ГЕНЕТИКА ВКУСОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ (Медико-генетический научный центр РАМН Россия, 115478, Москва, ул. Москворечье, д. 1. E-mail: mglinetz@mail.ru )  | |
|
Вкусовые ощущения воспринимаются вкусовыми почками, состоящими приблизительно 50-100 веретеновидных клеток, которые трансдуцируют вкусовые стимулы в электрохимические сигналы. Клетки почки представлены гетерогенной популяцией, большинство из них отвечают на один определенный вкусовой сигнал посредством специфических рецепторов. Рецепторы или ионные каналы вкусовых клеток избирательно связывают молекулы, растворенные в слюне, переходят в активное состояние и высвобождают нейротрансмиттеры, молекулы, стимулирующие вкусовой нерв, и по нервным волокнам в мозг передаются электрические импульсы, несущие информацию об качестве и интенсивности вкусового сигнала. GENETICS OF TASTE RECEPTORS
VA Mglinets Medical Genetics Research Center Russia, 115478, Moscow, ul. Moskvorechye, 1. E-mail: mglinetz@med-gen.ru Taste perceived taste buds with about 50-100 spindle-shaped cells that transduce taste stimuli into electrochemical signals. Сells of taste buds are a heterogeneous population, the majority of them are responsible for one particular flavor signal via specific receptors. Receptors or ion channels in taste cells selectively bind molecules dissolved in saliva, go to the active state, and release of neurotransmitters, the molecules that stimulate the gustatory nerve, and the nerve fibers in the brain transmits electrical impulses that carry information about the quality and the intensity of the taste signal. |
Язык человека содержит более 5000 вкусовых сосочков разной формы. Грибовидные сосочки занимают в основном две передние трети языка и рассеяны по всей поверхности, желобовидные (окруженные валиком) сосочки расположены у корня языка, - они большие, их легко увидеть, листовидные сосочки - расположены на боковой части языка. Каждый из сосочков содержит вкусовые почки. Существующие нитевидные сосочки языка являются механическими, а не вкусовыми. Значительное количество вкусовых сосочков расположено на нёбе, ротовой части глотки, гортани, надгортаннике и верхней части пищевода, но в основном они, конечно, сосредоточены на языке [79]. Вкусовые почки имеют свой специфический набор вкусовых рецепторов. Хотя выдвинутая концепция "карты языка" не была подтверждена [68], всё же существуют определенные региональные различия в чувствительности. Так, на кончике языка больше рецепторов к сладкому, края языка лучше ощущают кислое и соленое, а его основание - горькое. Экспрессия мРНК BDNF (brain-derived neurotrophic factor) в клетках предшественниках вкусовых почек может быть самым ранним маркером (6.5-7 недель беременности у человека) и предшествует иннервации и экспрессии цитокератина, СК20, характерного для вкусовых почек (8 недель беременности). Как и у грызунов у человека BDNF может быть связан со вкусовой иннервацией, а NT-3 (neurotrophin) с соматосенсорной иннервацией языка. Однако их совместная экспрессия во многих областях языка развивающегося и взрослого человека указывает на перекрывание их роли. Они могут действовать совместно и поддерживать как вкусовую, так и соматосенсорную иннервацию [89].
В общей сложности во рту примерно 10 000 вкусовых почек, сигналы от которых передаются в головной мозг посредством веточек трех краниальных нервов, VII, IX и X. Одна веточка от VII нерва, chorda tympani, посылает волокна в переднюю часть языка, включая грибовидные сосочки и возможно в передние листовидные сосочки. Другая ветвь нерва VII, greater petrosal, посылает волокна к вкусовым рецепторам на мягком нёбе. Аксоны языкоглоточного (IX) нерва иннервируют окруженные валиком и листовидные сосочки и возможно вкусовые почки на глотке. Аксоны блуждающего (X) нерва иннервируют вкусовые почки надгортанника, гортани и верхней части пищевода. Эти ганглионарные первого порядка нейроны заканчиваются в ростральной части ядра solitary тракта в продолговатом мозге. Проекции высшего порядка включают парабрахиальное ядро, таламическую вкусовую область, insular-opecular (первичную) вкусовую часть коры, каудолатеральную орбитофронтальную (вторичную) кортикальную вкусовую область, мозжечковую миндалину (amygdala), гипоталямус и базальные ганглии. Такая широкая представленность вкусовой информации в головном мозге, по-видимому, служит для её интеграции с интроцептивными (голод, сытость, аппетит) и экстрацептивными (зрение, обоняние, текстура) сигналами.
 Схематическое изображение вкусовой почки со вкусовыми клетками, воспринимающими разные вкусы (слева) и вкусовые рецепторы для вкуса умами, сладкого и горького и рецепторные каналы для кислого и солёного (справа). Человеку и приматам вкус сладкого (сахаров, приносящих организму энергию) приятен - а горький вкус вредных веществ (алкалоиды, танин) противен. Распознавание соленого вкуса - физиологическая необходимость. Ионы натрия принципиально важны для жизнедеятельности клеток и не могут быть заменены никакими другими, а теряются они постоянно. Вкус кислого вероятно эволюционировал как индикатор спелости - созрел ли фрукт и можно ли его есть. Кроме того, кислотность - показатель ферментации, то есть процесса, который обеспечивает первичную переработку пищи в природе и увеличивает ее питательные свойства.
Вкус умами (от японского слова "умай" - вкусный, приятный) может служить интегральным показателем содержания белков в пище. У человека этот вкус прежде всего ассоциируется с присутствием глутаматов, то есть солей глутаминовой кислоты - одной из самых распространенных в природе аминокислот. Ее много в продуктах с высоким содержанием белков. Вкус умами существенно усиливается в присутствии некоторых других веществ. Вкусовые почки (луковицы) У мыши язык формируется из билатеральных парных языковых выростов, сливающихся по средней линии на эмбриональный день Е11.0-11.25. На стадии E12.5, серии фокальных эпителиальных утолщений или плакод, формируются в два билатеральных ряда, предваряющих локализацию грибовидных сосочков взрослых [121,122]. Плакодные клетки экспрессируют как мРНК, так и белок SHH (Sonic Hedgehog) и PTCH1(patched homolog 1). Ранее предполагалось, что эмбриональные Shh-экспрессирующие вкусовые предшественники должны персистировать у взрослых мышей в качестве стволовых клеток вкусовых почек. Однако это оказалось не так. По-видимому, клетки вкусовых почек, происходящие из Shh-экспрессирующих плакод, постепенно теряются в постнатальный период и полностью отсутствуют уже спустя 4 месяца после рождения. Было предположено, что Shh-экспрессирующие плакодные клетки функционируют в качестве сигнальных центров и под их влиянием возникают вкусовые почки из локального эпителия языка. По крайней мере, некоторые клетки предшественники являются общими для вкусовых почек и окружающего многослойного несенсорного эпителия [91]. Следовательно, клетки предшественники вкусовых почек рекрутируются извне сигнальных центров у взрослых мышей, перенимая необходимую функцию и непрерывно пополняя клетками зрелые вкусовые почки [116]. Идентификация множественных членов семейств SOX и HOX генов (HOXA3, A10, B2, B3 и SOX1, 2, 4, 5, 21) указывает на то, что обновление вкусовых почек использует пути, активные при закладке вкусовых почек. Вкусовые клетки постоянно погибают и замещаются каждые 10 дней. Предполагается, что для устранения старых вкусовых клеток используются факторы р53, Вах и каспаза-2.
