Изучение генетики вкусовых ощущений PTC начаты в начале 1930s после случайной находки A. L. Fox, что кристаллы PTC ощущаются как очень горькие одними, но не другими людьми. Эти различия, которые сохраняются всю жизнь, обычно измеряются, используя PTC-насыщенную бумажку и записывая ответ: горькое или нет. В последнее время используются серии растворов PTC и тесты выбора вслепую, чтобы определить индивидуальные уровни чувствительности к PTC. Эти количественные исследования показали, что между наиболее чувствительными и наименее чувствительными индивидами в отношении способности различать PTC в растворе обнаруживается различие на 4 порядка величин в отношении концентрации PTC. Исследователи подсчитали, что частота PTC 'tasters' и 'non-tasters' довольно отлична в разнвх популяциях мира. Эти исследования показали, что хотя не ощущающие вкуса есть во всех популяциях (за исключением небольших групп бразильских индейцев), частота таких индивидов варьирует (3). Наиболее изучены популяции белых, у которых частота non-tasters подсчитана примерно равной 28%

Вскоре после открытия сенсорной изменчивости к PTC некоторые исследователи сообщили о том, что этот признак наследуется и что non-taster фенотип передаётся как простой Менделевский рецессивный признак (7, 8). Однако, др. исследования установили, что имеет место неполное доминирование, множественные аллели или множественные гены, наследование которых согласуется с неспособностью ощущать PTC лучше, чем простая Менделевская модель рецессивного наследования (3). В частности, Reddy and Rao (9) изучали характер наследования в выборке из 100 и подтвердили, что способность ощущать PTC контролируется большим локусом с неполным доминированием, а также мультифакториальным компонентом с достоверной residual наследственностью. Olson et al. (10) изучили 120 семей и получили данные, которые подтверждают двух-локусную модель, при которой один локус контролирует вкусовое ощущение PTC, а др. локус более общую вкусовую способность. Т.о., стало ясно, что способность ощущать PTC является не простым Менделевским признаком по характеру наследования, а скорее дихотомическим признаком, который обладает широким и непрерывным, хотя и бимодальным распределением вкусовой чувствительности в популяциях (11).

Доказательства для сцепления способности ощущать PTC имеют долгую историю конфликтующих находок. Chautard-Freire-Maia (12) , использовала данные по сцеплению для 22 аутосомных полиморфных локусов, собранные Morton и др. (13, 14) из сев.-зап. популяций Бразилии. Было выявлено сцепление между PTC фенотипом и KEL, антигеном групп крови, который как известно располагается в хромосоме 7, в области диска q³. Исследование Conneally et al. (15) подтвердило доказательство сцепления с KEL, с общим комбинированным LOD score of 10.78 at θ = 0.045. Однако, в ряде др. исследований не была подтверждена достоверность такого сцепления (16-18). Эти исследования сцепления исходили из предположения рецессивного наследования признака и оценивая фенотип субъектов дихотомическим способом как качественный признак, ощущающий или не ощущающий. С этой точки зрения исследования сцепления способности ощущать PTC зашли в тупик, пока не появились полиморфные ДНК маркеры и возможность сканирования сцеплений генома с высоким разрешением.

Первое такое сканирование сцеплений было осуществлено с родственным соединением propylthiouracil (PROP) в популяции белых (19). В этом исследовании фенотип измерялся путем использования одиночного субъективного рейтинга интенсивности вкусового ощущения с 6 категориями силы вкусового ощудщения (20). Важным преимуществом этих фенотипических данных стала оценка ощущения как количественного признака это позволило получить достоверные доказательства сцепления с локусом на хромосоме 5p (t-score = 3.28, p = 0.0005), вместе с предположением о сцеплении с маркерами на хромосоме 7q31 на расстоянии примерно в 35 cm от KEL (t-score = 2.34, p = 0.008). Т.о., это исследование использовало модель quantitative trait loci (QTL) и информацию о маркерах по всему геному, но касалось несколько иного вкусового раздражителя, давшего совершенно др. результаты.

Мы осуществили количественные измерения способности ощащать PTC, используя модификацию метода Harris and Kalmus (11) у 26 семей из Utah Center d'Etude du Polymorphsime d'Humain (CEPH), представленных 267 индивидами (21). Полученную информацию мы подвергли анализу на сцепление согласно рецессивной модели, базирующейся на традиционной модели классификации ощущающие и не ощущающие и согласно модели QTL, используя весь спектр порогов к PTC. Анализ дал достоверные доказательства сцепления с хромосомой 7q35-36, согласующиеся с некоторыми предыдущими результатами проведенных ранее экспериментов (12, 15). Кроме того, результат анализа количественного признака с использованием двух-локусного сканирования всего генома относительно хромосомы 7 QTL идентифицировал второй локус на хромосоме 16p. Интересно, мы наблюдали, что non-taster фенотипы в семьях обнаруживают сцепление с хромосомой 7, тогда как количественно отличающиеся от non-taster фенотипа в др. семьях не были сцеплены с хромосомой 7. Non-tasters в семьях со сцеплением по хромосоме 7 обычно описывались как не ощущающие любой из растворов PTC в пределах, выявляемых tasters. Non-tasters в семьях, не обнаруживающих сцепления с хромосомой 7, часто говорили об ощущениях иных, чем горькое таких концентраций PTC. Это указывает на существование двух типов non-tasters, согласующееся с ранними предположениями (10).

