Функция вкусовых рецепторов

The cell biology of taste Nirupa Chaudhari and Stephen D. Roper JCB vol. 190 no. 3 285-296
Taste buds are aggregates of 50–100 polarized neuroepithelial cells that detect nutrients and other compounds. Combined analyses of gene expression and cellular function reveal an elegant cellular organization within the taste bud. This review discusses the functional classes of taste cells, their cell biology, and current thinking on how taste information is transmitted to the brain.	Taste: our most intrepid sense Sampling the environment through our sense of taste. Вкус является сенсорной модальностью, которая позволяет организмам идентифицировать и потреблять пищу, избегая токсинов и несъедобных материалов. У человека это способ распознавать и различать сладкое, горькое, кислое, соленое и umami-т.наз. "базовые" вкусовые ощущения (Fig. 1). Существую, скорее всего, дополнительные качества, такие как жиры, металлы и др., которые также можно рассматривать как базовые вкусы. Каждый из них, как полагают, представляет собой разные пищевые или физиологические потребности или предупреждает о потенциальном вреде пищи. Т.о., ощущение сладкого в пище передает сигнал о присутствии углеводов, которые служат источником энергии. Восприятие соленого управляет потреблением Na⁺ и др. солей, важных для поддержания водного баланса в теле и кровообращения. Мы обычно полагаем, что umami, восприятие вкуса l-glutamate и некоторых др. l-аминокислот, отражает содержание белков в пище. Эти стабильные аминокислоты и нуклеотидные монофосфаты являются результатом естественно протекающего гидролиза во время старения и лечения. Восприятие горького является врожденным отвращением и, как полагают, защищает от потребления ядов, большинство из которых вызывают ощущение горького у людей. Кислый вкус сигнализирует о присутствии пищевых кислот. Поскольку ощущение кислого обычно вызывает отвращение, то мы избегаем потребления избытка кислот и перенапряжения механизмов, которые поддерживают баланс кислот и оснований в теле. Более того, испорченная пища часто кислая и поэтому отталкивает. Несмотря на это, люди научились претерпевать и даже предпочитают определенные соединения с горьким и кислым вкусом, такие как кофеин и лимонная кислота (напр., в сладких пирогах с цитрусовыми), преодолевая врожденные вкусовые реакции. Вариации во вкусовых восприятиях могут возникать в результате генетических отличий во вкусовых рецепторах и могут быть важным следствием в выборе пищи, в питании и здоровье (Drayna, 2005; Kim and Drayna, 2005; Dotson et al., 2008; Shigemura et al., 2009). Figure 1. Taste qualities, the taste receptors that detect them, and examples of natural stimuli. Five recognized taste qualities-sweet, sour, bitter, salty, and umami-are detected by taste buds. Bitter taste is thought to protect against ingesting poisons, many of which taste bitter. Sweet taste signals sugars and carbohydrates. Umami taste is elicited by l-amino acids and nucleotides. Salty taste is generated mainly by Na+ and sour taste potently by organic acids. Evidence is mounting that fat may also be detected by taste buds via dedicated receptors. The names of taste receptors and cartoons depicting their transmembrane topology are shown outside the perimeter. Bitter is transduced by G protein-coupled receptors similar to Class I GPCRs (with short extracellular N termini). In contrast, sweet and umami are detected by dimers of Class III GPCRs (with long N termini that form a globular extracellular ligand-binding domain). One of the receptors for Na+ salts is a cation channel composed of three subunits, each with two transmembrane domains. Membrane receptors for sour and fat are as yet uncertain. Важно, если нераспознанный аспект вкуса является тем, который выполняет дополнительные функции помимо пищевых предпочтений. Стимуляция вкусовых почек инициирует физиологические рефлексы, которые подготавливают кишечник к абсорбции (высвобождению пищеварительных ферментов, инициации перистальтики, повышению кровотока в брыжейке) и др. органы к метаболической подготовке (высвобождению инсулина, активации симпатической системы коричневой жироваой ткани, повышению сердцебиений; Giduck et al., 1987; Mattes, 1997). В целом эти рефлексы, которые запускаются при сенсорном (вид, запах, вкус) распознавании пищи наз. цефалическими фазовыми реакциями (cephalic phase responses). table: In a new window Diverse sensory inputs tickle our taste buds. Вкус обычно сбивают приправы, комбинированное сенсорное переживание обоняния и вкуса. Вкусовые сигналы возникают в сенсорных конечных органах ротовой полости-вкусовых точках-и запускаются с помощью растворимых в воде соединений, которые контактируют с апикальными кониками эпителиальных клеток вкусовых почек. Напротив, обонятельные сигналы генерируются нейронами в специализированных участках носового эпителия и запускаются летучими соединениями. Хотя периферические сенсорные органы для вкуса и запаха совершенно отличны, их сигналы интегрируются в orbitofrontal и др. областях коры головного мозга, чтобы создавать ощущение вкуса и аромата и обеспечивать распознавание пищи (Rolls and Baylis, 1994; Small and Prescott, 2005). Drec также обычно сбивают соматосенсорные ощущения, такие как холод ментола или жгучесть чилийского перца. Короче говоря, ощущение вкуса является сенсорным способом воздействия, генерируемого, когда химические соединения активируют вкусовые почки рта и передают сигналы в специфический регион ствола мозга (ростральное solitary ядро). Capsaicin (активное соединение чилийского перца) и menthol в принципе стимулируют ионные каналы в соматосенсорных нервных волокнах (Caterina et al., 1997; McKemy et al., 2002). Capsaicin и родственные соединения могут стимулировать важные взаимодействия между между соматосенсорными волокнами тройничного нерва (cranial nerve V) в языке и вкусовых почках и тем самым модулировать вкус (Wang et al., 1995; Whitehead et al., 1999). Дополнительные соматосенсорные способы воздействия, такие как текстура и зрительные сигналы, такие как цвет, также существенно влияют на "вкус" пищи (Small and Prescott, 2005). Вкусовое ощущение жиров покоится на пересечении соматосенсорной и вкусовой перцепции. В течение многих лет распознавание пищевого жира рассматривается прежде всего как функция его текстуры и т.о., соматосенсорного происхождения. Свободные жирные кислоты являются мощными вкусовыми стимулами (Gilbertson, 1998; Gilbertson et al., 2005; Laugerette et al., 2005). Они обильны в диете человека, а у некоторых видов, могут продуцироваться, когда липазы слюны быстро гидролизуют заглатываемые триглицериды в ротовой полости (Kawai and Fushiki, 2003). Специфические мембранные рецепторы, существенные для детекции жирных кислот, присутствуют в клетках вкусовых почек (Laugerette et al., 2005; Sclafani et al., 2007; Wellendorph et al., 2009). Т.о., вкусовое ощущение жира может также возникать благодаря распознаванию в виде др. базового вкусового качества (Mattes, 2009). Большинство белков, которые лежат в основе преобразования во вкус сладкого, горького и umami экспрессируются также сенсорными клетками, выстилающими желудок и кишечник. Хемосенсорные клетки в кишечнике детектируют аминокислоты, пептиды, сахара и горькие соединения и отвечают на локально высвобождаемые пептиды (напр., GLP-1). Эти клетки также могут стимулировать блуждающий (vagus) нерв, который посылает сигналы из кишечника в головной мозг (Rozengurt and Sternini, 2007; Kokrashvili et al., 2009b). Всё-же, вряд ли, эта информация вносит вклад в осознанную перцепцию или умение различать сладкое, кислое, соленое и т. д. Эти "taste-like" хемосенсорные клетки, хотя и интересны и, по-видимому, важны не будут здесь обсуждаться. The structure of taste buds and other matters of taste Вкусовые почки являются кластерами из свыше 100 поляризованных нейроэпителиальных клеток, которые образуют компактные столбчатые псевдо-стратифицированные "островки" , внедренные в окружающий многослойный эпителий ротовой полости (Fig. 2 A). У человека имеется приблизительно 5,000 вкусовых почек в ротовой полости, расположенные на верхней поверхности языка, на нёбе и надгортаннике (Miller, 1995). Вкусовые почки всей ротовой полости выполняют сходные функции. Хотя существуют незначительные региональные различия в чувствительности к разным соединениям на поверхности языка , часто упоминаемая концепция "карты языка" , определяющая определенные зоны для сладкого, горького, соленого и кислого, в основном развенчана (Lindemann, 1999). Figure 2. Cell types and synapses in the taste bud. (A) Electron micrograph of a rabbit taste bud showing cells with dark or light cytoplasm, and nerve profiles (arrows). Asterisks mark Type II (receptor) cells. Reprinted with permission from J. Comp. Neurol. (Royer and Kinnamon, 1991). (B) A taste bud from a transgenic mouse expressing GFP only in receptor (Type II) cells. Presynaptic cells are immunostained (red) for aromatic amino acid decarboxylase (a neurotransmitter-synthesizing enzyme that is a marker for these cells), and are distinct from receptor cells, identified by GFP (green). Reprinted with permission from J. Neurosci. (C) Taste buds immunostained for NTPDase2 (an ectonucleotidase associated with the plasma membrane of Type I cells) reveal the thin lamellae (red) of Type I cells. These cytoplasmic extensions wrap around other cells in the taste bud. GFP (green) indicates receptor cells as in B. Bar, 10 µm. Image courtesy of M.S. Sinclair and N. Chaudhari. (D) High magnification electron micrograph of a synapse between a presynaptic taste cell and a nerve terminal (N) in a hamster taste bud. The nucleus (Nu) of the presynaptic cell is at the top, and neurotransmitter vesicles cluster near the synapse(s). The nerve profile includes mitochondria (m) and electron-dense postsynaptic densities. mt, microtubule. Image courtesy of J.C. Kinnamon. Удлиненные клетки вкусовых почек являются зрелыми дифференцированными клетками. Их апикальные кончики непосредственно контактируют с наружной средой в ротовой полости и т.о., воспринимают широкие флюктуации тонуса и осмотических свойств и присутствие потенциально вредных соединений. Следовательно, клетки вкусовых почек, подобно обонятельным нейронам, представлены постоянно обновляющейся популяцией, что совершенно отлично от сенсорных рецепторов для зрения и слуха: фоторецепторов и волосковых клеток. Сегодня ясно, что вкусовые почки взрослых происходят из локального эпителия. По краней мере, некоторые клетки предшественники являются общими для вкусовых почек и стратифицированного нейросенсорного эпителия, окружающего их (Stone et al., 1995; Okubo et al., 2009). Плотные соединения, соединяющие апикальные кончики клеток были замечены на электронных микрографах вкусовых почек от некоторых видов (Murray, 1973, 1993). Типичные компоненты плотных соединений, такие как claudins и ZO-1 выявлены в апикальных соединениях (Michlig et al., 2007). Вкусовые почки, подобно большинству эпителиев препятствуют проникновению воды и многих растворов через свои межклеточные пространства. Несмотря на это, околоклеточные пути через вкусовые почки были продемонстрированы для определенных ионов и неполярных соединений (Ye et al., 1991). В самом деле, проницаемость для Na⁺ в интерстициальные пространства внутри вкусовых почек может вносить вклад в детекцию соленого вкуса (Simon, 1992; Rehnberg et al., 1993). Исходя из строго поляризованной формы вкусовых клеток, относительно мало белков было обнаружено пронизывающими апикальную мембрану. Примеры включают aquaporin-5 (Watson et al., 2007) и K канал, ROMK (Dvoryanchikov et al., 2009). Электронные микрографы вкусовых почек выявляют клетки варьирующей электронной плотности, которые были интерпретированы как отражение продолжающихся стадий дифференцировки или созревания. Однако точный морфометрический анализ (напр., электронной плотности