Каждая вкусовая почка содержит базальные клетки и 50-100 вкусовых клеток. Собственно сама почка не достигает поверхности слизистой языка - в полость рта открыта только вкусовая пора. Растворенные в слюне вещества попадают через пору в наполненное жидкостью пространство над вкусовой почкой, и там они соприкасаются с ресничками кончиков вкусовых клеток [16]. Вкусовые клетки представляют собой вытянутые поляризованные нейроэпителиальные клетки, имеющими похожие на шпильку кончик, проецирующийся в просвет вкусовой почки (луковицы). Апикальные кончики вкусовых клеток соединены с помощью плотных соединений в комплексы. В них обнаруживаются типичные компоненты плотных соединений, такие как claudins и ZO-1 [78]. Это затрудняет проникновение воды и некоторых растворов и всё же некоторые ионы и неполярные соединения просачиваются посредством ионных каналов [96]. Вкусовые клетки обеспечивают распознавание, усиление и преобразование вкусовых сигналов, отслеживают постоянно флюктуации тонических и осмотических свойств слюны и присутствие потенциально вредных соединений. Несколько генов хемокинов класса СХС, включая CXCL14 и CXCL8, экспрессируются на высоком уровне во вкусовых почках. CXCL14 , по-видимому, секретируется через апикальную мембрану клеток вкусовой почки, чтобы стать компонентом слюны. Он может привлекать иммунные клетки слюны к вкусовой поре. С помощью морфометрического анализа (т.е. определения электронной плотности цитоплазмы, формы ядра, длины и толщины микроворсинок и присутствия специализированных химических синапсов) было продемонстрировано, что клетки вкусовых почек представлены разными типами [83, 94, 134]. Вкусовые почки содержат клетки, обозначенные тип I, II и III, и базальные, неполяризованные преимущественно недифференцированные клетки, иногда обозначаемые как тип IV (Рис). В генерации разных типов вкусовых клеток участвуют многочисленные генетические факторы (SHH, PTCH1, DISP1(dispatched homolog 1), BDNF, BMPR1B, NOTCH4, FZD1, 3 и 4, NDP, WNT5A, WNT5B, WNT11) [42]. Так, KIT (tyrosine kinase receptor) может модулировать дифференцировку и развитие клеток, воспринимающих вкус умами (тип II), а ген IKBKAP развитие клеток типа III.
Вкусовые клетки типа I. Наиболее многочисленные клетки во вкусовых почках (~50%), действуют как поддерживающие клетки. Они характеризуются удлиненными цитоплазматическими ламеллами, которые охватывают другие клетки. Эти клетки экспрессируют GLAST, транспортер глютамата, указывая тем самым, что они участвуют в поглощении глютамата [62]. Они также экспрессируют NTPDase2, связанную с плазматической мембраной, нуклеотидазу, которая гидролизует внеклеточный АТФ [5]. АТФ служит в качестве нейротрансмиттера во вкусовых почках [33], глютамат также является кандидатом на роль нейротрансмиттера. Таким образом, типа I клетки, по-видимому, участвуют в завершении синаптической передачи и в ограничении распространения трансмиттеров, роль, которая в ЦНС обычно выполняется глиальными клетками. Типа I клетки также экспрессируют ROMK, калиевый канал [29]. Эти клетки могут участвовать в удалении ионов K+, которые могут накапливаться в ограниченных интерстициальных пространствах вкусовых почек и приводить к снижению возбудимости клеток типа II и III. Некоторые клетки типа I, обладают электрофизиологическими свойствами, такими как отсутствие возбудимости и проводимости высокого уровня покоящихся ионов K+, свойств также характерных для глии [7]. Наконец, типа I клетки могут обнаруживать токи ионов, участвующие в трансдукции соленого [127].
Клетки типа II (рецепторные). Эти клетки характеризуются специфическим маркером -gustducin (G , субъединицей, участвующей в трансдукции вкусового стимула). В плазматическую мембрану клеток типа II внедрены рецепторы сладких, горьких и умами соединений [16, 22]. Эти вкусовые рецепторы GPCR (G-protein-coupled receptor) являются с G белком соединенными рецепторами с 7 трансмембранными доменами [9, 113]. Кроме того, типа II клетки экспрессируют напряжением управляемые Na и K каналы, важные для вызывания потенциала действия, и субъединицы полуканалов для вызываемой вкусовым возбуждением секреции АТФ. Любая данная клетка экспрессирует вкусовые рецепторы, специфичные только для одного вкусового качества, например, горького или сладкого, но не обоих [86]. Итак, типа II клетки "настроены" на сладкий, горький или умами вкус [124]. Эти клетки, по-видимому, не стимулируются стимулами кислого и соленого. Они экспрессируют NeuroD (neurogenic differentiation factor), обладающий дифференцирующим влиянием на нейроны [118]. Удивительно, но рецепторные клетки не образуют ультраструктурно определяемых синапсов. Вместо этого вкусовые центростремительные нервные волокна тесно примыкают к этим клеткам [17, 83, 132, 134]. Сигналы нервным волокнам передаются возможно при участии, экспрессируемых вкусовыми почками молекул POMC (proopiomelanocortin), growth hormone releasing hormone (GHRH) и его рецептора, PTHLH (parathyroid hormone-like hormone) и OXT (oxytocin) и INSR (receptors for insulin), GHR (growth hormone) и SCTR (secretin).Так, POMC это предшественник меланокортина, лиганда для рецептора MC4, который играет роль в возникновении аппетита.
Клетки типа III (пресинаптические). Эти клетки экспрессируют белки, ассоциированные с синапсами, и образуют синаптические соединения с нервными окончаниями [83,132,134]. Они экспрессируют ряд характерных для нейронов субстанций, включая NCAM (Neural Cell Adhesion Molecule), и другие молекулы клеточной адгезии, энзимы для синтеза, по крайней мере, двух нейротрансмиттеров и управляемые напряжением Ca каналы, обычно связанные с высвобождением нейротрансмиттера [22, 29]. Эти клетки, обнаруживающие зависимые от деполяризации клетки преходящие ионы Ca2+ типичных синапсов, поэтому обозначены как "пресинаптические" клетки [22]. Подобно рецепторным клеткам они также возбудимы и экспрессируют комплект управляемых напряжением Na и K каналов для поддержания потенциала действия [35, 77, 128]. В них экспрессируется ген IKBKAP (inhibitor of kappa light polypeptide gene enhancer in B-cells, kinase complex-associated protein. Пресинаптические клетки также отвечают непосредственно на стимулы кислого вкуса и насыщенные углекислотой растворы [13,47, 124]. Ключевым свойством пресинаптических клеток является то, что они получают также вкусовые сигналы извне и интегрируют сигналы, генерируемые рецепторными клетками [124]. Пресинаптические клетки не являются гомогенной популяцией [98,124].
Установлено, что ген Mash1 играет важную роль в регуляции экспрессии AADC (aromatic l-amino acid decarboxylase) в клетках типа III вкусовых почек, важной для экспрессии густадуцина, это подтверждает предположение, что разные типы клеток вкусовых почек имеют клетки предшественники, специфичные для каждого типа клеток [109].
Базальные клетки. Эти клетки имеют сферическую или яйцевидную форму, которые не посылают отростков ко вкусовой поре и, скорее всего, не дифференцированы или являются незрелыми вкусовыми клетками. Показано, что K14+ положительные базальные клетки вкусовых почек являются мультипотентными. Эти клетки являются, скорее всего, популяцией преходящих клеток предшественников вкусовых почек, которые впервые появились в эмбриональных Shh-экспрессирующих вкусовых плакодах [84]. Shh-экспрессирующие базальные клетки не являются стволовыми клетками вкусовых почек, т.к. они подобно остальным вкусовым клеткам являются постмитотическими [81]. Shh-экспрессирующие базальные клетки могут представлять собой раннюю фазу дифференцировки незрелых вкусовых клеток.