Т.к. большинство исследований подтвердило мнение, что чувствительность к PTC представляет собой Менделевский признак (7, 8), то стало ясно, что этот фенотип обладает большими характеристиками, которые мешали традиционному изучению сцепления и позиционным клональным исследованиям сложных признаков у людей, включая непрерывно распределяющиеся фенотипы, неопределенный способ наследования, низкие LOD scores, и неспособность воспроизведения сцепления. Это указывает на то, что PTC-ощущающий фенотип занимает промежуточное положение между типичными Менделирующими нарушениями и полностью сложными признаками. Это указывает на то, что идентификация гена(ов) этого признака позволит лучше понять генетику сложных признаков в целом.

Понимание ощудения вкуса горечи стало целью многих недавних исследований in vitro (1, 22) и Human Genome Project, которые предоставили информацию о гене кандидате. Имея строгие доказательства сцепления с хромосомой 7, используя количественный и качественный анализ, наша группа сконцентрировалась на идентификации гена, располагающегося в этом локусе (21, 23). Мы полагали, что CEPH семьи, которые обнаруживали сцепление только по хромосоме 7, и нигде более в геноме являются результатом одиночного рецессивного гена. Когда мы произвели дополнительное генотипирование сцепления с высоким разрешением и исследования гаплотипов, то предприняли тщательный поиск гена кандидата в этой области. В интервале критического сцепления хромосомы 7 мы нашли ряд генов, предварительно обозначенных как гены, подобные рецепторам запахов (odorant receptor-like), которые вместе были оценены как ведущие кандидаты. Сиквенс анализ этих генов выявил один вариант в гене T2R bitter receptor, который обнаруживал строгую ассоциацию с фенотипом ощущающих в CEPH семьях со сцеплением в 7 хромосомой. Дальнейший анализ с независимой группой индивидов с использованием 50 single nucleotide polymorphisms (SNPs) в среднем занимающих 50 kb в интервале, демонстрирующем строгую ассоциацию с фенотипом и linkage disequilibrium (LD) внутри области в 150-kb. В этой области, 35 из 37 не родственных non-tasters оказались гомозиготными по консервативному гаплотипу в соответствии с предсказаниями рецессивных аллелей. Итак, выявлен только один ген, T2R bitter receptor, который обнаруживает строгую ассоциацию с генотипом и LD в Utah CEPH семьях.

Этот ген теперь обозначается как T2R38 или PTC, является членом семейства bitter taste receptor генов у людей (1). Он представлен одиночным кодирующим экзоном длиной в 1002 bp, кодирующий из 333 аминокислот G-protein-coupled рецептор с 7 трансмембранными доменми (23). Внутри гена мы идентифицировали три общераспространенных SNPs, все они результат аминокислотных изменений в белке. Один из этих вариантов, в котором аланин замещает пролин в аминокислотном остатке 49 (A49P), обнаруживает строгую ассоциацию с состоянием ощущения у изученных субъектов.

Затем мы охарактеризовали этот ген в популяциях African, European, Asian и Американских индейцев и выявили 5 разных гаплотипов, характеризующих этот ген, отвечающие за разные комбинации вариантов в трех разных положениях аминокислот 49 (proline or alanine), 262 (alanine or valine) и 296 (valine or isoleucine). Два наиболее распространенных гаплотипа, обозначенные proline-alanine-valine (PAV) и alanine-valine-isoleucine (AVI), обнаруживают очень строгую ассоциацию со статусом ощущения и PAV сегодня считается главным taster гаплотипом, тогда как AVI считается главным non-taster гаплотипом. Индивиды, которые несут две копии гаплотипа AVI являются в основном non-tasters, тогда как одна или две копии гаплотипа PAV дают в основном tasters. Также средний гетерозиготный эффект очевиден. Т.к. группа PAV/AVI гетерозигот имеет статистически достоверный более высокий порог восприятия PTC, чем PAV гомозиготы (p менее 0.005) и поэтому была несколько менее чувствительна к PTC. В дополнение к распространенным PAV и AVI гаплотипам, третий гаплотип, AAV, обнаруживается с низкой частотой. Если оценивать простую дихотомическую оценку чувствительности к PTC, то AVI/AAV гетерозиготы почти случайно распадались на tasters и non-tasters. Это указывает на то, что AAV гаплотип специфицирует более промежуточный фенотип. В целом установлено, что эти гаплотипы полностью объясняют бимодальное распределение вкусового восприятия PTC и 55-85% изменчивости чувствительности к PTC в зависимости от изучаемых популяций.