цитоплазмы, формы ядра, длины и толщины микроворсинок и присутствие специализированных химических синапсов) демонстрирует, что клетки вкусовых почек были разного типа (Murray, 1993; Pumplin et al., 1997; Yee et al., 2001). Ультраструктурные признаки служат в качестве основы для новой классификации вкусовых клеток. Вкусовые почки были описаны как содержащие клетки образно названные как Types I, II, и III, и Basal, неполяризованные и, по-видимому, недифференцированные клетки, иногда наз. Type IV. Недостает убедительных аргументов, что эти морфотипы представляют собой разные функциональные классы. Затем исследователи зондировали вкусовые почки с помощью антител как в световом, так и электронном микроскопе, в результате ассоциировали некоторые белковые маркеры с уьтруктурно определенными типами клеток. Эти маркеры включали α-gustducin (избирательную вкусовую Gαсубъединицу, участвующую в трансдукции вкуса) в клетках Type II и SNAP25 (стержневой компонент SNARE комплексов, которые регулируют экзоцитоз синаптических пузырьков) в клетках Type III (Yang et al., 2000; Yee et al., 2001; Clapp et al., 2004). Иммуноокрашивание в парных комбинациях затем было расширено на ряд специфичных вкусовых белков, которые могли быть приписаны исключительно клеткам Type I, II или III. Fig. 2 B демонстрирует четкие отличия между клетками Types II и III, с немногими, если не вообще с отсутствием клеток, обладающих промежуточным паттерном экспрессии генов. Сходным образом клетки Types I и II являются раздельными популяциями (Fig. 2 C). Клетки Type III являются единственными клетками, которые обладают хорошо дифференцированными синапсами (Fig. 2 D). Важный прогресс был достигнут с генерацией трансгенных мышей с GFP, экспрессируемым промоторами избирательно активных клеток Type II или III. Это позволило установить точную интеграцию между функциональными свойствами, морфогенетическими признаками и паттернами генной экспрессии в типах клеток внутри вкусовых почек. Напр., путем комбинирования фиксации потенциала (patch-clamp) и иммуноокрашивания тканей таких мышей, Medler et al. (2003) показали, что эл. напряжением регулируемые токи Ca²⁺, дирижирующие компонентами синапсов, ограничены клетками Type III cells. Напротив, получение картин Ca²⁺ в комбинации с трансгенными маркерами продемонстрировало, что клетки Type II реагируют на сладкие, горькие или umami вкусовые стимулы, так как отсутствуют эл. напряжением управляемые Ca каналы (Clapp et al., 2006; DeFazio et al., 2006). Type I cells. Type I клетки наиболее многочисленны во вкусовых почках с расширенными цитоплазматическими тонкими пластинками (lamellae), которые обтекают (engulf) др. клетки (Fig. 2 C). Type I клетки экспрессируют GLAST, транспортер glutamate, это указывает на то, что они могут быть вовлечены в поглощение глютамата (Lawton et al., 2000). Type I клетки экспрессируют также NTPDase2, с плазматической мембраной связанную nucleotidase, которая гидролизует внеклеточный АТФ (Bartel et al., 2006). АТФ служит в качестве нейротрансмиттера во вкусовых почках (Finger et al., 2005) и глютамат также является кандидатом на роль нейротрансмиттера. Т.о., Type I клетки, по-видимому, участвуют в заключительной синаптической передаче или в ограничении распространения трансмиттеров, роль, выполняемая в ЦНС глиальными клетками. Type I экспрессируют также ROMK, K канал, который может участвовать в гомеостазе K⁺ во вкусовой почке (Dvoryanchikov et al., 2009). Во время продолжительного перемещения потенциала действия, вызываемого интенсивной вкусовой стимуляцией, Type I клетки могут служить, чтобы элиминировать K⁺ (see blue cell in Fig. 3), которые д. накапливаться в ограниченных интерстициальных пространствах и приводить к уменьшению возбудимости Type II и III клеток. Это др. стереотипическая глиальная функция. Patch-clamp исследования подтвердили, что некоторые вкусовые клетки, преимущественно Type I клетки, обладают электрофизиологическими свойствами, такими как неспособность к возбуждению (inexcitability) и высокая resting K⁺ проводимость, также характерными для глии (Bigiani, 2001). Т.о., Type I клетки, по-видимому, в целом функционируют как глия во вкусовых почках. Предупреждением является то, что не все Type I клетки непременно участвуют в каждой из описанных выше глиальных ролей. Figure 3. The three major classes of taste cells. This classification incorporates ultrastructural features, patterns of gene expression, and the functions of each of Types I, II (receptor), and III (presynaptic) taste cells. Type I cells (blue) degrade or absorb neurotransmitters. They also may clear extracellular K+ that accumulates after action potentials (shown as bursts) in receptor (yellow) and presynaptic (green) cells. K+ may be extruded through an apical K channel such as ROMK. Salty taste may be transduced by some Type I cells, but this remains uncertain. Sweet, bitter, and umami taste compounds activate receptor cells, inducing them to release ATP through pannexin1 (Panx1) hemichannels. The extracellular ATP excites ATP receptors (P2X, P2Y) on sensory nerve fibers and on taste cells. Presynaptic cells, in turn, release serotonin (5-HT), which inhibits receptor cells. Sour stimuli (and carbonation, not depicted) directly activate presynaptic cells. Only presynaptic cells form ultrastructurally identifiable synapses with nerves. Tables below the cells list some of the proteins that are expressed in a cell type-selective manner. Наконец, Type I клетки могут обнаруживать ионные токи, влияющие на передачу ощущения соленого (Vandenbeuch et al., 2008). Несмотря на то, что они наиболее многочисленный тип клеток во вкусовых почках, известно немного о Type I клетках. Type II (receptor) cells. Существует небольшая двусмысленность в отношении того, как Type II клетки функционируют во вкусовых почках. Внедрены в плазматическую мембрану этих клеток рецепторы, которые связывают сладкие, горькие или umami соединения. Эти вкусовые рецепторы являются G protein-coupled рецепторами с 7 трансмембранными доменами, хорошо изучены и обсуждаются в разделе "Transduction" ниже (for review see Margolskee, 2002; Breslin and Huang, 2006; Simon et al., 2006). Кроме того, Type II клетки экспрессируют эл. напряжением регулируемые Na и K каналы, существенные для создания потенциала действия, и субъединицы полуканалов, ключевые игроки в вызываемой вкусом секреции АТФ (yellow cell in Fig. 3). Любая данная Type II клетка экспрессирует вкусовые рецепторы GPCRs, специфичные только для одного вкусового качества, такого как сладкого или горького, но не обоих (Nelson et al., 2001). Соотв. данная рецепторная клетка отвечает на стимуляцию лигандами, которые активируют эти рецепторы. Короче, Type II клетки "настроены" на восприятие сладкого, горького или umami вкуса (Tomchik et al., 2007). В честь их роли в качестве первичных детекторов этих классов вкусовых стимулов, Type II клетки были названы "рецепторными" клетками (DeFazio et al., 2006). Type II клетки, по-видимому, не стимулируются непосредственно стимулами кислого или солёного. Курьёзно, но рецепторные клетки не образуют ультраструктурно обнаруживаемых синапсов. Вместо этого нервные волокна, преимущественно вкусовые афферентные волокна, тесно примыкают к этим клеткам (Murray, 1973, 1993; Yang et al., 2000; Yee et al., 2001; Clapp et al., 2004). Сигналы, передаваемые от рецепторных клеток к сенсорным афферентным волокнам или др. клеткам внутри вкусовой почки, осуществляют это с помощью необычных механизмов, т.е. без участия синаптических пузырьков, как будет показано ниже. Type III (presynaptic) cells. Достигнуто соглашение, что Type III клетки (green cell in Fig. 3) экспрессируют белки, ассоциированные в синапсами и что они формируют синаптические соединения с нервными окончаниями (Murray et al., 1969; Murray, 1973, 1993; Yang et al., 2000; Yee et al., 2001). Эти клетки экспрессируют ряд нейрон-подобных генов, включая NCAM, адгезивные молекулы клеточной поверхности, энзимы для синтеза, по крайней мере, двух нейротрансмиттеров и эл. напряжением управляемыми Ca каналами, обычно ассоциированными с высвобождением нейротрансмиттеров (DeFazio et al., 2006; Dvoryanchikov et al., 2007). Type III клетки, экспрессирующие синаптические белки и обнаруживающие зависимые от деполяризации Ca²⁺ переходы (transients) типичных синапсов, были обозначены как "пресинаптические" клетки (DeFazio et al., 2006). Подобно рецепторным клеткам пресинаптические клетки способны к возбуждению и экспрессируют комплект эл. напряжением управляемых Na и K каналов для поддержания потенциала действия (Medler et al., 2003; Gao et al., 2009; Vandenbeuch and Kinnamon, 2009a,b). Происхождение нервных волокон, которые образуют синапсы с Type III клетками, и представляют ли они собой вкусовые афферентные волокна, неизвестно. Помимо этих нейрональных свойств, пресинаптические клетки также отвечают непосредственно на стимулы кислого вкуса и насыщенные углекислотой растворы и являются преимущественно клетками, отвечающими за передачу сигналов этих ощущений (Huang et al., 2006; Tomchik et al., 2007; Huang et al., 2008b; Chandrashekar et al., 2009). Ключевым признаком пресинаптических клеток является то, что они воспринимают стимулы от и интегрируют сигналы, генерируемые рецепторными клетками (see below). Следовательно, в интактных вкусовых почках в отличие от рецепторных клеток, пресинаптические клетки не настроены на специфические вкусовые качества, а вместо этого отвечают широко на сладкие, соленые, кислые, горькие и umami соединения (Tomchik et al., 2007). Хотя пресинаптические клетки обладают многими общими нейрон-подобными характеристиками, очевидно, что они не являются гомогенной популяцией (Tomchik et al., 2007; Roberts et al., 2009). Basal cells. Эта категория описывается как сферические или яйцеобразные клетки, которые не выпускают отростков во вкусовые поры и , по-видимому, являются недифференцированными или незрелыми вкусовыми клетками (Farbman, 1965). неясно все ли базальные клетки внутри вкусовой почки представляют собой общий класс недифференцированных клеток. Четкие маркеры для этих клеток не идентифицированы и точное значение базальных клеток как популяции еще предстоит выяснить. Nerve fibers. Вкусовые почки иннервируются сенсорными нейронами, чьи тела расположены в кластерах, гнездящихся напротив головного мозга (geniculate, petrosal и nodose краниальных ганглиях). У взрослых, каждая вкусовая почка иннервируется 3-14 нейронами сенсорных ганглиев, в зависимости от вида и области рта (язык, нёбо; Krimm and Hill, 1998; Whitehead et al., 1999). Волокна вкусового нерва объединяются с богатыми сплетениями др. нервных волокон под вкусовым эпителием. В отсутствие четких маркеров, чтобы различать их, невозможно различить какие из этих волокон несут вкусовую информацию в противоположность болевым, тактильным и термальным сигналам. Вкусовые аксоны ветвятся и пронизывают базальную пластинку, чтобы проникнуть во вкусовые почки. Хотя некоторые волокна заканчиваются в синаптических структурах на Type III клетках, др. направляются глубоко между вкусовыми клетками, не образуя специализированных синапсов (Farbman, 1965; Murray et al., 1969; Murray, 1973). Это объясняется следующим, сочетанное действие Type I, Type II (рецепторных) и Type III (пресинаптических) клеток лежит в основе восприятия вкуса. Существуют синаптические взаимодействия как прямые связи, так и петли обратной связи между этими клетками, когда вкусовые стимулы активируют вкусовые почки. Beyond the tasty morsel: the underlying molecular mechanisms for nutrient detection Transduction of gustatory stimuli in receptor (Type II) cells. Как было установлено выше, сладкие, umami и горькие соединения, каждый активирует разные вкусовые GPCRs, которые экспрессируются в дискретных наборах рецепторных клеток. Напр., рецепторные клетки, которые экспрессируют членов семейства T2R рецепторов GPCRs, воспринимают горькие соединения (Chandrashekar