Во вкусовой системе ген Sox2 необходим для развития эмбриональных вкусовых почек [90] и экспрессируется также во вкусовых почках взрослых [119]. Этот транскрипционный фактор обладает рядом функций в обновлении вкусовых клеток. Базальные клетки дифференцируются в новые вкусовые клетки, которые постоянно обновляются каждые 10 дней. Набор этих дополнительных клеток предшественников, экспрессирующих Shh (Sonic Hedgehog), как полагают, продолжается в базальной области вкусовых почек в течение всей жизни. Помимо Shh, путь Notch (N) участвует в обновлении вкусовых клеток, исходя из паттернов экспрессии N receptors 1, 2 и 4, некоторых трансмембранных N лигандов, включая Delta-like 1 (Dll-1) и Jagged 1 и 2, и известных транскрипционных факторов этой сигнальной системы, т.e., Mash1, Hes6 и Hes1 [92,108, Ota et al., 2009).
Перигемальные клетки. Во вкусовых сосочках митотически активны большие количества перигемальных (соседствующих собственно со вкусовыми почками) клеток, составляющих пролиферативную зону почек [41,81]. Эти клетки, скорее всего, составляют пролиферативный пул, в котором, по-видимому, присутствуют стволовые клетки. Эти клетки делятся нечасто и асимметрично, давая преходящие умножающиеся дочерние клетки, которые, в свою очередь, делятся симметрично и проникают во вкусовые почки, как постмитотические незрелые вкусовые клетки, давая базальные клетки. Это подтверждается тем, что BrdU пульсовое мечение Shh-экспрессирующих внутригемальных базальных клеток достигает пика приблизительно 24 ч спустя после их последнего перигемального деления [81]. Перигемальные клетки вкусовых почек, но не сами вкусовые клетки, экспрессируют цитокератины 5 и 14 (K5 и K14) [91], которые также экспрессируются популяцией регенеративных клеток кожи, базальными кератиноцитами общего эпидермиса. Shh действует, по-видимому, как позитивный регулятор пролиферации клеток во вкусовом эпителии, поскольку Ptch1-экспрессирующие чувствительные к Shh клетки располагаются в перигемальной пролиферативной зоне, окружающей каждую почку.
Вкусовые почки иннервируются сенсорными нейронами, чьи тела расположены в кластерах, гнездящихся в головном мозге (geniculate, petrosal и nodose краниальные ганглии). У взрослых каждая вкусовая почка иннервируется 3-14 сенсорными ганглиолярными нейронами в зависимости от вида (мыши, крысы, хомячки) и области рта (язык, нёбо). Ген ASCL1(Achaete-scute complex-like 1) или MASH1 экспрессируются на высоком уровне во вкусовых почках, а отвечают за дифференцировку определенных типов нервных клеток, в том числе и сенсорных нейронов. Вкусовые нервные волокна вступают в богатые сплетения из других нервных волокон под вкусовым эпителием. Пока неясно какие из эти волокон несут вкусовую информацию в отличие от болевых, тактильных и термальных сигналов. Вкусовые аксоны ветвятся и проникают через базальный листок, чтобы вступить во вкусовую почку. Несколько нейрон-специфичных адгезивных молекул, включая NRCAM (neuronal cell adhesion molecule), L1CAM (L1 cell adhesion molecule) и ITGA3 (integrin, alpha 3) экспрессируются во вкусовых почках. Возможно они участвуют в модуляции межклеточных взаимодействий нервных окончаний с разными типами вкусовых клеток. Хотя некоторые волокна заканчиваются в синаптических структурах клеток типа III, другие проникают глубоко между вкусовыми клетками, не образуя специализированных синапсов [30, 82]. Вкусовые рецепторы для основных стимулов Передача вкусовых стимулов (сладкого, горького и умами) в рецепторных (типа II) клетках.
Как указывалось выше, сладкие, умами и горькие вещества активируют разные сопряженные с G-белками вкусовые рецепторы GPCRs (G protein-coopled receptors), которые экспрессируются в разных наборах рецепторных клеток. Например, рецепторные клетки, экспрессирующие вкусовые рецепторы T2R семейства GPCRs необходимы для ощущения горьких соединений [12]. Современные геномные базы данных содержат список из 43 TAS2R генов человека, определяющих горький вкус, (38 интактных генов и 5 псевдогенов; на хромосомах 5, 7 и 12 и 40 мышиных Tas2r генов (35 интактных генов и 5 псевдогенов) на хромосомах 2, 6 и 15. Гены для T2R не содержат интронов и кодируют GPCR белки в ~300-330 аминокислот с коротким N-терминальным внеклеточным доменом. Основным местом экспрессии генов T2R у млекопитающих являются вкусовые клетки из желобовидных, листообразных, нёбных и надгортанных вкусовых почек и в меньшей степени из грибовидных вкусовых почек. Некоторые рецепторы настроены узко на 2-4 горьких соединения, тогда как другие без разбора активируются с помощью многочисленных лигандов . Так, нокаут у мышей гена Tas2r105 ведет избирательным нарушениям нервной и поведенческой реакций на циклогексемид, но не на другие горечи или не горькие вкусовые стимулы. Ген TAS2R38 является геном чувствительности к горькому вкусу фенилтиокарбамида (ФТК) на хромосоме 7q человека. Ген TAS2R38 обнаруживает полиморфизм из трёх широко распространенных missense форм - одиночных нуклеотидов (P49A, A262V, V296I), отвечающих за разный уровень восприятия горечи. Один аллель AVI нечувствителен к ФТК. Реакции клеток на горечи ФТК и PROP (6-n-propyl-2-thiouracil), гетерологически экспрессирующих разные аллели TAS2R38, коррелируют с психофизическими реакциями индивидов, несущих эти аллели [4].
Естественно возникшие аллели гена TAS2R16 людей обладают разной чувствительностью к некоторым beta-глюкопиранозидам in vitro. Мыши с человеческим TAS2R16 трансгеном, экспрессируемым клетками, воспринимающими сладкое, под контролем мышиного Tas1r2 промотора, предпочитают горечь фенил-бета-D-глюкопиранозид. Во вкусовых луковицах человека разные чувствительные к горькому вкусовые клетки экспрессируют частично перекрывающиеся субнаборы из 4-11 рецепторов T2Rs [6]. Это составляет молекулярную основу для различения разных горьких соединений [11]. Подобный характер экспрессии T2R вместе с полиморфизмом в семействе генов позволяет человеку и животным ощущать громадное количество потенциально токсических горьких соединений, присутствующих в природе [27].
У мыши известны три гена Tas1r для рецепторов T1R1, T1R2 и T1R3 локализованы в дистальной части хромосомы 4 в последовательности Tas1r2-Tas1r1-Tas1r3. Их ортологи у человека располагаются в области законсервированной синтении в коротком плече хромосомы 1 человека в том же порядке. Мышиные Tas1r гены содержат 6 кодирующих экзонов и транслируются в белки из 842-858-аминокислот. Белки T1R имеют предсказуемую вторичную структуру, которая включает 7 трансмембранных спиралей, формирующих heptahelical домен и крупный внеклеточный N-конец, состоящий из Venus flytrap (Vft) модуля и домена, богатого цистеином. Получены доказательства альтернативного сплайсинга T1R1, T1R2 и T1R3 генов. У мышей и крыс существуют три основных паттерна ко-экспрессии T1R генов во вкусовых клетках: первый, это ко-экспрессия T1R1 и T1R3 (в грибоподобных и нёбных вкусовых почках), второй паттерн это ко-экспрессия T1R2 и T1R3 (в желобовидных, листовидных и нёбных вкусовых почках) и третий паттерн это экспрессия только T1R3 (в грибовидных и небных вкусовых почках). Подтверждено существование T1R1 + T1R2 гетеродимеров и гомодимеров и коэкспрессия T1R1 и T2R генов у мышей. Установлено, что грибовидные вкусовые почки человека экспрессируют все три T1R гена, а некоторые ко-экспрессируют T1R2 и T1R3.
