26.3.1.1 Los receptores T1R: Transducción de las cualidades gustativas dulce y umami

Los primeros receptores metabotrópicos identificados en la gustación fueron dos miembros de la familia T1R, T1R1 y T1R2 (originalmente denominados TR1 y TR2),41 y fueron descubiertos mediante técnicas de cribado sustractivo y diferencial de células individuales. Estos receptores muestran un 40% de homología entre sí y están lejanamente relacionados con otros GPCRs como el receptor sensor de calcio, el receptor de feromonas V2R y los receptores metabotrópicos de glutamato. Todos son miembros de la familia de los GPCR de clase C y comparten la característica distintiva de un largo dominio extracelular N-terminal conocido como dominio Venus flytrap. Los experimentos de hibridación in situ establecieron que estos receptores se expresan en el 20-30% de los CVR en las papilas gustativas anteriores y posteriores. Además, están presentes en casi todos los vertebrados, pero no en los invertebrados.39

Inicialmente, se desconocían los ligandos de estos receptores, aunque basándose en su expresión en la parte anterior de la lengua, se sugirió la transducción del dulce. Muchos especularon que los genes de estos receptores estarían mapeados en el locus del saco, una región en el cromosoma 4 distal previamente identificada por estudios genéticos como implicada en el sabor dulce en los ratones. Fuller,42 estudiando cepas de ratones que difieren en su avidez por consumir soluciones dulces, estableció que la mayoría de las diferencias en la preferencia por la sacarina en las cepas con y sin gusto (C57BL/6J y DBA/2J, respectivamente) dependían de un único locus, denominado sac. La forma dominante del alelo se correlaciona con la preferencia más aguda. Estudios posteriores generalizaron este hallazgo a otras moléculas dulces como el acesulfamo, la dulcina y la sacarosa,43,44 y señalaron que los polimorfismos putativos en los genes influían en la actividad nerviosa periférica.45 Sin embargo, utilizando un mapeo genético de alta resolución, el T1R1 se mapeó proximalmente al locus sac.46

La identidad de sac y su relación con la familia de receptores T1R quedó clara cuando se descubrió el tercer miembro de la familia, el T1R3.47-49 El T1R3 se expresa tanto en los campos anteriores como en los posteriores en los CVR cuya morfología es consistente con las células de tipo II. Se coexpresa con T1R1 o T1R2, aunque una fracción de los TRC que expresan T1R3 no coexpresan ninguno de los dos.50 Las células T1R3 se coexpresan con otros elementos de la cascada de transducción dulce que incluyen α-gustducina y PLCβ2. Los experimentos realizados con sistemas de expresión heteróloga demostraron que T1R3 requiere la coexpresión de T1R2 para responder plenamente a una amplia variedad de sustancias dulces, como azúcares simples, edulcorantes artificiales, d-aminoácidos y proteínas dulces.48,51 El dímero humano T1R2/T1R3 respondió a una veintena de compuestos conocidos como dulces a concentraciones fisiológicas y fue inhibido por el lactisole, un antagonista del sabor dulce humano.51 A través de una combinación de mapeo físico y minería de bases de datos del genoma, varios grupos identificaron un T1R3 como saco en los genomas de roedores y humanos.47-49,51-54

La validación de T1R2/T1R3 como el principal receptor del gusto dulce de los mamíferos se obtuvo a partir de estudios que utilizaron ratones knockout para los genes T1R1, T1R2 o T1R3, así como un ratón doble knockout para los genes T1R2 y T1R3. Estos ratones se sometieron a ensayos conductuales de acceso breve y a registros electrofisiológicos de los nervios cordal y glosofaríngeo.55,56 Los ratones nulos para T1R2 mostraron una pérdida de preferencia y de respuestas neuronales para los edulcorantes artificiales y una gran disminución de las respuestas para los azúcares naturales. Los ratones T1R3-null perdieron respuestas conductuales y electrofisiológicas tanto para los estímulos umami como para los edulcorantes artificiales y tuvieron respuestas muy reducidas para los azúcares. Sólo el animal con doble knockout perdió completamente las respuestas residuales a los azúcares naturales, lo que sugiere que T1R2 o T1R3 pueden operar como un monómero o un homodímero. De hecho, las células HEK-293 que expresan T1R3 de ratón por sí solas respondieron al azúcar elevado;50 curiosamente, estas respuestas no se observaron con T1R3 humano. Estos estudios de knockout demostraron inequívocamente el papel esencial de las proteínas T1R2 y T1R3 en la detección y percepción del dulce. Del mismo modo, en un fascinante knockout natural, la familia Felidae adquirió una mutación de pérdida de función en el gen T1R2 al principio de la evolución y, en consecuencia, ha perdido el sabor dulce, lo que explica la indiferencia de los gatos por el azúcar.57