et al., 2000). У разных млекопитающих 20-35 отдельных генов кодирует членов T2R семейства. Эти вкусовые рецепторы обладают гетерогенными молекулярными рангами рецепции: некоторые узко настроены на 2-4 горькими ощущаемыми соединения, тогда как др. случайно активируются многочисленными лигандами (Meyerhof et al., 2010). На базе in situ гибридизации со смешанными зондами на вкусовых почках грызунов T2Rs обнаруживались или экспрессируемые как перекрывающиеся субнаборы мРНК (Matsunami et al., 2000) или ко-экспрессируемые в одиночной популяции вкусовых клеток (Adler et al., 2000). Недавно детальный анализ, вкусовых почек человека подтвердил, что разные, чувствительные к горкому вкусовые клетки, экспрессируют субнаборы из 4-11 рецепторов T2Rs частично перекрывающимся образом (Behrens et al., 2007). Это наблюдение важно, поскольку оно представляет молекулярную основу для различия разных горьких соединений. Ощущающие горечь вкусовые клетки, как известно, функционально отличают горькие соединения (Caicedo and Roper, 2001). Такой паттерн экспрессии T2R, вместе с полиморфизмом внутри семейства генов позволяет человеку и животным воспринимать огромное количество потенциально токсичных горьких соединений, обнаруживаемых в природе (Drayna, 2005). Рецепторные клетки, экспрессирующие гетеродимерые T1R2+T1R3 реагируют на сахара, синтетические сладости и белки со сладковытым вкусом, такие как monellin и brazzein (Nelson et al., 2001; Jiang et al., 2004; Xu et al., 2004). Хотя сохранение чувствительности к некоторым сахарам у мышей, лишенных T1R3, указывает на то, что могут существовать дополнительные рецевторы сладкого (Damak et al., 2003), такие рецепторы кандидаты пока не идентифицированы. Третьий класс рецепторных клеток экспрессирует гетеродимерные GPCR, T1R1+T1R3, которые отвечают на umami стимулы, в особенности на комбинацию l-glutamate и GMP/IMP, соединений, которые накапливаются в большей части пищи после гидролиза белков и NTPs (Li et al., 2002; Nelson et al., 2002). Несмотря на это сильная физиологическая реакция и поведенческое предпочтение на umami tastants сохраняется у мышей, которые накаутированы по T1R3, указывая на то. что дополнительные вкусовые рецепторы могут вносить вклад в детекцию umami (Damak et al., 2003; Maruyama et al., 2006; Yasumatsu et al., 2009). Функциональные реакции на различные umami tastants осуществляются в разных субнаборах клеток внутри вкусовых почек (Maruyama et al., 2006) , а нейральные реакции обнаруживают сходные гетерогенные паттерны (Yoshida et al., 2009b), эти наблюдения указывают на то, что восприятие umami сложное и скорее всего, обеспечивается посредством множественных типов вкусовых рецепторов. Итак, хотя T1R1+T1R3 димеры четко действуют как рецепторы umami, дополнительные GPCRs могут играть комплементарные роли. Кандидатами на роль дополнительных рецепторов umami являются вкус-специфические варианты или др. изоформы G protein-coupled glutamate рецепторов, экспрессирующихся во вкусовых почках (Chaudhari et al., 2000; Li et al., 2002; Nelson et al., 2002; San Gabriel et al., 2009). Рецепторы T1Rs являются димерным Class III GPCRs, с крупным N-терминальными внеклеточными доменами (Max et al., 2001). Этот домен формирует структуру Venus Flytrap как и у др. членов семейства. T1Rs также обладают массой дополнительных сайтов, связывающих лиганды, на наружной стороне "мухоловки" (flytrap), в линкерной и даже в плоскости мембраны (Cui et al., 2006; Temussi, 2009). Напротив, T2Rs напоминают Class I GPCRs с сайтами связывания в трансмембранных спиралях, что согласуется с неполярной природой многих горьких лигандов (Floriano et al., 2006). Когда они связывают вкусовые молекулы, то вкусовые рецепторы GPCRs активируют гетеротримерные GTP-связывающие белки (Fig. 4 A). Напр., рецепторы горького (T2Rs) коэкспрессируются с и активируют taste-избирательную Gα субъединицу, α-gustducin, и близко родственный α-transducin (Ruiz-Avila et al., 1995). Вкусовые рецепторы, которые включают T1R3, могут соединяться с Gα14 и др. Gα субъединицами (Tizzano et al., 2008). Несмотря на эту очевидную избирательность вкусовых GPCRs в отношении Gα субъединиц, принципиальный путь для вкусового преобразования осуществляется посредством Gβγ, включая Gγ13 и Gβ1 или Gβ3 (Huang et al., 1999). После связывания лиганда, Gβγ субъединицы освобождаются от вкусового GPCR и взаимодействуют функционально с phospholipase, PLCβ2, необычной изоформой, которая активируется с помощью Gβγ скорее, чем более распространенной Gαq семейства субъединиц (Rossler et al., 1998). Выведение из строя PLCβ2 сильно снижает, но не элиминирует вкусовую чувствительность (Zhang et al., 2003; Dotson et al., 2005). PLCβ2 стимулирует синтез IP₃, который открывает IP₃R3 ионные каналы на эндоплазматическом ретикулеме, высвобождая Ca²⁺ в цитозоль рецепторных клеток (Simon et al., 2006; Roper, 2007). Повышение внутриклеточного Ca²⁺, по-видимому, имеет две мишени на плазматической мембране: избирательный ко вкусу катионовый канал, TRPM5, и полуканал щелевых соединений, оба в рецепторных клетках (Perez et al., 2002; Huang et al., 2007). Ca²⁺-зависимое открытие TRPM5 создает деполяризующий генераторный потенциал в рецепторных клетках (Liu and Liman, 2003). Если они достаточно большие, то генераторные потенциалы возбуждают потенциалы действия в рецепторных клетках. Два сигнала, выявляемые с помощью tastants: сильная деполяризация и повышенный цитоплазматический Ca²⁺, интегрируются с помощью полуканалов щелевых соединений. Результатом такой конвергенции является то, что трансмиттер вкусовой почки , АТФ, и возможно др. молекулы, секретируются через поры полуканалов во внеклеточное пространство, окружающее активированную рецепторную клетку (Fig. 3, yellow cell; and Fig. 4 A; Huang et al., 2007; Romanov et al., 2007; Huang and Roper, 2010). Figure 4. Mechanisms by which five taste qualities are transduced in taste cells. (A) In receptor (Type II) cells, sweet, bitter, and umami ligands bind taste GPCRs, and activate a phosphoinositide pathway that elevates cytoplasmic Ca2+ and depolarizes the membrane via a cation channel, TrpM5. The combined action of elevated Ca2+ and membrane depolarization opens the large pores of gap junction hemichannels, likely composed of Panx1, resulting in ATP release. Shown here is a dimer of T1R taste GPCRs (sweet, umami). T2R taste GPCRs (bitter) do not have extensive extracellular domains and it is not known whether T2Rs form multimers. (B) In presynaptic (Type III) cells, organic acids (HAc) permeate through the plasma membrane and acidify the cytoplasm where they dissociate to acidify the cytosol. Intracellular H+ is believed to block a proton-sensitive K channel (as yet unidentified) and depolarize the membrane. Voltage-gated Ca channels would then elevate cytoplasmic Ca2+ to trigger exocytosis of synaptic vesicles (not depicted). (C) The salty taste of Na+ is detected by direct permeation of Na+ ions through membrane ion channels, including ENaC, to depolarize the membrane. The cell type underlying salty taste has not been definitively identified. Хотя большинство исследователей согласны, что высвобождение АТФ происходит посредством полуканалов плазматической мембраны, формируются эти каналы с помощью субъединиц pannexin (Panx) или connexin (Cx), не вполне ясно. Panx1 активно экспрессируется в рецепторных клетках, тогда как некоторые субъединицы Cx экспрессируются на более умеренных уровнях (Huang et al., 2007; Romanov et al., 2007). Хотя щелевые соединения преимущественно формируются коннексинами между клетками во вкусовых почках млекопитающих (Yoshii, 2005), но от такие соединений нельзя ожидать секреции АТФ во внеклеточное пространство. Принципиальным аргументом в пользу Cx полуканалов во вкусовых клетках является то, что блокируется действие определенных изоформ-специфичных mimetic пептидов. Однако специфичность таких пептидов недавно была поставлена под вопрос (Wang et al., 2007). Наконец, Panx1 полуканалы остаются открытыми (gated open) за счет повышенного цитоплазматического Ca²⁺ и/или мембранной деполяризации (Locovei et al., 2006). Высвобождение АТФ из вкусовых клеток сходным образом обусловливается как Ca²⁺, так и эл. напряжением (Huang and Roper, 2010). Напротив, Cx полуканалы обычно открыты только в отсутствие внеклеточного Ca²⁺ и обычно блокированы повышенным цитоплазматическим Ca²⁺. Далее, Panx1-селективные антагонисты блокируют вызываемую вкусовым воздействием секрецию АТФ (Huang et al., 2007; Dando and Roper, 2009). Т.о., большинство доказательств свидетельствует в пользу высвобождения АТФ посредством Panx1 полуканалов в рецепторных клетках. Тем не менее идеальным тестом для решения этого вопроса, высвобождения АТФ из вкусовых клеток посредством Panx1 или Cx станут нокаутные мыши. Presynaptic (Type III) cells also detect some taste stimuli. Пресинаптические клетки обладают очень отличающейся вкусовой чувствительностью и трансдукционными механизмами по сравнению с рецепторными клетками. Стимулы кислого вкуса (кислот) возбуждают пресинаптические клетки (Tomchik et al., 2007). Мембранные рецепторы или ионные каналы, которые преобразуют кислотные стимулы, еще предстоит выяснить. Не-селективные катионовые каналы, формируемые с помощью PKD2L1 и PKD1L3, были предложены в качестве кандидатов на роль рецепторов кислого вкуса (Huang et al., 2006; Ishimaru et al., 2006; LopezJimenez et al., 2006). Всё же этот канал чувствителен ко внеклеточному pH скорее, чем к снижению цитоплазматического pH, которое, как известно, является непосредственным стимулом восприятия кислого (Fig. 4 B; Lyall et al., 2001; Huang et al., 2008b). Далее, мыши, лишенные PKD1L3, остаются способными к детекции кислых вкусовых стимулов (Nelson et al., 2010). Наиболее вероятным кандидатом на роль кислотных рецепторов в Type III клетках являются каналы плазматической мембраны, которые модулируются ацидификацией цитоплазмы, такие как определенные K каналы (Lin et al., 2004; Richter et al., 2004). Пресинаптические клетки также ощущают обогащение углекислотой (carbonation), частично посредством действия carbonic anhydrase, которая продуцирует протоны и тем самым ацидифицирует среду (Graber and Kelleher, 1988; Simons et al., 1999; Chandrashekar et al., 2009). Полный путь трансдукции для carbonation и ощущения кислого ещё полностью не описан. Salt detection and transduction. Вкусовые почки ощущают соли Na после непосредственного проникновения Na⁺ через апикальные ионные каналы и деполяризации вкусовых клеток. Ионный канал, который давно уже считался как обеспечивающий это действие, это amiloride-чувствительный epithelial Na channel, ENaC (Fig. 4 C; Heck et al., 1984; Lin et al., 1999; Lindemann, 2001). Это мнение недавно было подтверждено с помощью нокаута критической субъединицы ENaC, который нарушал детекцию вкуса соленого (Chandrashekar et al., 2010). Это исследование не смогло оценить чувствительность к соли для любого из известных типов вкусовых клеток, но patch-clamp исследования показали, что клетки, ощущающие Na⁺ это Type I клетки (Vandenbeuch et al., 2008). Фармакологические и др. доказательства показали, что солевая трансдукция у человека и модельных животных также осуществляется посредством дополнительных мембранных рецепторов или ионных каналов. Хотя модифицированный TrpV1 канал и был предложен в качестве кандидата на роль Na⁺ вкусового трансдуктора, но нокаутные мыши обнаруживали минимальное фенотипическое отклонение в отношении детекции соли (Ruiz et al., 2006; Treesukosol et al., 2007). Information processing and cell-to-cell signaling in taste buds: teasing apart our taste response Transmitters and information flow. Рецепторные и пресинаптические клетки высвобождают разные нейротрансмиттеры (Huang et al., 2007). Кстати, рецепторные клетки. как известно, высвобождают только АТФ, посредством pannexin каналов, как было показано выше. Пресинаптические клетки, с др. стороны, секретируют серотонин (5-HT) и