diǎn)是用固定的納米-辣根過氧化物酶替代細(xì)胞內(nèi)的信號通路和信號放大系統(tǒng)，從而避免了細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的信號途徑之間的“Crosstalking”，容易實(shí)現(xiàn)高通量，但是缺點(diǎn)也很明顯：不能反映受體在流動性的細(xì)胞膜上的相互作用以及細(xì)胞內(nèi)通過細(xì)胞信號傳遞和多條信號途徑之間的“Cross-talking”所產(chǎn)生的真實(shí)生物學(xué)效應(yīng)。

為了能夠更加真實(shí)地檢測受體-配體互作所產(chǎn)生的真實(shí)生物學(xué)效應(yīng)，對上述納米受體傳感器所檢測的規(guī)律與固定化大鼠味蕾組織所構(gòu)建的味覺生物傳感器進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：這兩種傳感器顯示出十分相似的靈敏度和動力學(xué)特征[53]。通過這兩種受體傳感器，不僅可以比較人工信號放大系統(tǒng)和細(xì)胞信號放大系統(tǒng)之間的關(guān)系，還能夠由此定量化研究受體與配基之間的互作動力學(xué)，甚至構(gòu)效關(guān)系[85]，實(shí)現(xiàn)通過目前最成熟、最普遍的電化學(xué)型傳感器定量化測定味覺的目的。對組織或細(xì)胞受體傳感器的設(shè)計(jì)和測定原理如圖6所示。當(dāng)對不同濃度的待測分子進(jìn)行測定時，相當(dāng)于向傳感系統(tǒng)中輸入配體信號X，則可以測定到系統(tǒng)的輸出信號Y，于是可以得到Y(jié)和X的函數(shù)關(guān)系，這一函數(shù)關(guān)系表達(dá)了受體-配體之間的相互作用、受體在細(xì)胞膜上的相互作用、繼而所產(chǎn)生的胞內(nèi)信號放大和傳遞途徑以及由此所產(chǎn)生的總體生物學(xué)效應(yīng)。當(dāng)然其前提是X和Y之間有函數(shù)關(guān)系（例如：相關(guān)性）。顯然，這里X和Y是自變量和因變量之間的關(guān)系，也就是因果關(guān)系，是不可逆的，當(dāng)然不排除正反饋或負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｔ搨鞲衅鞑粌H可以用來進(jìn)行味覺、嗅覺測定，預(yù)計(jì)在藥物篩選、功能性食品評價等方面具有極廣泛的應(yīng)用前景。

圖 6 細(xì)胞作為信號放大系統(tǒng)對味覺受體傳感信號測定示意圖Fig. 6 Schematic diagram of a taste receptor sensor based on cells as signal amplif i cation system

6 結(jié) 語

味覺受體構(gòu)成人和動物對環(huán)境和營養(yǎng)的傳感與控制，不僅存在與味蕾等味覺組織，幾乎分布于機(jī)體所有的器官、組織和細(xì)胞。之所以人體感覺不到它們存在于味覺以外的組織，是因?yàn)橹挥形队X組織所傳感的信號傳遞到大腦，其他如腸道受體主要是傳遞到下丘腦或腦垂體，通過代謝和內(nèi)分泌作用調(diào)節(jié)營養(yǎng)的吸收、運(yùn)輸、貯存、分解和內(nèi)分泌，同時也調(diào)節(jié)攝食量、飽腹感和食欲。目前對味覺測定商品化的儀器設(shè)備主要是電子舌或電子鼻，實(shí)際上是對味覺成分的測定，跟味覺受體沒有直接關(guān)系。而大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：味覺受體在味覺成分的作用下具有非常重要的調(diào)節(jié)神經(jīng)、生理、免疫和內(nèi)分泌等功能。而如果人工調(diào)味劑對機(jī)體的生理、代謝和內(nèi)分泌具有不同的作用，甚至有害，那么其潛在的健康問題就值得關(guān)注，可見味覺受體傳感器的研究極具迫切性。

