26.3.1.1 De T1R-receptoren: Transductie van zoete en Umami smaakkwaliteiten

De eerste metabotrope receptoren geïdentificeerd in smaak waren twee leden van de T1R familie, T1R1 en T1R2 (oorspronkelijk genaamd TR1 en TR2),41 en ze werden ontdekt door subtractieve en differentiële single-cell screening technieken. Deze receptoren vertonen ongeveer 40% homologie ten opzichte van elkaar en zijn ver verwant aan andere GPCR’s zoals de calcium-sensor receptor, de V2R feromoonreceptor, en de metabotrope glutamaatreceptoren. Alle zijn lid van de GPCR klasse C familie en delen het onderscheidende kenmerk van een lang N-terminaal extracellulair domein bekend als het Venus flytrap domein. In situ hybridisatie-experimenten stelden vast dat deze receptoren tot expressie komen in 20-30% van de TRC’s in de voorste en achterste smaakknoppen. Verder zijn ze aanwezig in bijna alle gewervelde dieren, maar niet in ongewervelde.39

In eerste instantie waren liganden voor deze receptoren onbekend, hoewel op basis van hun expressie in de voorste tong, zoete transductie werd gesuggereerd. Velen speculeerden dat de genen van deze receptoren zich op de sac locus zouden bevinden, een gebied op het distale chromosoom 4 dat eerder door genetische studies was geïdentificeerd als betrokken bij de zoete smaak van muizen. Fuller,42 die muizenstammen bestudeerde die verschillen in hun bereidheid om zoete oplossingen te consumeren, stelde vast dat de meeste verschillen in voorkeur voor sacharine bij proevende en niet-smakende stammen (C57BL/6J en DBA/2J, respectievelijk) afhingen van één enkele locus, sac genaamd. De dominante vorm van het allel is gecorreleerd met de meer acute voorkeur. Latere studies veralgemeenden deze bevinding naar andere zoete moleculen zoals acesulfaam, dulcine en sucrose,43,44 en merkten op dat vermoedelijke polymorfismen in de genen de perifere zenuwactiviteit beïnvloedden.45 Met behulp van genetische kartering met hoge resolutie werd de T1R1 echter proximaal van de sac locus in kaart gebracht.46

De identiteit van sac en zijn relatie tot de T1R familie van receptoren werd duidelijk toen het derde familielid, T1R3, werd ontdekt.47-49 T1R3 komt tot expressie in zowel anterieure als posterieure velden in TRC’s waarvan de morfologie consistent is met type II cellen. Het komt tot expressie in combinatie met T1R1 of T1R2, hoewel een fractie van de T1R3-exponderende TRC’s geen van beide tot expressie brengt.50 T1R3-cellen komen tot expressie in combinatie met andere elementen van de zoete transductiecascade, waaronder α-gustducine en PLCβ2. Experimenten met heterologe expressiesystemen toonden aan dat T1R3 coexpressie van T1R2 nodig heeft om volledig te reageren op een grote verscheidenheid van zoete stoffen zoals enkelvoudige suikers, kunstmatige zoetstoffen, d-aminozuren en zoete eiwitten.48,51 Het humane T1R2/T1R3 dimeer reageerde op ongeveer twintig verbindingen waarvan bekend is dat ze bij fysiologische concentraties zoet zijn en werd geremd door lactisole, een humane antagonist van de zoete smaak.51 Door een combinatie van physical mapping en genome database mining, identificeerden verschillende groepen een T1R3 als sac in knaagdier- en humane genomen.47-49,51-54

Validatie van T1R2/T1R3 als de belangrijkste zoogdierreceptor voor zoete smaak werd verkregen uit studies met behulp van knock-out muizen voor T1R1, T1R2, of T1R3 genen, evenals een dubbele knock-out muis voor T1R2 en T1R3 genen. Deze muizen werden getest met behulp van korte gedragstests en elektrofysiologische opnamen van de chorda tympani en glossopharyngeale zenuwen.55,56 T1R2-nul muizen vertoonden verlies van voorkeur en neurale reacties voor kunstmatige zoetstoffen en sterk verminderde reacties voor natuurlijke suikers. T1R3-nul muizen verloren gedragsmatige en elektrofysiologische reacties voor zowel umami stimuli als kunstmatige zoetstoffen en hadden sterk verminderde reacties voor suikers. Alleen het dubbele knock-out dier verloor volledig de overblijvende reacties op natuurlijke suikers, wat suggereert dat T1R2 of T1R3 als een monomeer of een homodimer kunnen werken. In feite reageerden HEK-293 cellen die alleen muis T1R3 tot expressie brengen op hoge suikers;50 interessant genoeg werden deze reacties niet waargenomen bij humaan T1R3. Deze knock-out studies toonden ondubbelzinnig de essentiële rol aan van de T1R eiwitten T1R2 en T1R3 in de detectie en perceptie van zoet. Evenzo, in een fascinerende natuurlijke knock-out, verwierf de Felidae familie vroeg in de evolutie een loss-of-function mutatie in het T1R2 gen en heeft daardoor de zoete smaak verloren, wat de onverschilligheid van katten voor suiker verklaart.57