norepinephrine (NE). В некоторых случаях пресинаптические клетки высвобождают оба амина одновременно (Dvoryanchikov et al., 2007; Huang et al., 2008a). Секреция этих биогенных аминов осуществляется посредством обычного Ca²⁺-зависимого экзоцитоза. Кластеры из моноаминергических пузырьков присутствуют в синапсах на электронных микрографах мышиных пресинаптических клеток (Takeda and Kitao, 1980). Вкусовые стимулы инициируют последовательность химических сигналов, которые проходят между клетками во вкусовую почку. Если сладкие, горькие или umami tastants возбуждают вкусовые почки, то АИФ секретируется из рецепторных клеток и стимулирует вкусовые афферентные нервные волокна. В то же самое время АТФ также возбуждает соседние пресинаптические клетки и стимулирует их к высвобождению 5-HT и/или NE. АТФ, секретируемый во время стимуляции вкуса, имеет и третью мишень, а именно сами рецепторные клетки. АТФ, действующий как аутокринный трансмиттер, обеспечивает позитивную обратную связь на рецепторную клетку, увеличивая её собственную секрецию и возможно противодействуя её деградации за счет ecto-ATPase (Huang et al., 2009; Fig. 3). Серотонин 5-HT, высвобождаемый пресинаптическими клетками также может иметь множественные мишени. Одним из эффектов 5-HT является ингибирование рецепторных клеток. Значит, 5-HT осуществляет на рецепторные клетки. Противоположные эффекты позитивной (purinergic аутокринной) и негативной (serotonergic паракринной) обратной связи во вкусовых почках во время активации вкуса комбинируются, чтобы сформировать сигналы, передаваемые от вкусовых почек в задний мозг. Однако детали того, как эти пути обратной связи сбалансированы, чтобы создавать конечный сенсорный результат, ожидают экспериментального решения. Можно предположить, что 5-HT обусловливает "латеральное ингибирование", супрессируя исходящие сигналы от соседний рецепторных (напр., горького) клеток, когда в в особенности стимулируются (напр., сигналы сладкого) в рецепторных клетках. Напротив, негативная петля обратной связи может участвовать в сенсорной адаптации путем снижения афферентного сигнала с течением времени. Др. места действия 5-HT (и NE) возможно включают нервные волокна, которые образуют синапсы с пресинаптическими вкусовыми клетками. Очень возможно, что существуют параллельно purinergic и serotonergic сигналы от вкусовых почек и параллельно информационные пути, ведущие в задний мозг. Пока это только предположение (Roper, 2009). Итак, (see Fig. 3), рецепторные клетки выявляют и различают сладкие, горькие или umami tastants, генерируя Ca²⁺ сигналы и высвобождая АТФ трансмиттер на афферентные нервные волокна. АТФ из разных рецепторных клеток конвергируют и продуцируют вторичное возбуждение пресинаптических клеток, тем самым интегрируются сигналы, представляющие все три вкусовые качества (Tomchik et al., 2007). Пока неясно, каковы вторичные реакции пресинаптических клеток на стимулы сладкого, горького и umami необходимы для идентификации или различения этих вкусовых качеств. первичные сигналы в пресинаптических клетках генерируются только кислыми tastants, и это единственное вкусовое качество, которое теряется, когда устраняются пресинаптические клетки (Huang et al., 2006). Cracking the taste code. Вкусовые афферентные нервные волокна передают информацию от вкусовых почек в головной мозг. Как активация рецепторных и пресинаптических клеток во время вкусовой стимуляции транслируется в нервный код, который специфицирует разные вкусовые качества (сладкого, горького и т.д.) , остается неясным. Обсуждаются два противоположных объяснения этой логической задачи. С одной стороны, постулируется, что нервные волокна ("меченные линии") д. передавать каждое вкусовое качество, напр., "горькие" клетки, "горькие" волокна и "горькие" нейроны на каждом последовательном этапе передачи в головной мозг. С др. стороны, комбинаторная система д. обладать способностью кодировать за счет паттернов активности нескольких волокон. В последнем случае любое данное волокно может передавать информацию о более чем одном вкусовом качестве. Третье, менее обсуждаемое мнение, заключается в том, что существует временной код, в котором качество может быть детерминировано временным паттерном потенциалов действия, так как это происходит в слуховых волокнах. Вопрос кодирования может быть разрешен посредством генетических манипуляций и физиологических и поведенческих испытаний. Электрофизиологические записи с одиночных афферентных волокон или с их родительских сенсорных ганглиолярных клеток показывают, что некоторые нейроны отвечают строго на одно вкусовое качество (обычно сладость), но также обнаруживают слабые реакции на др. вкусовые воздействия. Напротив, др. афферентные нейроны возбуждаются многими вкусовыми воздействиями, т.e. реагируют широко (Hellekant et al., 1997; Frank et al., 2008; Breza et al., 2010). Т.о., афферентные вкусовые нейроны обнаруживают профили ответов, сходные как с узко настроенными рецепторными клетками вкусовых почек, так и с широко настроенными пресинаптическими клетками. Паттерн активности афферентных нейронов отражает гетерогенность клеточных реакций вкусовой почки (Gilbertson et al., 2001; Caicedo et al., 2002; Tomchik et al., 2007; Yoshida et al., 2009a; Breza et al., 2010) и указывает на то, что нервная активность, кодирующая вкус, не не следует простой строго предназначенной labeled-line логике. Следовательно, "bitter-specific," "sour-specific," и т.д. афферентные сенсорные нейроны и последующие нейроны в сети-обязательные компоненты labeled-line кодирования-никогда не были описаны. Аргумент в пользу кодирования мечением линии представлен на базе результатов замещения модифицированного опиоидного рецептора на место рецепторов горького или сладкого во вкусовых почках (Zhao et al., 2003; Mueller et al., 2005). Мыши с преобразованным этим чужеродным рецептором в "сладких" рецепторных клетках строго предпочитали и обильно потребляли растворы синтетического лиганда для модифицированного рецептора, как если бы соединение воспринималось как сладость. Для нормальных мышей лиганд оставался неопределимым на вкус. Напротив, когда опиоидный рецептор поставлялся в "горькие" рецепторные клетки, то то же самый лиганд вызывал отвращение. Хотя это было представлено, как подтверждение labeled-line кодирования, но логика д.б. пересмотрена (logic bears reexamining), с учетом примера компьютерной клавиатуры. Нажатие клавиши "A" активирует комбинацию электронных сигналов, которые ведут к высвечиванию комбинации пикселей, чтобы воссоздать эту букву на экране. Если же пластиковая клавиша ("рецептор") на клавиатуре был изменен, то нажатие на замещенную клавишу по-прежнему будет продуцировать букву "A" на экране. Эксперимент не информирует об электронном кодировании, которое выпадает из рассмотрения между двумя видимыми событиями и не предполагает, что меченные линии связывают основание клавиши с определенными пикселями. Исследователи хемосенсорики согласны, что существуют меченные вкусовые клетки. Мечение линий остается противоречивым. Итак, сладкие, горькие и umami клетки, все секретируют один и тот же нейротрансмиттер, АТФ, на афферентные волокна. Дискретные синапсы отсутствуют, которые могли бы связывать рецепторные клетки с сенсорными афферентными волокнами, чтобы передавать одиночное вкусовое качество. Хотя некоторые вкусовые клетки и сенсорные афферентные волокна тонко настроены, др. отвечают на многие вкусовые качества. Т.о., остается открытым вопрос о том, как в точности собираемая информация с помощью окончательно дифференцированной рецепторной клетки во вкусовой почке "кодируется" для окончательной перцепции разных вкусовых качеств. Future directions in taste research Taste research, although making tremendous strides in recent years, has exposed major gaps in our understanding. Among the open questions is the molecular identification of additional taste receptors. Known taste receptors do not account for all ligands and sensory characteristics for sweet and umami tastes. It is likely that there are additional, undiscovered sweet and umami receptors (Chaudhari et al., 2009). There is also the question of transduction mechanisms for some of the less-studied qualities such as sour, fatty, metallic, and astringent. Solving these may require combining molecular and population genetic analyses on human or mouse populations along with more conventional expression studies. Another area of intense investigation is how gustatory signals are encoded by the nervous system. The principles of sensory coding from the retina to visual cortex were elucidated decades ago. We have a sound understanding of tonotopic and computational maps for the auditory system. Lateral inhibition and somatosensory receptive fields are well defined. Comparable insights into taste are lacking and we still do not understand how the brain distinguishes sweet, sour, salty, and so forth. If taste does not follow a simple labeled-line code, how are gustatory signals transmitted and deciphered? Ongoing studies include the possibility that taste is encoded in the time domain, i.e., by the frequency and pattern of action potentials in hindbrain and cortical neurons (Di Lorenzo et al., 2009; Miller and Katz, 2010). Other laboratories are exploring higher-order cortical processing via functional magnetic resonance imaging to address the interaction between taste detection, preference, and appetite regulation (Rolls, 2006; Small et al., 2007; Accolla and Carleton, 2008). A critical chasm in our understanding of taste is how gustatory mechanisms are linked to mood, appetite, obesity, and satiety. The obvious link is that taste guides and to a large extent determines food selection, with salty, sweet, and fat tastes being the main actors. A fascinating link between appetite and moods is that serotonin-enhancing drugs, commonly used for treating mood disorders and depression, were shown to influence taste thresholds (Heath et al., 2006). Whether the mechanism of this action depends on the inhibitory action of 5-HT in taste buds remains to be determined, but the findings are intriguing (Kawai et al., 2000). Cracks in the hard nut of appetite regulation are exposing a new dimension of taste—the impact of appetite-regulating hormones on peripheral gustatory sensory organs. A number of neuropeptide hormones activate hypothalamic and hindbrain circuits that regulate appetite. We are now learning that several of these same peptide hormones, including leptin, glucagon-like peptide, and oxytocin, modulate chemosensory transduction at the level of the taste bud. Circulating leptin, acting directly on taste receptor cells, reduces sweet responses measured in taste buds, in afferent nerves, and by behavioral tests (Kawai et al., 2000; Nakamura et al., 2008). Circulating oxytocin, another anorectic peptide, also acts on taste buds (Sinclair et al., 2010). Blood-delivered satiety peptides may be ideal candidates for integrating sensory and motivational drivers of appetite. Additional satiety peptides, including glucagon-like peptide-1, are synthesized within taste buds and act on taste cells or nerves (Shin et al., 2008). This research might provide avenues into therapeutic approaches for obesity, and at a minimum further help explain the seemingly insatiable human drive to consume calories. Finally, another new direction for taste research is the presence of taste receptors and their downstream intracellular effectors in sensory cells of the gut (Rozengurt and Sternini, 2007; Kokrashvili et al., 2009a). The existence of these “taste” mechanisms in the gut is perhaps not surprising, given the importance of sensing the chemical nature of luminal contents at all points along the GI tract. However, the findings have generated new excitement in understanding how the gut participates in detecting and controlling appetite in general, and digestive processes in particular.