Т.к. способ наследования чувствительности к PTC явился предметом споров (3), то мы исследовали доказательства дополнительного генетического вклада в PTC linkage score. Результаты в основном согласовались с моделью большого рецессивного QTL, модифицируемого или полигенными или однолокусными residual background эффектами (9, 10). Подтверждено, что дополнительные гены вне хромосомы 7q вносят вклад в этот фенотип и что один такой ген располагается в коротком плече хромосомы 16 (21).

Возникает вопрос, почему столь част AVI non-taster аллель? Т.к. наше ощущение горького, как полагают, защищает нас от поедаемых токсических веществ, нефункциональный аллель рецептора восприятия горького, как следовало ожидать, д. быстро элиминироваться из популяций естественным отбором. Даже если сам PTC не обнаруживается в природе, го структурно родственная группа соединений крестообразных растений (напр., cabbage, broccoli, and Brussels sprouts) является токсичной в больших количествах, затрагивающих в первую очередь щитовидную железу. Напр., isothiocyanates и goitrin являются горькими PTC-родственными соединениями, вызывающими гидролиз glucosinolates, естественно присутствуют в сырой кочанной капусте (24). Варьирующие антипатии к этим соединениям коррелируют с состояниями ощущения PTC, участвуют в разных степенях тироидной недостаточности (25).

Этот вопрост давно интригует генетиков. Напр., Fisher et al. (26) тестировали восприятие PTC у шимпанзе и нашли, что пропорция non-tasters примерно та же, что и у людей (примерно 30%). Они полагают, что существование такоего фенотипического полиморфизма у людей и обезьян не происходит без участия естественного отбора и они предположили, что балансирующий отбор поддерживает и taster и non-taster аллели в популяциях. Поверка такой гипотезы трудна.

Недавно Wooding et al. (27) осуществили глобальное обследование PTC гена в выборе из 165 индивидов из популяций African, Asian, European и Сев.Амер. индейцев в сравнении с обезьянами. Помимо трех общих SNPs найденных ранее выявлены два редких варианта у людей а популяциях только Африканского происхождения. одна аминокислота в положении 80 и одна в положении 274. Вместе эти 5 кодирующих SNPs специфицируют 7 различных гаплотипов в популяциях всего мира. Более того в этом исследовании было установлено, что два главных taster и non-taster гаплотипа, которые объясняют более 90% всех хромосом (23), были найдены с промежуточными частотами во всех популяциях. Шимпанзе и гориллы были гомозиготны по всем нуклеотидным положениям и поэтому несли по одному гаплотипу каждый, которым был PAV тип, аналогичный tasters у людей. Последовательности у людей и шимпанзе отличались в среднем по 8.3 нуклеотидам, как и последовательности между человеком и гориллами, это указывает на высокое сходство между человеком и высшими обезьянами.

Measurement of genetic differentiation between the continental population samples by use of FST statistics showed that this was low (FST = 0.056) in comparison with estimates based on other genes. Different tests of natural selection including Tajima's D demonstrated a significant deviation from neutrality because of an excess of intermediate-frequency variants when human population growth was taken into account. The high Tajima's D-value along with a low FST value supported the hypothesis that balancing natural selection has acted to maintain 'taster' and 'non-taster' alleles at the PTC gene in humans. The estimated divergence date of two common haplotypes was approximately 1.5 million years under the assumption that the nucleotide substitution rate in PTC is 10-9/site/year, although this conclusion remains uncertain because of small number of mutations and the limited resource of chimpanzee data.

It now appears that balancing natural selection has maintained divergent PTC alleles in human populations, but the mechanism by which this happens still needs to be resolved. Given the fact that the alterations present in the non-taster allele are not obvious null mutations, one possibility is that the PTC non-taster allele encodes a receptor that is fully functional for a different but as yet unknown bitter toxic substance.

Understanding of the multiple sequence variations in the PTC gene will allow examination of the details of the genetic basis of food preferences and the relationship between bitter taste sensitivities and possible health outcomes.

Identification of the PTC gene and studies of its molecular evolution have revealed a number of different aspects that must be considered together in future studies of the genes responsible for interindividuals' difference in bitter taste sensitivity. First, unlike PTC, PROP, and related compounds, the distribution of taste thresholds for other bitter compounds typically shows unimodal distribution. Second, although natural selection has acted to maintain both taster and non-taster alleles at the PTC locus, it is not clear whether this phenomenon has occurred for other bitter taste receptor genes. To understand this in a better way, we will need to examine variation in the entire T2R gene family across populations, which will help human history in bitter taste perception and enable creation of comprehensive functional repertoires of each gene for studies of phenotype/genotype correlations.

On a larger scale, the PTC gene may be illustrative of ancient genetic variation that has been proposed to underlie common disease in modern populations. The PTC non-taster allele is common, both because it is very old and because it appears to confer selective advantage, at least in the heterozygote state. This supports the 'common disease-common variant' hypothesis and suggests that greater study of relatively older African populations could reap important benefits in the search for variation that underlies common disease.

Finally, PTC presents a unique opportunity in the field of bitter taste transduction. Having a known gene with a strong effect on phenotype in vivo provides many opportunities for studies of taste physiology, biochemical function, and molecular structure elucidation in the human sense of taste.