Рецепторные клетки, экспрессирующие гетеродимер T1R2+T1R3 отвечают на сахара, синтетические сладости и белки со сладким вкусом, такие монелин и браззеин [52,86,131]. Внеклеточный N-терминальный домен T1R2 участвует в распознавании аспартама, неотама, D-триптофана и сахарозы. Трансмембранный домен T1R2 является необходимым для связывания G-белка рецептором T1R2+T1R3. Чувствительность гетеродимерного T1R2+T1R3 рецептора к цикломату и неогесперидин дигидрохалкону и его чувствительность к ингибитору сладкого вкуса лактизолу зависит от присутствия у человека компонента T1R3, особенно его трансмембранного домена. Богатая цистеином область T1R3 участвует в распознавании сладких белков браззеина и монеллина. N-терминальные домены мышиных T1R2 и T1R3 рецепторов связывают глюкозу, сахарозу и сакралозу с разным сродством за счет конформационных изменений. Tas1r2 нокаутные мыши дефицитны по вкусовым реакциям на сахара, а Taslr3 нокаутные мыши дефицитны по вкусовой реакции на все стимулы сладкого. Возможно, что нулевой аллель Tas1r3 предупреждает образование гетеромерных рецепторов с T1R1 и T1R2, тем самым затрагиваются реакции на все лиганды этих рецепторов. Однако сохранение чувствительности к некоторым сахарам у мышей, лишенных T1R3, указывает на то, что могут существовать дополнительные рецепторы сладкого [20]. Передача сигналов glucagon-like peptide-1 (GLP-1) модулирует чувствительность к сладкому у мышей. Желобовидные сосочки экспрессируют как GLP-1, так и рецептор, что указывает на локальную регуляцию.
Нокаутные по гену рецептора Tas1r1, мыши дефицитны по вкусовым реакциям на L-аминокислотные и умами стимулы. Гетерологически экспрессируемые T1R1+T1R3 действуют как широко настроенные L-аминокислотный рецептор у мышей и как более узко настроенный умами рецептор у людей. Эти гетеродимерные рецепторы С-GPCR, T1R1+T1R3, характеризуют третий класс рецепторных клеток, отвечающих на умами стимулы, особенно на комбинацию L-глютамата и нуклеотидов гуанозин/инозин монофосфат (GMP/IMP), соединений, которые накапливаются в пище после гидролиза белков, и нуклеозид трифосфатов (NTPs) [64, 88]. Считается, что IMP связывает глютамат, удерживая этот связанный лиганд в закрытой конформации в домене VFT ('Venus flytrap'). Сохранение физиологической реакции и поведенческого предпочтения к веществам со вкусом умами у мышей после нокаута гена рецептора, показывает, что дополнительные вкусовые рецепторы могут вносить существенный вклад в ощущение вкуса умами [20,73, 133]. Кандидатами на роль дополнительных рецепторов могут быть специфические варианты или другие изоформы с G белком (густадуцином) ассоциированные рецепторы глютамата во вкусовых почках [64,88,105]. Показано, например, [60], что рецептор глютамата mGluR4 (metabotropic glutamatr receptor) тоже опосредует ощущение умами. Глютамат-мононатрий, добавляемый ко многим пищевым продуктам для улучшения их вкусовых качеств (и основной компонент соевого соуса), может стимулировать эти рецепторы умами. Но, помимо этого имеются ионотропные рецепторы глютамата (связанные с ионными каналами), например, NMDA-рецепторы на языке, которые активируется глютамат-мононатрием во вкусовых клетках. Функциональные реакции на различные умами вкусовые стимулы осуществляются в разных наборах клеток внутри вкусовых почек [73], при этом нервные реакции обнаруживают сходные гетерогенные паттерны [136].
Схему вкусового восприятия сладкого, горького, умами рассмотрим на примере восприятии горького вкуса. Следует отметить, что рецепторы GPCR (G-protein-coupled receptor) сладкого, горького и умами (рецептор глютамата) вкуса соединены с гетеротримерным G-белком, называемым густадуцином, который состоит из разных изоформ и субъединиц. Густадуцин активируется, когда связанный с ним ГДФ замещается молекулой ГТФ, при этом он высвобождается из комплекса с GPCR. При этом активируется избирательная к горькому стимулу G субъединица густадуцина и близко родственный -transducin [104]. Активированный -густадуцин стимулирует фермент фосфодиэстеразу, который гидролизует "вторичный мессенджер", цАМФ. Увеличение внутриклеточного цАМФ (или цГМФ) ведет к закрытию апикальных К+ каналов путем активации протеинкиназы, и к деполяризации вкусовой клетки. В то же время высвобождение субъединиц густадуцина, включающих G 13 и G 1 или G 3 [43] активирует необычную изоформу фосфолипазы, PLC 2 [102] для создания другого вторичного мессенджера IP3 (инозитол трифосфат). Выведение из строя PLC 2 сильно уменьшает, но не элиминирует вкусовую чувствительность [25,137]. IP3 открывает IP3R3 ионные каналы эндоплазматического ретикулума, высвобождая Ca2+ в цитозоль рецепторных клеток [101,113]. Повышение внутриклеточного Ca2+, по-видимому, сказывается на избирательном ко вкусу катионном канале, TRPM5 (Transient receptor potential cation channel subfamily M member 5), и полуканале щелевого соединения, обнаруживаемых в рецепторных клетках [45,93]. Открытие TRPM5 вызывает генератор деполяризующего потенциала в рецепторных клетках [70]. Сильная деполяризация и повышенный уровень цитоплазматическго Ca2+, интегрируются с помощью полуканалов щелевых соединений. Результатом подобной конвергенции является то, что трансмиттер вкусовых почек, АТФ и возможно другие молекулы, секретируются через поры полуканалов во внеклеточное пространство, окружающее активированную рецепторную клетку [45,49,100]. Не совсем ясно, формируются ли эти полуканалы субъединицами pannexin (Panx) или connexin (Cx). По сравнению с несколькими субъединицами Cx, экспрессирующимися в рецепторных клетках на умеренных уровнях, субъединицы Panx1 экспрессируется гораздо сильнее [45,100]. Имеющиеся доказательства строго свидетельствуют в пользу высвобождения АТФ полуканаламим Panx1 в рецепторных клетках [21].
При воздействии сладких стимулов GPCR используют иные субъединицы гастадуцина, а вторичные мессенджеры цАМФ высвобождаются за счет активности аденилил циклазы (АС). Например, вкусовые рецепторы, которые содержат T1R3, могут быть сопряжены с G 14 и другими G субъединицами [123]. Передача вкусовых стимулов (кислого и солёного) Пресинаптические (типа III) клетки реагируют на стимулы кислого (кислоты) [124]. Рецепторы кислого - это фактически ионные каналы, активируемые внеклеточными протонами (Н+). Катионные гетеродимерные каналы кислого вкуса, формируются с помощью продуктов генов PKD2L1 и PKD1L3 (Polycystic kidney disease 2-like 1 и 3), расположенных на хромосоме 10q24 и 16q22 человека [44,50,71]. Эти каналы чувствительны ко внеклеточному pH, чем к снижению цитоплазматического pH, что как известно является непосредственным стимулом кислого [47]. Проведение протонов сильных кислот через ионный канал PKD2L1, также известный как TRPP2 (transient receptor potential polycystic 2), достаточно, чтобы инициировать возникновение потенциала действия в ответ на внеклеточное подкисление [15]. Не было найдено при этом доказательств участия в ощущение кислого протонами управляемых Na+ проницаемых каналов, таких как ASIC (acid-sensing ion channels), кодируемых геном ACCN1 (amiloride-sensitive cation channel 1, neuronal (degenerin)), локализованном на хромосоме 17q11 человека или HCN (hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated K+1) каналов, кодируемых геном HNC на хромосоме 5р12. Ионы H+ блокируют K+ каналы, ответственные за поддержание потенциала клеточной мембраны на гипополяризованном уровне. Блокирование этих канальцев вызывает деполяризацию клеток, поступление Ca2+ в цитоплазму, при этом высвобождается нейротрансмиттер и усиливается возбуждение в первичном афферентном нерве. Мыши, лишенные PKD1L3 сохраняют способность узнавать стимулы кислого вкуса [88]. Показано, что PKD1L3 не вносит непосредственного вклада в ток протонов в клетках, экспрессирующих PKD2L1[15].