事實(shí)上，味覺受體早就引起了科學(xué)家的密切關(guān)注，因?yàn)榇蠖鄶?shù)嗅覺和味覺受體都是GPCR超家族成員，是藥物篩選最重要的靶點(diǎn)。但是由于受體-配體之間的相互作用非常復(fù)雜，而且多屬于弱相互作用，難以轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行測定。所以到目前為止，研究主要是基于在味覺受體接受到配體的抑制劑、激活劑刺激時細(xì)胞所產(chǎn)生的離子通道或分泌物的變化，這些變化可以通過各種分子標(biāo)記來進(jìn)行定量化測定。最近，由于SPR技術(shù)的成熟與儀器設(shè)備的市場化，通過該技術(shù)進(jìn)行非標(biāo)受體-配體互作測定已經(jīng)吸引了眾多科學(xué)家的目光。但是，這些研究主要是為了進(jìn)行非標(biāo)篩選藥物，鮮見用于味覺測定的報(bào)道。

在味覺受體電化學(xué)傳感器的研究方面只有很少的報(bào)道。Chen Peihua等[80]通過將酸味受體細(xì)胞培養(yǎng)并吸附在印刷絲網(wǎng)電極構(gòu)成的培養(yǎng)板上，通過光尋址技術(shù)測定加入酸味物質(zhì)所產(chǎn)生的信號變化，在數(shù)據(jù)處理時過濾掉與酸味物質(zhì)響應(yīng)無關(guān)的信號，研制出酸味受體傳感器，但是該傳感器的干擾因素多而且復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的定量測定。

本課題組成功地將抗原-抗體之間的弱相互作用轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號，從而在研制出電化學(xué)型納米金免疫傳感器的基礎(chǔ)上，將該技術(shù)用于受體傳感器的研究，將大鼠體外表達(dá)的T1R1鮮味受體蛋白自組裝到納米金上，通過辣根過氧化物酶進(jìn)一步放大信號，制成可以定量測定鮮味物質(zhì)-谷氨酸單鈉鹽的電化學(xué)型傳感器。該傳感器結(jié)合固定化組織或細(xì)胞傳感器技術(shù)，可以為鮮味物質(zhì)，包括氨基酸、肽類、IMP和GMP及其與味覺受體作用規(guī)律、生物功能評價等研究提供高敏感、特異性、定量化、操作簡單、價格便宜、重復(fù)性好的檢測方法。該技術(shù)的建立與完善將有望為極具多樣性的GPCRs及其與配基（體）互作規(guī)律、信號途徑、生物學(xué)功能等研究提供一個通用的技術(shù)平臺，同時可以用于人類和動物的味覺測定。

[1] FREDRIKSSON R, LAGERSTROM M C, LUNDIN L G, et al. The G-proteincoupled receptors in the human genome form five main families. Phylogenetic analysis, paralogon groups, and f i ngerprints[J]. Molecular Pharmacology, 2003, 63(6): 1256-1272. DOI:10.1124/ mol.63.6.1202.

[2] AUDET M, BOUVIER M. Restructuring G-protein-coupled receptor activation[J]. Cell, 2012, 151(1): 14-23. DOI:10.1016/ j.cell.2012.09.003.

[3] SCHLINKMANNA K M, HONEGGERA A, TüRECI E, et al. Critical features for biosynthesis, stability, and functionality of a G proteincoupled receptor uncovered by all-versus-all mutations[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(25): 9810-9815. DOI:10.1073/pnas.1202107109.

[4] DODEVSKI I, PLüCKTHUN A. Evolution of three human GPCRs for higher expression and stability[J]. Journal of Molecular Biology, 2011, 408: 599-615. DOI:10.1016/j.jmb.2011.02.051.

[5] VENKATAKRISHNAN A J, DEUPI X, LEBON G, et al. Molecular signatures of G-protein-coupled receptors[J]. Nature, 2013, 494: 185-194. DOI:10.1038/nature11896.

[6] REIMANN F, TOLHURST G, GRIBBLE F M. G-protein-coupled receptors in intestinal chemosensation[J]. Cell Metabolism, 2012, 15: 421-431. DOI:10.1016/j.cmet.2011.12.019.

[7] NELSON G, CHANDRASHEKAR J, HOON M A, et al. An amino-acid taste receptor[J]. Nature, 2002, 416: 199-202. DOI:10.1038/nature726.

[8] ZHAO G Q, ZHANG Y, HOON M A, et al. The receptors for mammalian sweet and umami taste[J]. Cell, 2003, 115: 255-266. DOI:10.1016/S0092-8674(03)00844-4.