Taste: our most intrepid sense

Sampling the environment through our sense of taste.

Вкус является сенсорной модальностью, которая позволяет организмам идентифицировать и потреблять пищу, избегая токсинов и несъедобных материалов. У человека это способ распознавать и различать сладкое, горькое, кислое, соленое и umami-т.наз. "базовые" вкусовые ощущения (Fig. 1). Существую, скорее всего, дополнительные качества, такие как жиры, металлы и др., которые также можно рассматривать как базовые вкусы. Каждый из них, как полагают, представляет собой разные пищевые или физиологические потребности или предупреждает о потенциальном вреде пищи. Т.о., ощущение сладкого в пище передает сигнал о присутствии углеводов, которые служат источником энергии. Восприятие соленого управляет потреблением Na⁺ и др. солей, важных для поддержания водного баланса в теле и кровообращения. Мы обычно полагаем, что umami, восприятие вкуса l-glutamate и некоторых др. l-аминокислот, отражает содержание белков в пище. Эти стабильные аминокислоты и нуклеотидные монофосфаты являются результатом естественно протекающего гидролиза во время старения и лечения. Восприятие горького является врожденным отвращением и, как полагают, защищает от потребления ядов, большинство из которых вызывают ощущение горького у людей. Кислый вкус сигнализирует о присутствии пищевых кислот. Поскольку ощущение кислого обычно вызывает отвращение, то мы избегаем потребления избытка кислот и перенапряжения механизмов, которые поддерживают баланс кислот и оснований в теле. Более того, испорченная пища часто кислая и поэтому отталкивает. Несмотря на это, люди научились претерпевать и даже предпочитают определенные соединения с горьким и кислым вкусом, такие как кофеин и лимонная кислота (напр., в сладких пирогах с цитрусовыми), преодолевая врожденные вкусовые реакции. Вариации во вкусовых восприятиях могут возникать в результате генетических отличий во вкусовых рецепторах и могут быть важным следствием в выборе пищи, в питании и здоровье (Drayna, 2005; Kim and Drayna, 2005; Dotson et al., 2008; Shigemura et al., 2009).

Figure 1. Taste qualities, the taste receptors that detect them, and examples of natural stimuli. Five recognized taste qualities-sweet, sour, bitter, salty, and umami-are detected by taste buds. Bitter taste is thought to protect against ingesting poisons, many of which taste bitter. Sweet taste signals sugars and carbohydrates. Umami taste is elicited by l-amino acids and nucleotides. Salty taste is generated mainly by Na+ and sour taste potently by organic acids. Evidence is mounting that fat may also be detected by taste buds via dedicated receptors. The names of taste receptors and cartoons depicting their transmembrane topology are shown outside the perimeter. Bitter is transduced by G protein-coupled receptors similar to Class I GPCRs (with short extracellular N termini). In contrast, sweet and umami are detected by dimers of Class III GPCRs (with long N termini that form a globular extracellular ligand-binding domain). One of the receptors for Na+ salts is a cation channel composed of three subunits, each with two transmembrane domains. Membrane receptors for sour and fat are as yet uncertain.

Важно, если нераспознанный аспект вкуса является тем, который выполняет дополнительные функции помимо пищевых предпочтений. Стимуляция вкусовых почек инициирует физиологические рефлексы, которые подготавливают кишечник к абсорбции (высвобождению пищеварительных ферментов, инициации перистальтики, повышению кровотока в брыжейке) и др. органы к метаболической подготовке (высвобождению инсулина, активации симпатической системы коричневой жироваой ткани, повышению сердцебиений; Giduck et al., 1987; Mattes, 1997). В целом эти рефлексы, которые запускаются при сенсорном (вид, запах, вкус) распознавании пищи наз. цефалическими фазовыми реакциями (cephalic phase responses).

table: In a new window

Diverse sensory inputs tickle our taste buds.

Вкус обычно сбивают приправы, комбинированное сенсорное переживание обоняния и вкуса. Вкусовые сигналы возникают в сенсорных конечных органах ротовой полости-вкусовых точках-и запускаются с помощью растворимых в воде соединений, которые контактируют с апикальными кониками эпителиальных клеток вкусовых почек. Напротив, обонятельные сигналы генерируются нейронами в специализированных участках носового эпителия и запускаются летучими соединениями. Хотя периферические сенсорные органы для вкуса и запаха совершенно отличны, их сигналы интегрируются в orbitofrontal и др. областях коры головного мозга, чтобы создавать ощущение вкуса и аромата и обеспечивать распознавание пищи (Rolls and Baylis, 1994; Small and Prescott, 2005).

Drec также обычно сбивают соматосенсорные ощущения, такие как холод ментола или жгучесть чилийского перца. Короче говоря, ощущение вкуса является сенсорным способом воздействия, генерируемого, когда химические соединения активируют вкусовые почки рта и передают сигналы в специфический регион ствола мозга (ростральное solitary ядро). Capsaicin (активное соединение чилийского перца) и menthol в принципе стимулируют ионные каналы в соматосенсорных нервных волокнах (Caterina et al., 1997; McKemy et al., 2002). Capsaicin и родственные соединения могут стимулировать важные взаимодействия между между соматосенсорными волокнами тройничного нерва (cranial nerve V) в языке и вкусовых почках и тем самым модулировать вкус (Wang et al., 1995; Whitehead et al., 1999). Дополнительные соматосенсорные способы воздействия, такие как текстура и зрительные сигналы, такие как цвет, также существенно влияют на "вкус" пищи (Small and Prescott, 2005).

Вкусовое ощущение жиров покоится на пересечении соматосенсорной и вкусовой перцепции. В течение многих лет распознавание пищевого жира рассматривается прежде всего как функция его текстуры и т.о., соматосенсорного происхождения. Свободные жирные кислоты являются мощными вкусовыми стимулами (Gilbertson, 1998; Gilbertson et al., 2005; Laugerette et al., 2005). Они обильны в диете человека, а у некоторых видов, могут продуцироваться, когда липазы слюны быстро гидролизуют заглатываемые триглицериды в ротовой полости (Kawai and Fushiki, 2003). Специфические мембранные рецепторы, существенные для детекции жирных кислот, присутствуют в клетках вкусовых почек (Laugerette et al., 2005; Sclafani et al., 2007; Wellendorph et al., 2009). Т.о., вкусовое ощущение жира может также возникать благодаря распознаванию в виде др. базового вкусового качества (Mattes, 2009).

Большинство белков, которые лежат в основе преобразования во вкус сладкого, горького и umami экспрессируются также сенсорными клетками, выстилающими желудок и кишечник. Хемосенсорные клетки в кишечнике детектируют аминокислоты, пептиды, сахара и горькие соединения и отвечают на локально высвобождаемые пептиды (напр., GLP-1). Эти клетки также могут стимулировать блуждающий (vagus) нерв, который посылает сигналы из кишечника в головной мозг (Rozengurt and Sternini, 2007; Kokrashvili et al., 2009b). Всё-же, вряд ли, эта информация вносит вклад в осознанную перцепцию или умение различать сладкое, кислое, соленое и т. д. Эти "taste-like" хемосенсорные клетки, хотя и интересны и, по-видимому, важны не будут здесь обсуждаться.

The structure of taste buds and other matters of taste

Вкусовые почки являются кластерами из свыше 100 поляризованных нейроэпителиальных клеток, которые образуют компактные столбчатые псевдо-стратифицированные "островки" , внедренные в окружающий многослойный эпителий ротовой полости (Fig. 2 A). У человека имеется приблизительно 5,000 вкусовых почек в ротовой полости, расположенные на верхней поверхности языка, на нёбе и надгортаннике (Miller, 1995). Вкусовые почки всей ротовой полости выполняют сходные функции. Хотя существуют незначительные региональные различия в чувствительности к разным соединениям на поверхности языка , часто упоминаемая концепция "карты языка" , определяющая определенные зоны для сладкого, горького, соленого и кислого, в основном развенчана (Lindemann, 1999).

Figure 2. Cell types and synapses in the taste bud. (A) Electron micrograph of a rabbit taste bud showing cells with dark or light cytoplasm, and nerve profiles (arrows). Asterisks mark Type II (receptor) cells. Reprinted with permission from J. Comp. Neurol. (Royer and Kinnamon, 1991). (B) A taste bud from a transgenic mouse expressing GFP only in receptor (Type II) cells. Presynaptic cells are immunostained (red) for aromatic amino acid decarboxylase (a neurotransmitter-synthesizing enzyme that is a marker for these cells), and are distinct from receptor cells, identified by GFP (green). Reprinted with permission from J. Neurosci. (C) Taste buds immunostained for NTPDase2 (an ectonucleotidase associated with the plasma membrane of Type I cells) reveal the thin lamellae (red) of Type I cells. These cytoplasmic extensions wrap around other cells in the taste bud. GFP (green) indicates receptor cells as in B. Bar, 10 µm. Image courtesy of M.S. Sinclair and N. Chaudhari. (D) High magnification electron micrograph of a synapse between a presynaptic taste cell and a nerve terminal (N) in a hamster taste bud. The nucleus (Nu) of the presynaptic cell is at the top, and neurotransmitter vesicles cluster near the synapse(s). The nerve profile includes mitochondria (m) and electron-dense postsynaptic densities. mt, microtubule. Image courtesy of J.C. Kinnamon.

Удлиненные клетки вкусовых почек являются зрелыми дифференцированными клетками. Их апикальные кончики непосредственно контактируют с наружной средой в ротовой полости и т.о., воспринимают широкие флюктуации тонуса и осмотических свойств и присутствие потенциально вредных соединений. Следовательно, клетки вкусовых почек, подобно обонятельным нейронам, представлены постоянно обновляющейся популяцией, что совершенно отлично от сенсорных рецепторов для зрения и слуха: фоторецепторов и волосковых клеток. Сегодня ясно, что вкусовые почки взрослых происходят из локального эпителия. По краней мере, некоторые клетки предшественники являются общими для вкусовых почек и стратифицированного нейросенсорного эпителия, окружающего их (Stone et al., 1995; Okubo et al., 2009).