¿Cómo podrían explicar tan pocos receptores del dulce el gran número de especies y las diferencias individuales en la percepción del sabor dulce? Estas diferencias pueden explicarse por las diferencias en las secuencias genéticas entre especies y por los polimorfismos dentro de una especie. En la expresión heteróloga, sólo los T1R2/T1R3 humanos respondieron al aspartamo y al ciclamato, mientras que los receptores de la rata, que es indiferente a estos compuestos, no lo hicieron.51 Más notablemente, el ratón T1R2-nulo que expresa el transgén T1R2 humano mostró respuestas a varias moléculas reconocidas como dulces por los humanos a las que los ratones son indiferentes.55 Dentro de una misma especie, los múltiples polimorfismos de varias cepas de ratones clasifican claramente la condición de catador y no catador de estos animales.54,58 Estos polimorfismos no actúan bloqueando la expresión del gen o la traducción de la proteína, sino que se cree que interfieren en la capacidad de formar dímeros o de unirse a los edulcorantes. En los seres humanos, los polimorfismos asociados al promotor del T1R3 ayudan a explicar las conocidas diferencias en la sensibilidad gustativa a la sacarosa.59

Otra paradoja que surge del descubrimiento de los receptores del dulce es cómo tan pocos receptores pueden reconocer una gama tan diversa de estímulos como los carbohidratos, los aminoácidos, las proteínas y los edulcorantes artificiales. Los estudios de estructura-función de estos receptores han identificado múltiples dominios de unión dentro del complejo del dímero, lo que explica cómo puede encontrarse una diversidad tan grande.60,61 Por ejemplo, el dominio Venus flytrap del T1R2 es necesario para la unión del aspartamo y el neotamo, el dominio transmembrana del T1R3 es necesario para el ciclamato,62,63 y la región rica en cisteína del T1R3 es necesaria para responder a la proteína dulce brazzeína.64 El lactisole, un antagonista del dulce, se une a un bolsillo dentro del dominio transmembrana del T1R3 humano;65 curiosamente, el cambio de dos aminoácidos en el dominio transmembrana 5 del receptor de rata explica su insensibilidad a este antagonista.66 Hasta la fecha, los cuatro dominios del dímero T1R2/T1R3 -los dos dominios N-terminales y los dos dominios transmembrana- han sido implicados en la unión de ligandos, cada uno con afinidades distintas a sus correspondientes ligandos.

Muchas de las mismas estrategias experimentales que confirmaron a T1R2/T1R3 como el receptor del dulce han confirmado igualmente a T1R1/T1R3 como el receptor del umami. Cuando se expresa heterológicamente, el dímero humano T1R1/T1R3 responde selectivamente al l-glutamato,51 mientras que el dímero de ratón es más promiscuo entre sus ligandos, respondiendo prácticamente a todos los enantiómeros l- (pero no d-) de los 20 aminoácidos estándar.48,67 Los estudios de knockout documentan aún más que el dímero T1R1/T1R3 es el receptor umami. El knockout de T1R1 o T1R3 eliminó las respuestas conductuales y electrofisiológicas al glutamato.55 Además, un rasgo característico del sabor umami es su potenciación por ribonucleótidos como la inosina 5′-monofosfato (IMP) y la guanosina-5′-monofosfato (GMP). Esta potenciación se observa de forma similar en la expresión heteróloga y está ausente en los ratones knockout T1R1 o T1R3. A diferencia del receptor del sabor dulce, los dominios funcionales del receptor umami están menos explorados. Utilizando receptores quiméricos, mutagénesis dirigida al sitio y modelado molecular, se ha propuesto un modelo de unión cooperativa del ligando en el que el glutamato se une al dominio Venus flytrap de T1R1 (cerca de la región de bisagra) y el IMP se une a un sitio adyacente estabilizando el cambio conformacional.68

Se sigue debatiendo si el dímero T1R1/T1R3 es el único receptor de glutamato funcional en los TRCs.50,69 Antes del descubrimiento de la familia T1R, se informó de que una forma truncada única del receptor mGluR4 expresada en las TRC era el receptor umami.70 Sin embargo, se ha señalado que a este receptor le falta una gran parte del dominio Venus flytrap, que es esencial para la unión del glutamato, y carece de sinergia para el glutamato y los ribonucleótidos.50 Estas características hacen que sea menos probable que sea un receptor candidato para el umami. No obstante, la dificultad de disociar las respuestas de sodio y glutamato del GMS, las respuestas residuales al umami en algunos ratones knockout T1R3,56 y la reducción de las respuestas de glutamato a los antagonistas del mGluR71 dejan abierta la cuestión de los receptores múltiples del umami.