[9] LI X D, STASZEWSKI L, XU H, et al. Human receptors for sweet and umami taste[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99(7): 4692-4696. DOI:10.1073/ pnas.072090199.

[10] MAGA J A. Flavor potentiators[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1983, 18: 231-312. DOI:10.1080/10408398309527364.

[11] RAWAL S, HAYES J E, WALLACE M R, et al. Do polymorphisms in the TAS1R1 gene contribute to broader differences in human taste intensity?[J]. Chemical Senses, 2013, 38: 719-728. DOI:10.1093/ chemse/bjt040.

[12] BRADFORD W, BUCKHOLZ A, MORTON J, et al. Eukaryotic G protein signaling evolved to require G protein–coupled receptors for activation[J]. Science Signaling, 2013, 6(276): 37. DOI:10.1126/ scisignal.2003768.

[13] ZHANG X H, de la CRUZ O, PINTO J M, et al. Characterizing the expression of the human olfactory receptor gene family using a novel DNA microarray[J]. Genome Biology, 2007, 8(5): R86. DOI:10.1186/ gb-2007-8-5-r86.

[14] 龐廣昌, 陳慶森, 胡志和, 等. 五味調(diào)與營養(yǎng)平衡及其信號傳導(dǎo)[J].食品科學(xué), 2012, 33(13): 1-20.

[15] NELSON G, HOON M A, CHANDRASHEKAR J, et al. Mammalian sweet taste receptors[J]. Cell, 2001, 106(3): 381-390. DOI:10.1016/ S0092-8674(01)00451-2.

[16] MARTIN B, MAUDSLEY S, WHITE C M, et al. Hormones in the naso-oropharynx: endocrine modulation of taste and smell[J]. Trends in Endocrinology & Metabolism, 2009, 20(4): 163-170. DOI:10.1016/ j.tem.2009.01.006.

[17] KAWAI F, KURAHASHI T, KANEKO A. Adrenaline enhances odorant contrast by modulating signal encoding in olfactory receptor cells[J]. Nature Neuroscience, 1999, 2(2): 133-138. DOI:10.1038/5686.

[18] TONG J, MANNEA E, AIMé P, et al. Ghrelin enhances olfactory sensitivity and exploratory sniff i ng in rodents and humans[J]. Journal of Neuroscience the Off i cial Journal of the Society for Neuroscience, 2011, 31: 5841-5846. DOI:10.1523/JNEUROSCI.5680-10.2011.

[19] TRELLAKIS S, TAGAY S, FISCHER C, et al. Ghrelin, leptin and adiponectin as possible predictors of the hedonic value of odors[J]. Regulatory Peptides, 2011, 167: 112-117. DOI:10.1016/ j.regpep.2010.12.005.

[20] FIRESTEIN S, MENINI A. The smell of adrenaline[J]. Nature Neuroscience, 1999, 2: 106-108. DOI:10.1038/5661.

[21] JANG H J, KOKRASHVILI Z, THEODORAKIS M J, et al. Gutexpressed gustducin and taste receptors regulate secretion of glucagonlike peptide-1[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007, 104(38): 15069-15074. DOI:10.1073pnas.0706890104.

[22] YOSHIDA R, OHKURI T, JYOTAKI M, et al. Endocannabinoids selectively enhance sweet taste[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, 107(2): 935-939. DOI:10.1073/ pnas.0912048107.

[23] LAGERSTROM M C, SCHIOTH H B. Structural diversity of G proteincoupled receptors and signif i cance for drug discovery[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2008, 7(4): 339-357. DOI:10.1038/nrd2518.

[24] RIERA C E, DILLIN A. Emerging role of sensory perception in aging and metabolism[J]. Trends in Endocrinology & Metabolism, 2016, 27(5): 294-303. DOI:10.1016/j.tem.2016.03.007.

[25] SWITHERS S E. Artificial sweeteners produce the counterintuitive effect of inducing metabolic derangements[J]. Trends in Endocrinology & Metabolism, 2013, 24(9): 431-441. DOI:10.1016/j.tem.2013.05.005. Epub2013Jul10.

[26] JOHNSTON C A, FOREYT J P. Robust scientif i c evidence demonstrates benefits of artificial sweeteners[J]. Trends in Endocrinology & Metabolism, 2014, 25(1): 1. DOI:10.1016/j.tem.2013.09.007.