Считается, что внутриклеточное подкисление или ацидификация вносит вклад в ощущение кислого, поскольку именно слабые кислоты, которые вызывают внутриклеточную ацидификацию, такие как уксусная, лимонная кислота, вызывают более интенсивное ощущение кислого, чем сильные кислоты. Скорее всего, на роль кандидатов рецепторов кислого в клетках типа III являются каналы плазматической мембраны, которые модулируются ацидификацией цитоплазмы, такие как некоторые K каналы [67,97]. Так, некоторые с доменом из двух пор калиевые каналы из семейства K2P чувствительны к внутриклеточной ацидификации. TASK-1, по-видимому, является наиболее подходящим кандидатом. Клетки, ощущающие кислое также содержат Car4 receptor8, который ощущает двуокись углерода - блокирование этого рецептора ведет к тому, что газированные напитки ощущаются как пресные. Пресинаптические клетки также определяют насыщение углекислотой, частично посредством действия карбонангидразы, которая продуцирует протоны и тем самым окисляет окружающую среду [13].
Вкус соли Na определяется вкусовыми почками путем непосредственного проникновения Na+ через апикальные ионные каналы и деполяризации вкусовых клеток. Это действие обеспечивается чувствительными к амилориду эпителиальными Na каналами, ENaC [66, 69]. 4 субъединицы канала ENaC и кодируются соответственно 4 генами: SCNN1A (sodium channel, nonvoltage-gated 1 alpha), располагающимися на хромосоме 12p13, SCNN1B и SCNN1G на хромосоме 16p12, и SCNN1D на хромосоме 1p36. SCNN1B известен также как ген, ответственный за синдром Liddle. Нокаут критической субъединицы ENaC во вкусовых почках нарушал восприятие солёного [14]. Установлено, что чувствительными к Na+ клетками являются клетки типа I [127]. Чёткие доказательства участия генов каналов degenerin/ENaC в реакции на вкус Na+ получены для генов ppk11 и ppk19 у дрозофилы. Показано также, что трансдукция сигналов соленого у человека и животных осуществляется и дополнительными мембранными рецепторами или ионными каналами, например, рецептор Vr-1 (vanilloid receptor-1), кодируемый геном TRPV1 (transient receptor potential cation channel, subfamily V, member 1), локализованным на хромосоме человека 17pl3. Правда, нокаутные мыши обнаруживали лишь минимальные фенотипические отклонения в отношении детекции соли [125]. Дополнительные вкусовые рецепторы Кроме существующих основных вкусов сегодня обсуждаются и новые вкусы, пока не входящие в классификацию: например, металлический вкус (цинк, железо), вкус кальция, лакричный, вкус жира, вкус чистой воды, вяжущий вкус. Исследования на грызунах показали, что их вкусовая система распознает и липиды. Показано, что свободные жирные кислоты являются мощными вкусовыми стимулами [38, 61]. Они в изобилии представлены в диете человека, у некоторых видов они продуцируются, когда слюнные липазы быстро гидролизуют проглатываемые триглицериды в ротовой полости [56]. Специфические мембранные рецепторы, существенные для детекции жирных кислот GPR40 и 120 (G protein-coupled receptors) присутствуют в клетках вкусовых почек [61,107,129]. Кроме того, транспортер жирных кислот гликопротеин CD36 (Cluster of Differentiation 36) экспрессируется во вкусовых клетках и может участвовать в детекции жирных кислот во рту. Подтверждено существование регуляции восприятия жира посредством GLP-1 через CD36. Следовательно, детекция длинноцепочечных жирных кислот может влиять на восприятие "жирного" вкуса путем контроля секреции GLP-1 на языке. Значит, вкус жира также может быть ещё одним основным вкусовым ощущением [76].
Крысы и некоторые другие виды могут также воспринимать вкус полисахаридов и крахмала, которые качественно отличны от вкуса сахаров. Молекулярный механизм вкусового восприятия этих сложных углеводов неизвестен, но имеются доказательства, что в этом не участвуют T1R3 рецепторы.
Потребление воды является критическим для жизнеспособности животных и регулируется с помощью чувства жажды. Животные обладают механизмом хемосенсорного определения воды или гипо-осмотических жидкостей. В соответствии с этим вода может вызывать вкусовые реакции. Было предположено, что некоторые вкусовые клетки действуют как осмотические сенсоры и что передача гипо-осмотических стимулов вызывает всасывание воды через аквапорины, что сопровождается активацией регулируемых объёмом анионных каналов. Апикально экспрессируемые аквопорины AQP5 являются наиболее вероятными кандидатами на роль передачи вкуса воды. Ощущение вкуса воды людьми во многом зависит от состояния адаптации ротовой полости. Адаптация к разным вкусам растворов (и возможно к слюне) влияет на то, как воспринимается вода. Вода вызывает строгий сладковатый вкус, когда она оказывается в ротовой полости после воздействия блокаторов сладкого вкуса. Послевкусие пресной воды объясняется взаимодействиями на уровне рецепторов T1R2 + T1R3.
Ментол, входящий в мяту, активирует особый рецептор называемый TRPM8. Он начинает работать при падении температуры ниже 37С, отвечая за формирование ощущения холода. Ментол снижает температурный порог активации рецептора TRPM8, поэтому, когда он попадает в рот, ощущение холода возникает при неизменной температуре окружающей среды.
Капсаицин, один из компонентов жгучего перца, наоборот активирует рецепторы тепла TRPV1. Но TRPV1 активируются при повышении температуры выше 37С. Именно поэтому капсаицин вызывает ощущение жгучести. Капсаицин и родственные соединения могут стимулировать важные взаимодействия между волокнами соматосенсорного тройничного нерва (cranial nerve V) в языке и вкусовых почках, модулируя тем самым вкус [130]. Дополнительные соматосенсорные воздействия, такие как текстура и зрительные сигналы, такие как цвет существенно влияют "вкусовое восприятие " пищи [115].
Пикантные вкусы других пряностей - корицы, горчицы, тмина - также распознаются температурными рецепторами. Кстати, температура пищи имеет огромное значение - вкус выражен максимально, когда она равна или чуть выше температуры полости рта. Как ни странно, зубы тоже участвуют в восприятии вкуса. О текстуре пищи нам сообщают датчики давления, расположенные вокруг корней зубов. В этом принимают участие и жевательные мускулы, которые оценивают твердость пищи. Доказано, что, когда во рту много зубов с удаленными нервами, ощущение вкуса меняется.