Плотные соединения, соединяющие апикальные кончики клеток были замечены на электронных микрографах вкусовых почек от некоторых видов (Murray, 1973, 1993). Типичные компоненты плотных соединений, такие как claudins и ZO-1 выявлены в апикальных соединениях (Michlig et al., 2007). Вкусовые почки, подобно большинству эпителиев препятствуют проникновению воды и многих растворов через свои межклеточные пространства. Несмотря на это, околоклеточные пути через вкусовые почки были продемонстрированы для определенных ионов и неполярных соединений (Ye et al., 1991). В самом деле, проницаемость для Na⁺ в интерстициальные пространства внутри вкусовых почек может вносить вклад в детекцию соленого вкуса (Simon, 1992; Rehnberg et al., 1993).

Исходя из строго поляризованной формы вкусовых клеток, относительно мало белков было обнаружено пронизывающими апикальную мембрану. Примеры включают aquaporin-5 (Watson et al., 2007) и K канал, ROMK (Dvoryanchikov et al., 2009).

Электронные микрографы вкусовых почек выявляют клетки варьирующей электронной плотности, которые были интерпретированы как отражение продолжающихся стадий дифференцировки или созревания. Однако точный морфометрический анализ (напр., электронной плотности цитоплазмы, формы ядра, длины и толщины микроворсинок и присутствие специализированных химических синапсов) демонстрирует, что клетки вкусовых почек были разного типа (Murray, 1993; Pumplin et al., 1997; Yee et al., 2001). Ультраструктурные признаки служат в качестве основы для новой классификации вкусовых клеток. Вкусовые почки были описаны как содержащие клетки образно названные как Types I, II, и III, и Basal, неполяризованные и, по-видимому, недифференцированные клетки, иногда наз. Type IV. Недостает убедительных аргументов, что эти морфотипы представляют собой разные функциональные классы.

Затем исследователи зондировали вкусовые почки с помощью антител как в световом, так и электронном микроскопе, в результате ассоциировали некоторые белковые маркеры с уьтруктурно определенными типами клеток. Эти маркеры включали α-gustducin (избирательную вкусовую Gαсубъединицу, участвующую в трансдукции вкуса) в клетках Type II и SNAP25 (стержневой компонент SNARE комплексов, которые регулируют экзоцитоз синаптических пузырьков) в клетках Type III (Yang et al., 2000; Yee et al., 2001; Clapp et al., 2004). Иммуноокрашивание в парных комбинациях затем было расширено на ряд специфичных вкусовых белков, которые могли быть приписаны исключительно клеткам Type I, II или III. Fig. 2 B демонстрирует четкие отличия между клетками Types II и III, с немногими, если не вообще с отсутствием клеток, обладающих промежуточным паттерном экспрессии генов. Сходным образом клетки Types I и II являются раздельными популяциями (Fig. 2 C). Клетки Type III являются единственными клетками, которые обладают хорошо дифференцированными синапсами (Fig. 2 D). Важный прогресс был достигнут с генерацией трансгенных мышей с GFP, экспрессируемым промоторами избирательно активных клеток Type II или III. Это позволило установить точную интеграцию между функциональными свойствами, морфогенетическими признаками и паттернами генной экспрессии в типах клеток внутри вкусовых почек. Напр., путем комбинирования фиксации потенциала (patch-clamp) и иммуноокрашивания тканей таких мышей, Medler et al. (2003) показали, что эл. напряжением регулируемые токи Ca²⁺, дирижирующие компонентами синапсов, ограничены клетками Type III cells. Напротив, получение картин Ca²⁺ в комбинации с трансгенными маркерами продемонстрировало, что клетки Type II реагируют на сладкие, горькие или umami вкусовые стимулы, так как отсутствуют эл. напряжением управляемые Ca каналы (Clapp et al., 2006; DeFazio et al., 2006).

Type I cells.

Type I клетки наиболее многочисленны во вкусовых почках с расширенными цитоплазматическими тонкими пластинками (lamellae), которые обтекают (engulf) др. клетки (Fig. 2 C). Type I клетки экспрессируют GLAST, транспортер glutamate, это указывает на то, что они могут быть вовлечены в поглощение глютамата (Lawton et al., 2000). Type I клетки экспрессируют также NTPDase2, с плазматической мембраной связанную nucleotidase, которая гидролизует внеклеточный АТФ (Bartel et al., 2006). АТФ служит в качестве нейротрансмиттера во вкусовых почках (Finger et al., 2005) и глютамат также является кандидатом на роль нейротрансмиттера. Т.о., Type I клетки, по-видимому, участвуют в заключительной синаптической передаче или в ограничении распространения трансмиттеров, роль, выполняемая в ЦНС глиальными клетками.

Type I экспрессируют также ROMK, K канал, который может участвовать в гомеостазе K⁺ во вкусовой почке (Dvoryanchikov et al., 2009). Во время продолжительного перемещения потенциала действия, вызываемого интенсивной вкусовой стимуляцией, Type I клетки могут служить, чтобы элиминировать K⁺ (see blue cell in Fig. 3), которые д. накапливаться в ограниченных интерстициальных пространствах и приводить к уменьшению возбудимости Type II и III клеток. Это др. стереотипическая глиальная функция. Patch-clamp исследования подтвердили, что некоторые вкусовые клетки, преимущественно Type I клетки, обладают электрофизиологическими свойствами, такими как неспособность к возбуждению (inexcitability) и высокая resting K⁺ проводимость, также характерными для глии (Bigiani, 2001). Т.о., Type I клетки, по-видимому, в целом функционируют как глия во вкусовых почках. Предупреждением является то, что не все Type I клетки непременно участвуют в каждой из описанных выше глиальных ролей.

Figure 3. The three major classes of taste cells. This classification incorporates ultrastructural features, patterns of gene expression, and the functions of each of Types I, II (receptor), and III (presynaptic) taste cells. Type I cells (blue) degrade or absorb neurotransmitters. They also may clear extracellular K+ that accumulates after action potentials (shown as bursts) in receptor (yellow) and presynaptic (green) cells. K+ may be extruded through an apical K channel such as ROMK. Salty taste may be transduced by some Type I cells, but this remains uncertain. Sweet, bitter, and umami taste compounds activate receptor cells, inducing them to release ATP through pannexin1 (Panx1) hemichannels. The extracellular ATP excites ATP receptors (P2X, P2Y) on sensory nerve fibers and on taste cells. Presynaptic cells, in turn, release serotonin (5-HT), which inhibits receptor cells. Sour stimuli (and carbonation, not depicted) directly activate presynaptic cells. Only presynaptic cells form ultrastructurally identifiable synapses with nerves. Tables below the cells list some of the proteins that are expressed in a cell type-selective manner.

Наконец, Type I клетки могут обнаруживать ионные токи, влияющие на передачу ощущения соленого (Vandenbeuch et al., 2008). Несмотря на то, что они наиболее многочисленный тип клеток во вкусовых почках, известно немного о Type I клетках.

Type II (receptor) cells.

Существует небольшая двусмысленность в отношении того, как Type II клетки функционируют во вкусовых почках. Внедрены в плазматическую мембрану этих клеток рецепторы, которые связывают сладкие, горькие или umami соединения. Эти вкусовые рецепторы являются G protein-coupled рецепторами с 7 трансмембранными доменами, хорошо изучены и обсуждаются в разделе "Transduction" ниже (for review see Margolskee, 2002; Breslin and Huang, 2006; Simon et al., 2006). Кроме того, Type II клетки экспрессируют эл. напряжением регулируемые Na и K каналы, существенные для создания потенциала действия, и субъединицы полуканалов, ключевые игроки в вызываемой вкусом секреции АТФ (yellow cell in Fig. 3). Любая данная Type II клетка экспрессирует вкусовые рецепторы GPCRs, специфичные только для одного вкусового качества, такого как сладкого или горького, но не обоих (Nelson et al., 2001). Соотв. данная рецепторная клетка отвечает на стимуляцию лигандами, которые активируют эти рецепторы. Короче, Type II клетки "настроены" на восприятие сладкого, горького или umami вкуса (Tomchik et al., 2007). В честь их роли в качестве первичных детекторов этих классов вкусовых стимулов, Type II клетки были названы "рецепторными" клетками (DeFazio et al., 2006). Type II клетки, по-видимому, не стимулируются непосредственно стимулами кислого или солёного.

Курьёзно, но рецепторные клетки не образуют ультраструктурно обнаруживаемых синапсов. Вместо этого нервные волокна, преимущественно вкусовые афферентные волокна, тесно примыкают к этим клеткам (Murray, 1973, 1993; Yang et al., 2000; Yee et al., 2001; Clapp et al., 2004). Сигналы, передаваемые от рецепторных клеток к сенсорным афферентным волокнам или др. клеткам внутри вкусовой почки, осуществляют это с помощью необычных механизмов, т.е. без участия синаптических пузырьков, как будет показано ниже.

Type III (presynaptic) cells.

Достигнуто соглашение, что Type III клетки (green cell in Fig. 3) экспрессируют белки, ассоциированные в синапсами и что они формируют синаптические соединения с нервными окончаниями (Murray et al., 1969; Murray, 1973, 1993; Yang et al., 2000; Yee et al., 2001). Эти клетки экспрессируют ряд нейрон-подобных генов, включая NCAM, адгезивные молекулы клеточной поверхности, энзимы для синтеза, по крайней мере, двух нейротрансмиттеров и эл. напряжением управляемыми Ca каналами, обычно ассоциированными с высвобождением нейротрансмиттеров (DeFazio et al., 2006; Dvoryanchikov et al., 2007). Type III клетки, экспрессирующие синаптические белки и обнаруживающие зависимые от деполяризации Ca²⁺ переходы (transients) типичных синапсов, были обозначены как "пресинаптические" клетки (DeFazio et al., 2006). Подобно рецепторным клеткам пресинаптические клетки способны к возбуждению и экспрессируют комплект эл. напряжением управляемых Na и K каналов для поддержания потенциала действия (Medler et al., 2003; Gao et al., 2009; Vandenbeuch and Kinnamon, 2009a,b). Происхождение нервных волокон, которые образуют синапсы с Type III клетками, и представляют ли они собой вкусовые афферентные волокна, неизвестно. Помимо этих нейрональных свойств, пресинаптические клетки также отвечают непосредственно на стимулы кислого вкуса и насыщенные углекислотой растворы и являются преимущественно клетками, отвечающими за передачу сигналов этих ощущений (Huang et al., 2006; Tomchik et al., 2007; Huang et al., 2008b; Chandrashekar et al., 2009).

Ключевым признаком пресинаптических клеток является то, что они воспринимают стимулы от и интегрируют сигналы, генерируемые рецепторными клетками (see below). Следовательно, в интактных вкусовых почках в отличие от рецепторных клеток, пресинаптические клетки не настроены на специфические вкусовые качества, а вместо этого отвечают широко на сладкие, соленые, кислые, горькие и umami соединения (Tomchik et al., 2007). Хотя пресинаптические клетки обладают многими общими нейрон-подобными характеристиками, очевидно, что они не являются гомогенной популяцией (Tomchik et al., 2007; Roberts et al., 2009).

Basal cells.