[27] WHITE J F, NOINAJ N, SHIBATA Y, et al. Structure of the agonist-bound neurotensin receptor[J]. Nature, 2012, 490: 508-513. DOI:10.1038/nature11558.

[28] RALIOU M, GRAUSO M, HOFFMANN B, et al. Human genetic polymorphisms in T1R1 and T1R3 taste receptor subunits affect their function[J]. Chemical Senses, 2011, 36: 527-537. DOI:10.1093/ chemse/bjr014.

[29] ZHANG Y, HOON M A, CHANDRASHEKAR J, et al. Coding of sweet, bitter, and umami tastes: different receptor cells sharing similar signaling pathways[J]. Cell, 2003, 112(3): 293-301. DOI:10.1016/ S0092-8674(03)00071-0.

[30] KUSUHARA Y, YOSHIDA R, OHKURI T, et al. Taste responses in mice lacking taste receptor subunit T1R1[J]. The Journal of Physiology, 2013, 591(7): 1967-1985. DOI:10.1113/jphysiol.2012.236604.

[31] DAMAK S, RONG M Q, YASUMATSU K, et al. Detection of sweet and umami taste in the absence of taste receptor T1R3[J]. Science, 2003, 301: 850-853. DOI:10.1126/science.1087155.

[32] WAUSON E M, ZAGANJOR E, LEE A Y, et al. The G proteincoupled taste receptor T1R1/T1R3 regulates mTORC1 and autophagy[J]. Molecular Cell, 2012, 47(6): 851-862. DOI:10.1016/ j.molcel.2012.08.001.

[33] KINNAMON S C, Taste receptor signalling-from tongues to lung[J]. Acta Physiologiae, 2012, 204(2): 158-168. DOI:10.1111/j.1748-1716.2011.02308.x.

[34] LEE R J, COHEN N A. Taste receptors in innate immunity[J]. Cellular and Molecular Life Sciences, 2014, 72(2): 217-236. DOI:10.1007/ s00018-014-1736-7.

[35] KOJIMA I, NAKAGAWA Y. The role of the sweet taste receptor in enteroendocrine cells and pancreatic β-cells[J]. Diabetes & Metabolism Journal, 2011, 35(5): 451-457. DOI:10.4093/dmj.2011.35.5.451.

[36] JANG H J, KOKRASHVILI Z, THEODORAKIS M J, et al. Gutexpressed gustducin and taste receptors regulate secretion of glucagonlike peptide1[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007, 104(38): 15069-15074. DOI:10.1073/pnas.0706890104.

[37] NAKAGAWA Y, NAGASAWA M, YAMADA S, et al. Sweet taste receptor expressed in pancreatic β-cells activates the calcium and cyclic AMP signaling systems and stimulates insulin secretion[J]. PLoS ONE, 2009, 4(4): e5106. DOI:10.1371/journal.pone.0005106.

[38] MASUBUCHI Y, NAKAGAWA Y, MA J, et al. A novel regulatory function of sweet taste-sensing receptor in adipogenic differentiation of 3T3-L1 cells[J]. PLoS ONE, 2013, 8(1): e54500. DOI:10.1371/ journal.pone.0054500.

[39] REN X Y, ZHOU L G, TERWILLIGER R, et al. Sweet taste signaling functions as a hypothalamic glucose sensor[J]. Frontiers in Integrative Neuroscience, 2009, 3: 1-16. DOI:10.3389/neuro.07.012.2009.

[40] KOJIMA I, NAKAGAWA Y, HAMANO K, et al. Glucose-sensing receptor T1R3: a new signaling receptor activated by glucose in pancreatic β-cells[J]. Biological and Pharmaceutical Bulletin, 2015, 38(5): 674-679. DOI:10.1248/bpb.b14-00895.

[41] ANTON S D, MARTIN C K, HAN H M, et al. Effects of stevia, aspartame, and sucrose on food intake, satiety, and postprandial glucose and insulin levels[J]. Appetite, 2010, 55(1): 37-43. DOI:10.1016/j.appet.2010.03.009.

[42] WU T, ZHAO B R, BOUND M J, et al. Effects of different sweet preloads on incretin hormone secretion, gastric emptying, and postprandial glycemia in healthy humans[J]. American Journal of Clinical Nutrition, 2012, 95(1): 78-83. DOI:10.3945/ajcn.111.021543. [43] WONG G T, GANNON K S, MARGOLSKEE R F. Transduction of bitter and sweet taste by gustducin[J]. Nature, 1996, 381: 796-800. DOI:10.1038/381796a0.