Существуют интероцептивные механизмы для детекции натрия, pH, глюкозы и аминокислот в разных внутренних органах, таких как почки, поджелудочная железа, кишечник, головной мозг и спермии [126]. Многие белки, которые лежат в основе передачи ощущения сладкого, горького и умами, экспрессируются также в сенсорных клетках, выстилающих желудок и кишечник. Хемосенсорные L-клетки желудка воспринимают аминокислоты, пептиды, сахара и горькие соединения и отвечают локально высвобождением определенных пептидов (например, GLP-1(glucagon-like peptide-1)) [51]. В желудке клетки, несущие рецептор T1R3, который участвует в детекции как сахаров, так и аминокислот, секретируют гормон голода ghrelin, когда они сталкиваются с углеводами и белками, возбуждая аппетит. L-клетки слизистой толстого кишечника человека экспрессируют густадуцин (G?gust,),пептид YY и GLP-1в ответ на вкусовые стимулы. Выявлены также транскрипты членов семейства T2R, T1R3 и G?gust в линиях эндокринных клеток из тонкого кишечника человека, реагирующие на горькие стимулы повышением концентрации кальция. Обнаружены также рецепторы T1r1, T1r2, T1r3, TRPM5, PLCb2 и G?gust в энтероэндокринных клетках L-типа тонкого кишечника мыши [72]. Эти клетки могут стимулировать блуждающий нерв, посылающий сигналы из кишечника в мозг [59,103]. Возможно также, что эти клетки участвуют в хемосенсорной функции кишечника. Так, горькие соединения, достигая желудка мышей запускают высвобождение ghrelin, стимулируя аппетит. Но спустя 30 мин., потребление пищи снижается, пища удерживается в желудке. Это снижает аппетит за счет продолжительного ощущения полноты и сытости, тем самым предупреждается прием вредной пищи. Активация T2Rs в толстом кишечнике человека и крыс стимулирует секрецию анионов, индуцируя поступление воды и вызывая понос. Известно, что глюкоза, принимаемая орально, вызывает индукцию GLP-1 и GIP ( gastric inhibitory peptide ) или глюкозо-зависимые инсулинотропные пептиды (инкретиновые гормоны), которые в свою очередь регулирует аппетит, секрецию инсулина и перистальтику кишечника. Эндокринные клетки поджелудочной железы также экспрессируют множественные вкусовые белки, которые участвуют в регуляции высвобождения инсулина. Идентифицированы кишечного типа транспортеры глюкозы и панкреатического типа АТФ-регулируемые К+каналы, участвующие в восприятии сладкого вкуса сахаров. Нокаутные мыши, лишенные густадуцина или субъединицы рецептора сладкого T1r3 обнаруживают дефицит секреции GLP-1 и нарушение регуляции в плазме концентраций инсулина и глюкозы в ответ на проглатывание углеводов. Исследование изолированных клеток кишечника показало, что этот эффект локальный [58]. У мышей, неспособных воспринимать вкусовые сигналы из рта, возникают всё же пищевые предпочтения за счет так называемых postingestive (т.е. после проглатывания) сигналов [117]. Хотя в некоторых случаях вкус и интерорецепция используют разные механизмы, как например, для определения вкуса глюкозы и натрия в головном мозге, известны примеры использования одних и тех же рецепторных белков двумя системами. Канал Pkd2L1 участвует в определении pH вкусовыми клетками и нейронами в спинном мозге. ENaC также может иметь общий механизм для детекции натрия с помощью вкусовых клеток и другими тканями тела. Переработка информации и межклеточная передача сигналов во вкусовых почках
Трансмиттеры и информационные потоки Рецепторные и пресинаптические клетки высвобождают разные нейротрансмиттеры [45]. Как указывалось выше, рецепторные клетки высвобождают только АТФ посредством паннексиновых каналов. Пресинаптические клетки секретируют серотонин (5-HT) и норэпинефрин (NE). В некоторых случаях пресинаптические клетки высвобождают также оба эти амина [29,46]. Секреция этих биогенных аминов, по-видимому, осуществляется посредством обычного зависимого от Ca2+ экзоцитоза [120]. АТФ, по-видимому, воспринимается ионотропными пуринергическими рецепторами (Р2Х2 и Р2Х3) афферентных нервных волокон. Генетическое подавление этих рецепторов устраняет реакцию вкусовых нервов на соответствующие вкусовые стимулы, хотя сохраняется реакция на прикосновения, температуру и ментол [33]. В то же самое время АТФ возбуждает также соседние пресинаптические клетки и стимулирует их к высвобождению 5-HT и/или NE. АТФ, секретируемый во время вкусовой стимуляции, действует и на сами рецепторные клетки как аутокринный трансмиттер, обеспечивая позитивную обратную связь с рецепторными клетками, увеличивая свою собственную секрецию и, по-видимому, противодействуя деградации с помощью экто-АТФазы [48].
Серотонин, высвобождаемый пресинаптическими клетками также может иметь множественные мишени. Одним из эффектов серотонина является ингибирование рецепторных клеток. Следовательно, серотонин обеспечивает негативную обратную связь с рецепторными клетками. Эти противоположные эффекты во время вкусовой активации комбинируются, придавая окончательную форму сигналам, передаваемым от вкусовых почек в задний мозг. Можно предположить, что серотонин обеспечивает "латеральное ингибирование", подавляя продукцию сигналов соседними рецепторными клетками, например, сигналов горького, когда стимулированы рецепторные клетки, например, сладкого вкуса. Петля отрицательной обратной связи может участвовать в сенсорной адаптации путем снижения афферентных сигналов со временем. Другим местом действия серотонина (и NE) возможно являются нервные волокна, которые формируют синапсы с пресинаптическими вкусовыми клетками [101]. Вкусовой код Каким образом активация рецепторных и пресинаптических клеток во время вкусовой стимуляции преобразуется в нейральный код, который специфицирует разные вкусовые ощущения, остается неясным. Обсуждаются два противоположных принципиальных подхода к решению этой проблемы. Согласно гипотезе "меченных линий" предполагается, что нервные волокна могут линейно передавать соответствующее вкусовое качество, например, "горькие" вкусовые клетки -> "горькие" нервные волокна -> "горькие" нейроны на каждом последовательном этапе передачи. Согласно другой "комбинаторной" гипотезе, передающая система может обладать качествами кодирования посредством набора активностей от нескольких волокон. В последнем случае, любое данное нервное волокно может передавать информацию для более, чем одного вкусового качества. Ещё одна, менее обсуждаемая возможность, заключается во временном коде, в котором вкусовое качество будет обеспечиваться временным паттерном потенциалов действия в заднем мозге и кортикальных нейронах [23,80].
Электрофизиологические записи с одиночных афферентных волокон или с их ганглиолярных клеток показали, некоторые нейроны отвечают строго на одно вкусовое качество (обычно сладкое), но также обладают слабой реакцией на другие вкусовые стимулы. Напротив, другие афферентные нейроны возбуждаются множественными вкусовыми стимулами, т.е. обнаруживают более широкий спектр чувствительности [10,34]. Паттерн активности афферентного нейрона отражает гетерогенность клеточных реакций вкусовых почек [11,34,37,124,135]. Группа Zuker и Ryba's изучали, как индивидуальные вкусовые качества стимулируют нервную активность вкусовой коры. Их инструмент включал двухфотонную визуализацию кальция. Они установили, что капельки любой горькой жидкости на язык животного, находящегося под наркозом, постоянно активировали одну и ту же небольшую группу нейронов вкусового кортекса. Эти нейроны не реагировали на капли сладкой, умами и соленой жидкости. Точно также было установлено, что сладкое, соленое и умами каждый имеют свой собственный отличающийся кластер или горячую точку для вкусовых нейронов [126]. Не удалось, локализовать горячую точку для кислого вкуса. На уровне языка клетки и рецепторы сладкого и горького перемешаны, на уровне же коры они разделены расстоянием в 2.5 мм. Логика такой организации понятна горячая точка для горького должна возбуждать область головного мозга, которая управляет отвращением, тогда как горячая точка сладкого должна возбуждать притягательность. Предполагается, что большинство нейронов в горячей точке избирательны только к одному вкусу.