Эта категория описывается как сферические или яйцеобразные клетки, которые не выпускают отростков во вкусовые поры и , по-видимому, являются недифференцированными или незрелыми вкусовыми клетками (Farbman, 1965). неясно все ли базальные клетки внутри вкусовой почки представляют собой общий класс недифференцированных клеток. Четкие маркеры для этих клеток не идентифицированы и точное значение базальных клеток как популяции еще предстоит выяснить.

Nerve fibers.

Вкусовые почки иннервируются сенсорными нейронами, чьи тела расположены в кластерах, гнездящихся напротив головного мозга (geniculate, petrosal и nodose краниальных ганглиях). У взрослых, каждая вкусовая почка иннервируется 3-14 нейронами сенсорных ганглиев, в зависимости от вида и области рта (язык, нёбо; Krimm and Hill, 1998; Whitehead et al., 1999). Волокна вкусового нерва объединяются с богатыми сплетениями др. нервных волокон под вкусовым эпителием. В отсутствие четких маркеров, чтобы различать их, невозможно различить какие из этих волокон несут вкусовую информацию в противоположность болевым, тактильным и термальным сигналам. Вкусовые аксоны ветвятся и пронизывают базальную пластинку, чтобы проникнуть во вкусовые почки. Хотя некоторые волокна заканчиваются в синаптических структурах на Type III клетках, др. направляются глубоко между вкусовыми клетками, не образуя специализированных синапсов (Farbman, 1965; Murray et al., 1969; Murray, 1973).

Это объясняется следующим, сочетанное действие Type I, Type II (рецепторных) и Type III (пресинаптических) клеток лежит в основе восприятия вкуса. Существуют синаптические взаимодействия как прямые связи, так и петли обратной связи между этими клетками, когда вкусовые стимулы активируют вкусовые почки.

Beyond the tasty morsel: the underlying molecular mechanisms for nutrient detection

Transduction of gustatory stimuli in receptor (Type II) cells.

Как было установлено выше, сладкие, umami и горькие соединения, каждый активирует разные вкусовые GPCRs, которые экспрессируются в дискретных наборах рецепторных клеток. Напр., рецепторные клетки, которые экспрессируют членов семейства T2R рецепторов GPCRs, воспринимают горькие соединения (Chandrashekar et al., 2000). У разных млекопитающих 20-35 отдельных генов кодирует членов T2R семейства. Эти вкусовые рецепторы обладают гетерогенными молекулярными рангами рецепции: некоторые узко настроены на 2-4 горькими ощущаемыми соединения, тогда как др. случайно активируются многочисленными лигандами (Meyerhof et al., 2010). На базе in situ гибридизации со смешанными зондами на вкусовых почках грызунов T2Rs обнаруживались или экспрессируемые как перекрывающиеся субнаборы мРНК (Matsunami et al., 2000) или ко-экспрессируемые в одиночной популяции вкусовых клеток (Adler et al., 2000). Недавно детальный анализ, вкусовых почек человека подтвердил, что разные, чувствительные к горкому вкусовые клетки, экспрессируют субнаборы из 4-11 рецепторов T2Rs частично перекрывающимся образом (Behrens et al., 2007). Это наблюдение важно, поскольку оно представляет молекулярную основу для различия разных горьких соединений. Ощущающие горечь вкусовые клетки, как известно, функционально отличают горькие соединения (Caicedo and Roper, 2001). Такой паттерн экспрессии T2R, вместе с полиморфизмом внутри семейства генов позволяет человеку и животным воспринимать огромное количество потенциально токсичных горьких соединений, обнаруживаемых в природе (Drayna, 2005).

Рецепторные клетки, экспрессирующие гетеродимерые T1R2+T1R3 реагируют на сахара, синтетические сладости и белки со сладковытым вкусом, такие как monellin и brazzein (Nelson et al., 2001; Jiang et al., 2004; Xu et al., 2004). Хотя сохранение чувствительности к некоторым сахарам у мышей, лишенных T1R3, указывает на то, что могут существовать дополнительные рецевторы сладкого (Damak et al., 2003), такие рецепторы кандидаты пока не идентифицированы.

Третьий класс рецепторных клеток экспрессирует гетеродимерные GPCR, T1R1+T1R3, которые отвечают на umami стимулы, в особенности на комбинацию l-glutamate и GMP/IMP, соединений, которые накапливаются в большей части пищи после гидролиза белков и NTPs (Li et al., 2002; Nelson et al., 2002). Несмотря на это сильная физиологическая реакция и поведенческое предпочтение на umami tastants сохраняется у мышей, которые накаутированы по T1R3, указывая на то. что дополнительные вкусовые рецепторы могут вносить вклад в детекцию umami (Damak et al., 2003; Maruyama et al., 2006; Yasumatsu et al., 2009). Функциональные реакции на различные umami tastants осуществляются в разных субнаборах клеток внутри вкусовых почек (Maruyama et al., 2006) , а нейральные реакции обнаруживают сходные гетерогенные паттерны (Yoshida et al., 2009b), эти наблюдения указывают на то, что восприятие umami сложное и скорее всего, обеспечивается посредством множественных типов вкусовых рецепторов. Итак, хотя T1R1+T1R3 димеры четко действуют как рецепторы umami, дополнительные GPCRs могут играть комплементарные роли. Кандидатами на роль дополнительных рецепторов umami являются вкус-специфические варианты или др. изоформы G protein-coupled glutamate рецепторов, экспрессирующихся во вкусовых почках (Chaudhari et al., 2000; Li et al., 2002; Nelson et al., 2002; San Gabriel et al., 2009).

Рецепторы T1Rs являются димерным Class III GPCRs, с крупным N-терминальными внеклеточными доменами (Max et al., 2001). Этот домен формирует структуру Venus Flytrap как и у др. членов семейства. T1Rs также обладают массой дополнительных сайтов, связывающих лиганды, на наружной стороне "мухоловки" (flytrap), в линкерной и даже в плоскости мембраны (Cui et al., 2006; Temussi, 2009). Напротив, T2Rs напоминают Class I GPCRs с сайтами связывания в трансмембранных спиралях, что согласуется с неполярной природой многих горьких лигандов (Floriano et al., 2006).

Когда они связывают вкусовые молекулы, то вкусовые рецепторы GPCRs активируют гетеротримерные GTP-связывающие белки (Fig. 4 A). Напр., рецепторы горького (T2Rs) коэкспрессируются с и активируют taste-избирательную Gα субъединицу, α-gustducin, и близко родственный α-transducin (Ruiz-Avila et al., 1995). Вкусовые рецепторы, которые включают T1R3, могут соединяться с Gα14 и др. Gα субъединицами (Tizzano et al., 2008). Несмотря на эту очевидную избирательность вкусовых GPCRs в отношении Gα субъединиц, принципиальный путь для вкусового преобразования осуществляется посредством Gβγ, включая Gγ13 и Gβ1 или Gβ3 (Huang et al., 1999). После связывания лиганда, Gβγ субъединицы освобождаются от вкусового GPCR и взаимодействуют функционально с phospholipase, PLCβ2, необычной изоформой, которая активируется с помощью Gβγ скорее, чем более распространенной Gαq семейства субъединиц (Rossler et al., 1998). Выведение из строя PLCβ2 сильно снижает, но не элиминирует вкусовую чувствительность (Zhang et al., 2003; Dotson et al., 2005). PLCβ2 стимулирует синтез IP₃, который открывает IP₃R3 ионные каналы на эндоплазматическом ретикулеме, высвобождая Ca²⁺ в цитозоль рецепторных клеток (Simon et al., 2006; Roper, 2007). Повышение внутриклеточного Ca²⁺, по-видимому, имеет две мишени на плазматической мембране: избирательный ко вкусу катионовый канал, TRPM5, и полуканал щелевых соединений, оба в рецепторных клетках (Perez et al., 2002; Huang et al., 2007). Ca²⁺-зависимое открытие TRPM5 создает деполяризующий генераторный потенциал в рецепторных клетках (Liu and Liman, 2003). Если они достаточно большие, то генераторные потенциалы возбуждают потенциалы действия в рецепторных клетках. Два сигнала, выявляемые с помощью tastants: сильная деполяризация и повышенный цитоплазматический Ca²⁺, интегрируются с помощью полуканалов щелевых соединений. Результатом такой конвергенции является то, что трансмиттер вкусовой почки , АТФ, и возможно др. молекулы, секретируются через поры полуканалов во внеклеточное пространство, окружающее активированную рецепторную клетку (Fig. 3, yellow cell; and Fig. 4 A; Huang et al., 2007; Romanov et al., 2007; Huang and Roper, 2010).

Figure 4. Mechanisms by which five taste qualities are transduced in taste cells. (A) In receptor (Type II) cells, sweet, bitter, and umami ligands bind taste GPCRs, and activate a phosphoinositide pathway that elevates cytoplasmic Ca2+ and depolarizes the membrane via a cation channel, TrpM5. The combined action of elevated Ca2+ and membrane depolarization opens the large pores of gap junction hemichannels, likely composed of Panx1, resulting in ATP release. Shown here is a dimer of T1R taste GPCRs (sweet, umami). T2R taste GPCRs (bitter) do not have extensive extracellular domains and it is not known whether T2Rs form multimers. (B) In presynaptic (Type III) cells, organic acids (HAc) permeate through the plasma membrane and acidify the cytoplasm where they dissociate to acidify the cytosol. Intracellular H+ is believed to block a proton-sensitive K channel (as yet unidentified) and depolarize the membrane. Voltage-gated Ca channels would then elevate cytoplasmic Ca2+ to trigger exocytosis of synaptic vesicles (not depicted). (C) The salty taste of Na+ is detected by direct permeation of Na+ ions through membrane ion channels, including ENaC, to depolarize the membrane. The cell type underlying salty taste has not been definitively identified.

Хотя большинство исследователей согласны, что высвобождение АТФ происходит посредством полуканалов плазматической мембраны, формируются эти каналы с помощью субъединиц pannexin (Panx) или connexin (Cx), не вполне ясно. Panx1 активно экспрессируется в рецепторных клетках, тогда как некоторые субъединицы Cx экспрессируются на более умеренных уровнях (Huang et al., 2007; Romanov et al., 2007). Хотя щелевые соединения преимущественно формируются коннексинами между клетками во вкусовых почках млекопитающих (Yoshii, 2005), но от такие соединений нельзя ожидать секреции АТФ во внеклеточное пространство. Принципиальным аргументом в пользу Cx полуканалов во вкусовых клетках является то, что блокируется действие определенных изоформ-специфичных mimetic пептидов. Однако специфичность таких пептидов недавно была поставлена под вопрос (Wang et al., 2007). Наконец, Panx1 полуканалы остаются открытыми (gated open) за счет повышенного цитоплазматического Ca²⁺ и/или мембранной деполяризации (Locovei et al., 2006). Высвобождение АТФ из вкусовых клеток сходным образом обусловливается как Ca²⁺, так и эл. напряжением (Huang and Roper, 2010). Напротив, Cx полуканалы обычно открыты только в отсутствие внеклеточного Ca²⁺ и обычно блокированы повышенным цитоплазматическим Ca²⁺. Далее, Panx1-селективные антагонисты блокируют вызываемую вкусовым воздействием секрецию АТФ (Huang et al., 2007; Dando and Roper, 2009). Т.о., большинство доказательств свидетельствует в пользу высвобождения АТФ посредством Panx1 полуканалов в рецепторных клетках. Тем не менее идеальным тестом для решения этого вопроса, высвобождения АТФ из вкусовых клеток посредством Panx1 или Cx станут нокаутные мыши.