[44] BRAND J G, ZEEBERG B R, CAGAN R H. Biochemical studies of taste sensation. V. binding of quinine to bovine taste papillae and taste bud cells[J]. International Journal of Neuroscience, 1976, 7(1): 37-43. DOI:10.3109/00207457609147199.

[45] DESHPANDE D A, WANG W C H, MCILMOYLE E L, et al. Bitter taste receptors on airway smooth muscle bronchodilate by localized calcium signaling and reverse obstruction[J]. Nature Medicine, 2010, 16(11): 1299-1304. DOI:10.1038/nm.2237.

[46] SISIGNANO M, PARNHAM M J, GEISSLINGER G. Drug repurposing for the development of novel analgesics[J]. Trends in Pharmacological Sciences, 2015, 37(3): 172-183. DOI:10.1016/ j.tips.2015.11.006.

[47] SANDERSON M J, MADISON J M. Bitter treats for better breathing[J]. Nature Medicine, 2010, 16(11): 1190-1191. DOI:10.1038/nm1110-1190.

[48] BELVISI M G, DALE N, BIRRELL M A, et al. Bronchodilator activity of bitter tastants in human tissue[J]. Nature Medicine, 2011, 17: 776-778. DOI:10.1038/nm0711-776b.

[49] MORICE A H, BENNETT R T, CHAUDHRY M A, et al. Effect of bitter tastants on human bronchi[J]. Nature Medicine, 2011, 17(7): 775. DOI:10.1038/nm0711-775.

[50] ZHANG C H, LIFSHITZ L M, UY K F, et al. The cellular and molecular basis of bitter tastant-induced bronchodilation[J]. PLoS Biology, 2013, 11(3): e1001501. DOI:10.1371/journal.pbio.1001501.

[51] CATERINA M J, SCHUMACHER M A, TOMINAGA M, et al. The capsaicin receptor: a heat activated ion channel in the pain pathway[J]. Nature, 1997, 389: 816-824. DOI:10.1038/39807.

[52] RANDHAWA P K, JAGGI A S. TRPV1 and TRPV4 channels: potential therapeutic targets for ischemic conditioning-induced cardioprotection[J]. European Journal of Pharmacology, 2015, 746: 180-185. DOI:10.1016/j.ejphar.2014.11.010.

[53] QIAO L, JIAO L, PANG G C, et al. A novel pungency biosensor prepared with fixing taste-bud tissue of rats[J]. Biosensor and Bioelectronics, 2015, 68: 454-461. DOI:10.1016/ j.bios.2015.01.032.

[54] ARAI T, OHKURI T, YASUMATSU K, et al. The role of transient receptor potential vanilloid-1 on neural responses to acids by the chorda tympani, glossopharyngeal and superior laryngeal nerves in mice[J]. Neuroscience, 2010, 165(4): 1476-1489. DOI:10.1016/ j.neuroscience.2009.11.051.

[55] MORALES-LáZARO S L, ROSENBAUM T. A painful link between the TRPV1 channel and lysophosphatidic acid[J]. Life Sciences, 2015, 125: 15-24. DOI:10.1016/j.lfs.2014.10.004.

[56] HECK G L, MIERSON S, de SIMONE J A. Salt taste transduction occurs through an amiloride-sensitive sodium transport pathway[J]. Science, 1984, 223: 403-405. DOI:10.1126/science.6691151.

[57] KRETZ O, BARBRY P, BOCK R. Differential expression of RNA and protein of the three pore-forming subunits of the amiloridesensitive epithelial sodium channel in taste buds of the rat[J]. Journal of Histochemistry & Cytochemistry, 1999, 47(1): 51-64. DOI:10.1093/ chemse/bji046.

[58] CHANDRASHEKAR J, KUHN C, OKA Y, et al. The cells and peripheral representation of sodium taste in mice[J]. Nature, 2010, 464: 297-301. DOI:10.1038/nature08783.

[59] BREZA J M, CONTRERAS R J. Anion size modulates salt taste in rats[J]. Journal of Neurophysiology, 2012, 107: 1632-1648. DOI:10.1152/jn.00621.2011.