Вообще вкус - это мультимодальное ощущение. Должна воедино свестись следующая информация: от вкусовых рецепторов, тепловых рецепторов, данные от механических датчиков зубов и жевательных мускулов, а также обонятельных рецепторов, на которые действуют летучие компоненты пищи. Примерно за 150 миллисекунд первая информация о вкусовой стимуляции доходит до соматосенсорного кортекса для сознательного восприятия вкусового ощущения и в гипоталямус, amygdala и insula, придавая так называемый "эмоциональный" компонент вкусовому ощущению. Сигналы, проходящие через продолговатый мозг, оказываются в таламусе. Именно там вкусовые сигналы соединяются с обонятельными сигналами и вместе уходят во вкусовую зону коры головного мозга [99,115]. Причем общая картина создается нелинейным сложением составляющих. Помимо вкусового ощущения стимулирование вкусовых почек инициирует физиологические рефлексы, которые подготавливают кишечник к абсорбции (высвобождению пищеварительных ферментов, инициации перистальтики, увеличению кровотока в мезентерии), и другие органы к метаболическому настрою (высвобождению инсулина, симпатической активации ткани коричневого жира, увеличению сердечных сокращений) [36, 75]. Итак, запускаемое сенсорное (вид, запах, вкус) распознавание пищи заканчивается цефалической фазовой реакцией (cephalic phase responses) . Вкусовые пристрастия Ребенок учится различать запахи и вкус уже в утробе матери. По предварительным данным, наши вкусовые пристрастия окончательно формируются уже к трехмесячному возрасту, и характер питания женщины во время беременности и кормления грудью влияет на то, какую еду будет больше всего любить ее подросшие дети. У маленьких детей больше вкусовых почек, поэтому они так обостренно все воспринимают и настолько разборчивы в еде. У пожилых людей многие вкусовые почки отмирают, поэтому еда им часто кажется пресной. Существует эффект привыкания к вкусу - со временем острота ощущения снижается. Причем привыкание к сладкому и соленому развивается быстрее, чем горькому и кислому. Например. привыкание к горькому повышает чувствительность к кислому и соленому, а адаптация к сладкому обостряет восприятие всех других вкусов.
У разных людей чувствительность к горькому сильно различается, один и тот же горький стимул кому-то может показаться едва заметным, а кому-то - невыносимо горьким. Это хорошо соответствует полиморфизму человеческих генов, кодирующих рецепторы горького вкуса. Подобную же разницу в чувствительности нашли у мышей различных линий. Различия в чувствительности к горьким стимулам обеспечиваются экспрессией множественных T2Rs рецепторов в одной и той же вкусовой клетке и различиями в уровнях экспрессии одного и того же T2R рецептора в разных вкусовых клетках [2,74]. Все изученные человеческие популяции обнаруживают бимодальность в отношении восприятия ФТК (фенилтиокарбамида), так что приблизительно 75% индивидов по всему свету ощущают это соединение как очень горькое, тогда как остальные ощущают это соединение как безвкусное. Нечувствительными к горечи ФТК выявляется у 50% европейцев, но лишь 30% азиатов и 1,4% индейцев Амазонии. Оказалось, что у разных индивидов ген рецептора горького TAS2R38 отвечает за чувствительность к ФТК, а также связан с восприятием людьми горечи PROP (пропилтиоурацил). Рецептор существует в разных версиях, и каждая из них кодирует немного отличающийся белок-рецептор. Индивиды, которые несут две копии гаплотипа AVI (alanine-valine-isoleucine), являются в основном не ощущающими ФТК, тогда как одна или две копии гаплотипа PAV (proline-alanine-valine) характеризуют индивиды как ощущающие горечь ФТК. Группа гетерозигот PAV/AVI имеет статистически достоверный более высокий порог восприятия ФТК, чем PAV гомозиготы и поэтому несколько менее чувствительна к ФТК. Гаплотип AAV специфицирует ещё более промежуточный фенотип. В целом установлено, что эти гаплотипы полностью объясняют бимодальное распределение вкусового восприятия ФТК и за 55-85% изменчивости чувствительности к ФТК в зависимости от изучаемых популяций [57].
Подтверждено, что дополнительные гены вне хромосомы 7q вносят вклад в этот фенотип и что один такой ген TAS2R располагается в коротком плече хромосомы 16. Существуют, по-видимому, варианты и этого гена с индивидуальной изменчивостью в восприятии горького вкуса [4]. Показано, что генетическая изменчивость вкусовых реакций на горькие соединения обусловлена полиморфизмами Tas2r генов и у мышей, а также генами, расположенными вне области Tas2r. Следовательно, изменчивость пищевых предпочтений вероятно происходит из-за генетических различий вкусовых рецепторов [26,57,111] .
Люди отличаются и по восприятию вкуса сладкого, но генетическое предопределение такой изменчивости не установлено однозначно. У людей, происходящих из Африки, Азии, Европы и Американских туземцев, все три гена TAS1R для рецепторов T1R обнаруживают множественный полиморфизм, включающий и тот, что возник в результате аминокислотных замен белков T1R и даже в результате преждевременного стоп кодона в гене TAS1R1. Ген TAS1R2 особенно разнообразен по сравнению с другими генами людей. Таким образом, вариации генов TAS1R в популяциях людей предположительно вносят существенный вклад в изменчивость восприятия вкуса сладкого (зависящего от TAS1R2 и TAS1R3), чем в изменчивость вкуса умами (зависящего от TAS1R1 и TAS1R3). У мышей из 89 полиморфизмов, выявленных внутри ~6.7 kb геномной области, включающей и ген Tas1r3, 8 полиморфизмов были достоверно ассоциированы с предпочтением к сахарину[95]. Полиморфизм кодирующих последовательностей, соответствующий наиболее сильному предпочтению к сахарину, связан с аминокислотной заменой изолейцина на треонин в положении 60 (I60T) во внеклеточном N-конце белка T1R3. Было показано in vitro, что соответствующие сайт-направленные мутационные изменения меняют сродство связывания белка T1R3 с некоторыми сладостями.
Что же влияет на наши вкусовые пристрастия? Люди, которые ощущали уже очень маленькие концентрации ФТК, находили кофе и сахарин слишком горькими. Обычная сахароза казалась им более сладкой, чем другим. И жгучий перец жег гораздо сильнее. Те, кто различает горький вкус ФТК, испытывают отвращение к репе, хрену, брокколи и брюссельской капусте. Эти овощи содержат молекулы глюкозинолата, структура которого похожа на ФТК. Аллельная изменчивость рецептора TAS2R3S может оказывать распространенные эффекты на выбор пищи у детей. Высокая чувствительность к этаноловым горечам может защитить от избыточного потребления алкоголя. В согласии с этой гипотезой отдельные носители одного или двух (PAV) аллелей рецепторного гена TAS2R3S, чувствительных к горечи ФТК, обнаруживают более низкое потребление алкогольных напитков, чем индивиды, гомозиготные по AVI аллелю. Сходным образом, K172 аллель гена, TAS2R16 (рецептора -глюкопиранозидов), который менее чувствителен к -глюкопиранозидам in vitro, ассоциирует с повышенным риском алкогольной зависимости.
Пока мы очень мало знаем о том, как механизмы вкусовых ощущений связаны с аппетитом, тучностью и сытостью. Предполагается, что вкусовые сенсорные органы влияют на гормоны, возбуждающие аппетит. Некоторые из этих пептидных гормонов, включая лептин, глюкагон-подобный пептид-1 и окситоцин, модулируют хемосенсорную передачу на уровне вкусовых почек. Циркулирующий лептин, действуя непосредственно на вкусовые рецепторные клетки, снижает реакцию на сладкое [55,85]. Циркулирующий окситоцин, другой снижающий аппетит пептид, также воздействует на вкусовые почки (Sinclair et al., 2010). Доставляемые кровью пептиды насыщения могут быть идеальными кандидатами на роль интеграции сенсорных и мотивировочных стимулов аппетита. Кроме того, пептиды насыщения, включая глюкагон-подобный пептид-1, синтезируются внутри вкусовых почек и воздействуют на вкусовые клетки или афферентные нейроны [112].