Hoe zou zo weinig zoetreceptoren het grote aantal soorten en individuele verschillen in zoete smaakperceptie kunnen verklaren? Deze verschillen kunnen worden verklaard door verschillen in gensequenties tussen soorten en door polymorfismen binnen een soort. Bij heterologe expressie reageerden alleen menselijke T1R2/T1R3 op aspartaam en cyclamaat, terwijl receptoren van de rat, die onverschillig staat tegenover deze verbindingen, dat niet deden.51 Nog opmerkelijker is dat de T1R2-nulmuis, die het menselijke T1R2-transgen tot expressie brengt, reacties vertoonde op verschillende moleculen die door mensen als zoet worden herkend, terwijl muizen daar onverschillig tegenover staan.55 Binnen een soort zijn er meerdere polymorfismen van verschillende muizenstammen die duidelijk de smaak- en niet-smaakstatus van deze dieren samenbrengen.54,58 Deze polymorfismen werken niet door genexpressie of eiwitvertaling te blokkeren, maar zouden eerder interfereren met het vermogen om dimeren te vormen of zoetstoffen te binden. Bij de mens helpen polymorfismen geassocieerd met de T1R3 promotor om de bekende verschillen in smaakgevoeligheid voor sucrose te verklaren.59

Een andere paradox die naar voren komt uit de ontdekking van zoetreceptoren is hoe zo weinig receptoren zo’n diverse reeks stimuli kunnen herkennen als koolhydraten, aminozuren, eiwitten, en kunstmatige zoetstoffen. Structuur-functie studies van deze receptoren hebben meerdere bindingsdomeinen binnen het dimeercomplex geïdentificeerd, wat verklaart hoe aan zo’n grote diversiteit kan worden voldaan.60,61 Zo is het Venus flytrap domein van T1R2 nodig voor binding aan aspartaam en neotaam, het T1R3 transmembraandomein is nodig voor cyclamaat,62,63 en de cysteïnerijke regio van T1R3 is nodig voor respons op het zoete eiwit brazzeïne.64 Lactisole, een zoet-antagonist, bindt aan een pocket binnen het transmembraandomein van humaan T1R3;65 interessant genoeg verklaart de verandering van twee aminozuren in het transmembraan 5-domein van de ratreceptor de ongevoeligheid voor deze antagonist.66 Tot op heden zijn alle vier de domeinen van het T1R2/T1R3 dimeer – de twee N-terminale domeinen en de twee transmembrane domeinen – betrokken bij de binding van liganden, elk met verschillende affiniteiten voor de corresponderende liganden.

Veel van dezelfde experimentele strategieën die T1R2/T1R3 als de zoet-receptor bevestigden, hebben op vergelijkbare wijze T1R1/T1R3 als de umami receptor bevestigd. Wanneer heteroloog tot expressie gebracht, reageert het menselijke T1R1/T1R3 dimeer selectief op l-glutamaat,51 terwijl het muizendimeer meer promiscue is tussen zijn liganden, reagerend op vrijwel alle l- (maar niet d-) enantiomeren van de 20 standaard aminozuren.48,67 Knockout studies tonen verder aan dat het T1R1/T1R3 dimeer de umamireceptor is. Knockout van T1R1 of T1R3 elimineerde gedrags- en elektrofysio-logische smaakreacties op glutamaat.55 Bovendien is een karakteristiek kenmerk van umami-smaak de versterking door ribonucleotiden zoals inosine 5′-monofosfaat (IMP) en guanosine-5′-monofosfaat (GMP). Deze potentiëring wordt eveneens waargenomen in heterologe expressie en is afwezig in T1R1 of T1R3 knock-out muizen. In tegenstelling tot de zoete smaakreceptor zijn de functionele domeinen van de umami receptor minder onderzocht. Met behulp van chimere receptoren, gerichte mutagenese, en moleculaire modellering, is een coöperatief ligand bindingsmodel voorgesteld waarbij glutamaat bindt aan het Venus flytrap domein van T1R1 (dicht bij het scharniergebied) en IMP bindt aan een aangrenzende plaats die de conformatieverandering stabiliseert.68

Er is nog steeds discussie over de vraag of het T1R1/T1R3 dimeer de enige functionele glutamaat receptor is in TRCs.50,69 Voorafgaand aan de ontdekking van de T1R familie, werd een unieke afgeknotte vorm van de mGluR4 receptor, tot expressie gebracht in TRCs, gerapporteerd als de umami receptor.70 Er is echter op gewezen dat deze receptor een groot deel van het Venus flytrap domein mist, dat essentieel is voor glutamaat binding, en geen synergie heeft voor glutamaat en ribonucleotiden.50 Deze eigenschappen maken het minder waarschijnlijk een kandidaat receptor voor umami. Niettemin, de moeilijkheid om de natrium en glutamaat reacties van MSG te scheiden, de overblijvende umami reacties in sommige T1R3 knockout muizen,56 en de vermindering van glutamaat reacties op mGluR antagonisten71 laten de vraag open of er meerdere umami receptoren zijn.