[60] LYALL V, ALAM R I, PHAN D Q, et al. Decrease in rat taste receptor cell intracellular pH is the proximate stimulus in sour taste transduction[J]. American Journal of Physiology-Cell Physiology, 2001, 281: C1005-C1013.

[61] OKA Y, BUTNARU M, von BUCHHOLTZ L, et al. High salt recruits aversive taste pathways[J]. Nature, 2013, 494: 472-475. DOI:10.1038/ nature11905.

[62] LIMAN E R, ZHANG Y L V, CRAIG M. Peripheral coding of taste[J]. Neuron, 2014, 81: 984-1000. DOI:10.1016/j.neuron.2014.02.022.

[63] HUANG A L, CHEN X, HOON M A, et al. The cells and logic for mammalian sour taste detection[J]. Nature, 2006, 442: 934-938. DOI:10.1038/nature05084.

[64] ROPER S D. Signal transduction and information processing in mammalian taste buds[J]. Pflügers Archiv-European Journal of Physiology, 2007, 454: 759-776. DOI:10.1007/s00424-007-0247-x.

[65] HORIO N, YOSHIDA R, YASUMATSU K, et al. Sour taste responses in mice lacking PKD channels[J]. PLoS ONE, 2011, 6(5): e20007. DOI:10.1371/journal.pone.0020007.

[66] CHANG R B, WATERS H, LIMAN E R. A proton current drives action potentials in genetically identified sour taste cells[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107: 22320-22325. DOI:10.1073/pnas.1013664107.

[67] RICHTER T A, DVORYANCHIKOV G A, CHAUDHARI N, et al. Acid-sensitive two-pore domain potassium (K2P) channels in mouse taste buds[J]. Journal of Neurophysiology, 2004, 92(3): 1928-1936. DOI:10.1152/jn.00273.2004.

[68] WANG Y Y, CHANG R B, LIMAN E R. TRPA1 is a component of the nociceptive response to CO2[J]. Journal of Neuroscience, 2010, 30(39): 12958-12963. DOI:10.1523/JNEUROSCI.2715-10.2010.

[69] SHOICHET B K, KOBILKA B K. Structure-based drug screening for G-protein-coupled receptors[J]. Trends in Pharmacological Sciences, 2012, 33(5): 268-272. DOI:10.1016/j.tips.2012.03.007.

[70] WHORTON M R, MACKINNON R. X-ray structure of the mammalian GIRK2–bc G-protein complex[J]. Nature, 2013, 498: 190-196. DOI:10.1038/nature12241.

[71] SU C Y, MENUZ K, REISERT J, et al. Non-synaptic inhibition between grouped neurons in an olfactory circuit[J]. Nature, 2012, 492: 66-71. DOI:10.1038/nature11712.

[72] NAVRATILOVA I, BESNARD J, HOPKINS A L. Screening for GPCR ligands using surface plasmon resonance[J]. ACS Medicinal Chemistry Letters, 2011, 2(7): 549-554. DOI:10.1021/ml2000017.

[73] MARTINS S A, TRABUCO J R, MONTEIRO G A, et al. Towards the miniaturization of GPCR-based live-cell screening assays[J]. Trends in Biotechnology, 2012, 30(11): 566-574. DOI:10.1016/ j.tibtech.2012.07.004.

[74] MéJARD R, GRIESSER H J, THIERRY B. Optical biosensing for label-free cellular studies[J]. Trends in Analytical Chemistry, 2014, 53: 178-186. DOI:10.1016/j.trac.2013.08.012.

[75] WU C S, DU L P, WANG D, et al. A novel surface acoustic wavebased biosensor for highly sensitive functional assays of olfactory receptors[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2011, 407: 18-22. DOI:10.1016/j.bbrc.2011.02.073.

[76] LEE S H, JIN H J, SONG H S, et al. Bioelectronic nose with high sensitivity and selectivity using chemically functionalized carbon nanotube combined with human olfactory receptor[J]. Journal of Biotechnology, 2012, 157(4): 467-472. DOI:10.1016/ j.jbiotec.2011.09.011.

[77] ROSS P, WEIHOFEN W, SIU F, et al. Isothermal chemical denaturation to determine binding affinity of small molecules to G-protein coupled receptors[J]. Analytical Biochemistry, 2015, 473: 41-45. DOI:10.1016/j.ab.2014.11.019.