Сегодня возможно синтезировать недорогие, но высокоэффективные вещества, делающие пищу более "сладкой", "соленой" и просто "вкусной", чем она есть на самом деле [1]. Тем самым производители могут уменьшить содержание в пище сахара, соли и глутамата натрия, отчего еда станет только полезнее. В настоящее время исследователи Senomyx занимаются поисками веществ, блокирующих восприятие горького, что позволит, например, увеличить потребление белка сои, который дает горьковатое послевкусие. Подобные блокаторы уберут горечь из многих лекарственных препаратов, что особенно важно, когда речь идет о детях. Используемые сейчас низкокалорийные заменители сахара (аспартам, сукразол, сахарин) часто дают горьковатое послевкусие, а применять их в меньших концентрациях не имеет смысла, поскольку они не активируют рецепторы, реагирующие на сладкое. Senomyx выявил модулятор, усиливающий "сладость" сукралозы в четыре раза и обнаружил также усилитель вкуса сахарозы, который делает сахар вдвое более сладким. Вещества, связывающиеся с солевым каналом, могут усиливать или ослаблять действие на него ионов натрия. Это может приводить к снижению в пище поваренной соли. Нарушения вкуса С возрастом происходит снижение числа вкусовых рецепторов в среднем с 10000 до 5000. Но считается, что притупление вкусовой чувствительности в значительной степени вызвано изменениями рецепторов и ионных каналов в мембранах вкусовых клеток. В частности отмечается, что снижение в носовой слизи цАМФ и цГМФ может быть связано с дисфункцией восприятия запахов и вкуса [40]. Изменения вкуса отмечаются при беременности и во время менопаузы.
Прежде всего, нарушения вкуса безусловно должны быть связаны с генетическими нарушениями генов вкусовых рецепторов. Члены семейства кошачьих проявляют равнодушие к сладкому. Возможно, у этих хищников в процессе эволюции отпала необходимость в поиске высокоэнергетичных углеводов, что и привело к изменению вкусовой системы. Это связано с тем, что у них неактивен рецептор к сладким веществам, из-за превращения гена Tas1r2 в псевдоген в результате микроделеции в экзоне 3 и стоп-кодона в экзонах 4 и 6 [65]. Превращение гена Tas1r2 в псевдоген описано у кур, безъязычных когтистых лягушек и летучих мышей вампиров [110,138]. В отличие от кошачьих гигантская панда лишена функционального гена вкуса умами (Tas1r1) [63]. Предполагается, что ушастые тюлени и дельфины также потеряли некоторые вкусовые функции. У них на языке сохранились лишь немногие вкусовые почки. Было установлено, что 7 из 12 исследованных видов плотоядных, питающиеся исключительно мясом, имеют вместо гена Tas1r2 псевдоген. Более того, помимо потери гена вкусового рецептора Tas1r2, ушастые тюлени и афалины потеряли и гены рецепторов Tas1r1 и Tas1r3, т.е. они лишены восприятия сладкого и умами [53], как и другие ластоногие [106]. Кроме того, не выявлено интактных генов рецепторов горького Tas2rs в геноме дельфинов [53]. Анализ генов вкусовых рецепторов горького (T2R) у человека и 12 видов не принадлежащих к человеческому роду приматов показал, что приматы накопили больше псевдогенов, чем мыши и что клон-специфическое образование псевдогенов ещё более выражено у человека. Следовательно, у человека способность воспринимать некоторые горечи теряется быстрее. Модификация репертуара T2R генов, скорее всего, отражает изменения в окружающей среде и предпочтений к пище во время эволюции приматов [39]. Сходные изменения наблюдаются и у других позвоночных [24]. Так, у акул отсутствуют рецепторы горького вкуса. Не выявлено рабочих генов рецепторов сладкого у некоторых видов птиц, лошадей и всеядных свиней.
Исследование чувствительности к ФТК выявило мутации в гене T2R28, причем мутации у человека и шимпанзе оказались разными. .Ген IKBKAP, экспрессируемый вкусовыми клетками типа III, оказывается мутантным при семейной dysautonomia (или Riley-Day синдроме), болезни, которая связана с нарушениями автономной нервной системы и среди прочего приводит к потере вкусовых почек. Дефектные по гену хемокина CXCL14 мыши обнаруживают метаболические дефекты и могут иметь аномальные вкусовые почки. Мыши генетически лишенные PKD2L1 клеток селективно теряют чувствительность к кислым стимулам [44].
Среди лиц европейского происхождения около 25% обладают сверхчувствительным вкусом. Считается, по крайней мере, частично это происходит за счет увеличения грибовидных вкусовых сосочков. Супердегустаторами среди животных являются золотые рыбки. Противоположная ситуация, когда пациенты могут испытывать авгезию или полную потерю вкуса. Её причины, скорее всего, неврологические из-за травм мозжечка или переднего мозга, где обрабатываются сообщения, получаемые от вкусовых клеток. Потеря вкуса и запаха могут восстановиться после легкой травмы головы, но не после тяжелой черепно-мозговой травмы. Более распространены гипогевзия и фантомное восприятие вкуса или фантогевзия, когда пациенты сообщают о наличии длительного вкусового ощущения, как правило, нового и неприятного, несмотря на отсутствие стимула. Фантомное вкусовое восприятие может быть временным, так же, как извращение вкуса (дисгевзия), искаженние сенсорной способности, когда всё кажется необъяснимо соленым, неприятным, металлическим или прогорклым.
Нарушения вкуса наблюдаются из-за сухости слизистой рта при частом курении (уменьшение числа грибовидных и нитевидных сосочков), при полетах, при ксеростомии, при синдроме Sjogren's (воспалении слюнных желез), саркоидозе, при заболеваниях почек и печени, радиационной терапии головы и шеи, а также после пластической хирургии лица [3]. При синдроме Ehlers-Danlos встречаются нарушения вкуса из-за повреждений вкусовых почек и нейрологических аномалий. К нарушениям вкуса приводит также прием некоторых лекарств (http://www.servinghistory.com/topics/gustation::sub::Factors_Affecting_Taste_Perception). Нарушают восприятие вкуса, например, лекарства, обладающие антихолинэргическими свойствами, также антигистаминные препараты, антидепрессанты и антигипертензивных лекарства. Препараты, которые, как известно, вызывают нарушения вкуса, включают литий, пеницилламин, прокарбазин, рифампицин, винбластин, винкристин, каптоприл, гризеофульвин, плавикс. Химиотерапия раковых опухолей также ведет к нарушениям вкуса [8] Диабет также может способствовать нарушению вкуса. При железодефицитной анемии наблюдается атрофия сосочков языка. Нарушения вкуса отмечаются при myasthenia gravis (MG) [54] и болезни Кушинга. Наблюдаются обычно диффузные повреждения вкусовых рецепторов. Нарушения с одной из сторон языка наблюдаются редко, например, при параличе Белла после инфекции лицевого нерва. Описывается потеря вкуса одной половиной языка при множественном склерозе вкусовых нейронов второго порядка, проецирующихся в таламус (J. A. Feldman уе al 2006). Вкусовые аномалии иногда могут быть симптомами опухоли, депрессии и множественного склероза (Dahlslett et al 2012) или шизофрении. Среди пациентов, которые страдают от судорог, 20% ощущают неприятный вкус и запах перед судорогами. Подобные ауры, галлюцинаторные ощущения вызываются приступами, которые возникают в областях мозга, где хранятся воспоминания вкуса и запаха или возникают в области коры мозга, где интегрируются вкусовые восприятия. Дегенеративные заболеваний головного мозга, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, могут нарушать обонятельные нервы, что может привести к потере обоняния, которое в свою очередь ухудшает вкусовые функции. Сходная ситуация наблюдается при гранулематозе Вегенера [31]. Пациенты с дефицитом таких веществ, как цинк, медь, а также витамины группы В, могут обнаруживать нарушения вкуса. Синдром горящего рта (burning-mouth syndrome), характеризуемый покалыванием или ощущением ожога на языке, нёбе, а порой на губах и внутренней оболочке щек, является наиболее распространенным у женщин в менопаузе. Предполагается его связь с гормональными нарушениями, в частности эстрогена. Причиной могут быть повреждения нервов, контролирующих вкус и боль, и кислотный рефлюкс. Но в большинстве случаев точная причина остается неизвестной. Противосудорожный препарат клоназепам эффективен в борьбе с этими симптомами. Литература |