[78] KOVACIC P, SOMANATHAN R. Mechanism of taste; electrochemistry, receptors and signal transduction[J]. Journal of Electrostatics, 2012, 70(1): 7-14. DOI:10.1016/j.elstat.2011.09.004.

[79] DUAN X X, LI Y, RAJAN N K. Quantification of the affinities and kinetics of protein interactions using silicon nanowire biosensors[J]. Nature Nanotechnology, 2012, 7(6): 401-407. DOI:10.1038/nnano.2012.82.

[80] CHEN P H, LIU X D, WANG B Q, et al. A biomimetic taste receptor cell-based biosensor for electrophysiology recording and acidic sensation[J]. Sensors and Actuators B, 2009, 139: 576-583. DOI:10.1016/j.snb.2009.02.067.

[81] KANG X B, PANG G C, LIANG X Y, et al. Study on a hydrogen peroxide biosensor based on horseradish peroxidase/GNPs-thionine/ chitosan[J]. Electrochimica Acta, 2012, 62(1): 327-334. DOI:10.1016/ j.electacta.2011.12.034.

[82] 康曉斌, 龐廣昌, 梁新義. 牛IgG電化學(xué)納米免疫傳感器的研制[J].食品科學(xué), 2011, 32(16): 379-383.

[83] LU D Q, LU F P, PANG G C. A novel glutathione-S transferase immunosensor based on horseradish peroxidase and double-layer gold nanoparticles[J]. Biomedical Microdevices, 2016, 18(3): 50. DOI:10.1007/s10544-016-0075-x.

[84] KANG X B, PANG G C, CHEN Q, et al. Fabrication of Bacillus cereus electrochemical immunosensor based on double-layer gold nanoparticles and chitosan[J]. Sensors and Actuators B, 2013, 177(1): 1010-1016. DOI:10.1016/j.snb.2012.12.018.

[85] WANG X Y, PANG G C Amplification systems of weak interaction biosensors: applications and prospects[J]. Sensor Review, 2015, 35(1): 30-42. DOI:10.1108/SR-03-2014-629.

Advances in Research on Taste Receptors and Application Prospects of Taste Sensors

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 color, smell and taste with perfect blend of the fi ve basic fl avors namely sourness, sweetness, bitterness, spice and saltiness as core criterion are three aspects to describe traditional Chinese diet and food cooking and processing. The internationally recognized fi ve tastes are identical to the Chinese ones except for the replacement of spice by umami. It is suggested that the taste of fat be def i ned as “aroma”, but the Chinese “aroma” belongs to the sense of smell, rather than the sense of taste. Accumulated evidences have demonstrated that the majority of taste receptors as a nutrient sensing system, such as bitterness, sweetness and umami, which have been used as the target for drug screening, belong to the super family of G protein coupled receptor, and its distribution is not restricted to the taste buds, intestinal tract and other tissues. Although a lot of achievements have made in the study of taste receptors, but so far, the instrumental determination of taste still depends on electronic nose and electronic tongue. Taste receptor-based biosensors and related technologies are still under exploration and research. The major reason is due to the effects of all receptors including taste receptors with weak interaction with their ligands. How to transform the weak interaction into signals such as light, sound, electric, magnetism and heat, which can be handled and amplif i ed by sensors to realize quantitative measurement, is a critical problem. Because of the great prospects for the development and application of taste receptors in medical screening, functional evaluation of foods and additives, and the prevention of metabolic syndromes, developing detection methods based on using taste receptors is always one of the research focuses. This article aims to provide a systematic review of recent advances in our knowledge about taste receptors and in the development of taste receptor-based biosensors. The prospects for their future application are discussed as well.

G-protein-coupled receptors (GPCRs); biosensor; taste receptors; electronic tongue

10.7506/spkx1002-6630-201705047

R151.41

A

1002-6630（2017）05-0288-11

龐廣昌, 陳慶森, 胡志和, 等. 味覺受體及其傳感器研究與應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(5): 288-298. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201705047. http://www.spkx.net.cn

PANG Guangchang, CHEN Qingsen, HU Zhihe, et al. Advances in research on taste receptors and application prospects of taste sensors[J]. Food Science, 2017, 38(5): 288-298. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705047. http://www.spkx.net.cn

2016-06-26

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31371773）

龐廣昌（1956—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)和生物傳感器。E-mail：pgc@tjcu.edu.cn