Presynaptic (Type III) cells also detect some taste stimuli.

Пресинаптические клетки обладают очень отличающейся вкусовой чувствительностью и трансдукционными механизмами по сравнению с рецепторными клетками. Стимулы кислого вкуса (кислот) возбуждают пресинаптические клетки (Tomchik et al., 2007). Мембранные рецепторы или ионные каналы, которые преобразуют кислотные стимулы, еще предстоит выяснить. Не-селективные катионовые каналы, формируемые с помощью PKD2L1 и PKD1L3, были предложены в качестве кандидатов на роль рецепторов кислого вкуса (Huang et al., 2006; Ishimaru et al., 2006; LopezJimenez et al., 2006). Всё же этот канал чувствителен ко внеклеточному pH скорее, чем к снижению цитоплазматического pH, которое, как известно, является непосредственным стимулом восприятия кислого (Fig. 4 B; Lyall et al., 2001; Huang et al., 2008b). Далее, мыши, лишенные PKD1L3, остаются способными к детекции кислых вкусовых стимулов (Nelson et al., 2010). Наиболее вероятным кандидатом на роль кислотных рецепторов в Type III клетках являются каналы плазматической мембраны, которые модулируются ацидификацией цитоплазмы, такие как определенные K каналы (Lin et al., 2004; Richter et al., 2004). Пресинаптические клетки также ощущают обогащение углекислотой (carbonation), частично посредством действия carbonic anhydrase, которая продуцирует протоны и тем самым ацидифицирует среду (Graber and Kelleher, 1988; Simons et al., 1999; Chandrashekar et al., 2009). Полный путь трансдукции для carbonation и ощущения кислого ещё полностью не описан.

Salt detection and transduction.

Вкусовые почки ощущают соли Na после непосредственного проникновения Na⁺ через апикальные ионные каналы и деполяризации вкусовых клеток. Ионный канал, который давно уже считался как обеспечивающий это действие, это amiloride-чувствительный epithelial Na channel, ENaC (Fig. 4 C; Heck et al., 1984; Lin et al., 1999; Lindemann, 2001). Это мнение недавно было подтверждено с помощью нокаута критической субъединицы ENaC, который нарушал детекцию вкуса соленого (Chandrashekar et al., 2010). Это исследование не смогло оценить чувствительность к соли для любого из известных типов вкусовых клеток, но patch-clamp исследования показали, что клетки, ощущающие Na⁺ это Type I клетки (Vandenbeuch et al., 2008). Фармакологические и др. доказательства показали, что солевая трансдукция у человека и модельных животных также осуществляется посредством дополнительных мембранных рецепторов или ионных каналов. Хотя модифицированный TrpV1 канал и был предложен в качестве кандидата на роль Na⁺ вкусового трансдуктора, но нокаутные мыши обнаруживали минимальное фенотипическое отклонение в отношении детекции соли (Ruiz et al., 2006; Treesukosol et al., 2007).

Information processing and cell-to-cell signaling in taste buds: teasing apart our taste response

Transmitters and information flow.

Рецепторные и пресинаптические клетки высвобождают разные нейротрансмиттеры (Huang et al., 2007). Кстати, рецепторные клетки. как известно, высвобождают только АТФ, посредством pannexin каналов, как было показано выше. Пресинаптические клетки, с др. стороны, секретируют серотонин (5-HT) и norepinephrine (NE). В некоторых случаях пресинаптические клетки высвобождают оба амина одновременно (Dvoryanchikov et al., 2007; Huang et al., 2008a). Секреция этих биогенных аминов осуществляется посредством обычного Ca²⁺-зависимого экзоцитоза. Кластеры из моноаминергических пузырьков присутствуют в синапсах на электронных микрографах мышиных пресинаптических клеток (Takeda and Kitao, 1980).

Вкусовые стимулы инициируют последовательность химических сигналов, которые проходят между клетками во вкусовую почку. Если сладкие, горькие или umami tastants возбуждают вкусовые почки, то АИФ секретируется из рецепторных клеток и стимулирует вкусовые афферентные нервные волокна. В то же самое время АТФ также возбуждает соседние пресинаптические клетки и стимулирует их к высвобождению 5-HT и/или NE. АТФ, секретируемый во время стимуляции вкуса, имеет и третью мишень, а именно сами рецепторные клетки. АТФ, действующий как аутокринный трансмиттер, обеспечивает позитивную обратную связь на рецепторную клетку, увеличивая её собственную секрецию и возможно противодействуя её деградации за счет ecto-ATPase (Huang et al., 2009; Fig. 3).

Серотонин 5-HT, высвобождаемый пресинаптическими клетками также может иметь множественные мишени. Одним из эффектов 5-HT является ингибирование рецепторных клеток. Значит, 5-HT осуществляет на рецепторные клетки. Противоположные эффекты позитивной (purinergic аутокринной) и негативной (serotonergic паракринной) обратной связи во вкусовых почках во время активации вкуса комбинируются, чтобы сформировать сигналы, передаваемые от вкусовых почек в задний мозг. Однако детали того, как эти пути обратной связи сбалансированы, чтобы создавать конечный сенсорный результат, ожидают экспериментального решения. Можно предположить, что 5-HT обусловливает "латеральное ингибирование", супрессируя исходящие сигналы от соседний рецепторных (напр., горького) клеток, когда в в особенности стимулируются (напр., сигналы сладкого) в рецепторных клетках. Напротив, негативная петля обратной связи может участвовать в сенсорной адаптации путем снижения афферентного сигнала с течением времени.

Др. места действия 5-HT (и NE) возможно включают нервные волокна, которые образуют синапсы с пресинаптическими вкусовыми клетками. Очень возможно, что существуют параллельно purinergic и serotonergic сигналы от вкусовых почек и параллельно информационные пути, ведущие в задний мозг. Пока это только предположение (Roper, 2009).

Итак, (see Fig. 3), рецепторные клетки выявляют и различают сладкие, горькие или umami tastants, генерируя Ca²⁺ сигналы и высвобождая АТФ трансмиттер на афферентные нервные волокна. АТФ из разных рецепторных клеток конвергируют и продуцируют вторичное возбуждение пресинаптических клеток, тем самым интегрируются сигналы, представляющие все три вкусовые качества (Tomchik et al., 2007). Пока неясно, каковы вторичные реакции пресинаптических клеток на стимулы сладкого, горького и umami необходимы для идентификации или различения этих вкусовых качеств. первичные сигналы в пресинаптических клетках генерируются только кислыми tastants, и это единственное вкусовое качество, которое теряется, когда устраняются пресинаптические клетки (Huang et al., 2006).

Cracking the taste code.

Вкусовые афферентные нервные волокна передают информацию от вкусовых почек в головной мозг. Как активация рецепторных и пресинаптических клеток во время вкусовой стимуляции транслируется в нервный код, который специфицирует разные вкусовые качества (сладкого, горького и т.д.) , остается неясным. Обсуждаются два противоположных объяснения этой логической задачи. С одной стороны, постулируется, что нервные волокна ("меченные линии") д. передавать каждое вкусовое качество, напр., "горькие" клетки, "горькие" волокна и "горькие" нейроны на каждом последовательном этапе передачи в головной мозг. С др. стороны, комбинаторная система д. обладать способностью кодировать за счет паттернов активности нескольких волокон. В последнем случае любое данное волокно может передавать информацию о более чем одном вкусовом качестве. Третье, менее обсуждаемое мнение, заключается в том, что существует временной код, в котором качество может быть детерминировано временным паттерном потенциалов действия, так как это происходит в слуховых волокнах.

Вопрос кодирования может быть разрешен посредством генетических манипуляций и физиологических и поведенческих испытаний. Электрофизиологические записи с одиночных афферентных волокон или с их родительских сенсорных ганглиолярных клеток показывают, что некоторые нейроны отвечают строго на одно вкусовое качество (обычно сладость), но также обнаруживают слабые реакции на др. вкусовые воздействия. Напротив, др. афферентные нейроны возбуждаются многими вкусовыми воздействиями, т.e. реагируют широко (Hellekant et al., 1997; Frank et al., 2008; Breza et al., 2010). Т.о., афферентные вкусовые нейроны обнаруживают профили ответов, сходные как с узко настроенными рецепторными клетками вкусовых почек, так и с широко настроенными пресинаптическими клетками. Паттерн активности афферентных нейронов отражает гетерогенность клеточных реакций вкусовой почки (Gilbertson et al., 2001; Caicedo et al., 2002; Tomchik et al., 2007; Yoshida et al., 2009a; Breza et al., 2010) и указывает на то, что нервная активность, кодирующая вкус, не не следует простой строго предназначенной labeled-line логике. Следовательно, "bitter-specific," "sour-specific," и т.д. афферентные сенсорные нейроны и последующие нейроны в сети-обязательные компоненты labeled-line кодирования-никогда не были описаны.

Аргумент в пользу кодирования мечением линии представлен на базе результатов замещения модифицированного опиоидного рецептора на место рецепторов горького или сладкого во вкусовых почках (Zhao et al., 2003; Mueller et al., 2005). Мыши с преобразованным этим чужеродным рецептором в "сладких" рецепторных клетках строго предпочитали и обильно потребляли растворы синтетического лиганда для модифицированного рецептора, как если бы соединение воспринималось как сладость. Для нормальных мышей лиганд оставался неопределимым на вкус. Напротив, когда опиоидный рецептор поставлялся в "горькие" рецепторные клетки, то то же самый лиганд вызывал отвращение. Хотя это было представлено, как подтверждение labeled-line кодирования, но логика д.б. пересмотрена (logic bears reexamining), с учетом примера компьютерной клавиатуры. Нажатие клавиши "A" активирует комбинацию электронных сигналов, которые ведут к высвечиванию комбинации пикселей, чтобы воссоздать эту букву на экране. Если же пластиковая клавиша ("рецептор") на клавиатуре был изменен, то нажатие на замещенную клавишу по-прежнему будет продуцировать букву "A" на экране. Эксперимент не информирует об электронном кодировании, которое выпадает из рассмотрения между двумя видимыми событиями и не предполагает, что меченные линии связывают основание клавиши с определенными пикселями. Исследователи хемосенсорики согласны, что существуют меченные вкусовые клетки. Мечение линий остается противоречивым.

Итак, сладкие, горькие и umami клетки, все секретируют один и тот же нейротрансмиттер, АТФ, на афферентные волокна. Дискретные синапсы отсутствуют, которые могли бы связывать рецепторные клетки с сенсорными афферентными волокнами, чтобы передавать одиночное вкусовое качество. Хотя некоторые вкусовые клетки и сенсорные афферентные волокна тонко настроены, др. отвечают на многие вкусовые качества. Т.о., остается открытым вопрос о том, как в точности собираемая информация с помощью окончательно дифференцированной рецепторной клетки во вкусовой почке "кодируется" для окончательной перцепции разных вкусовых качеств.

Future directions in taste research

Taste research, although making tremendous strides in recent years, has exposed major gaps in our understanding. Among the open questions is the molecular identification of additional taste receptors. Known taste receptors do not account for all ligands and sensory characteristics for sweet and umami tastes. It is likely that there are additional, undiscovered sweet and umami receptors (Chaudhari et al., 2009). There is also the question of transduction mechanisms for some of the less-studied qualities such as sour, fatty, metallic, and astringent. Solving these may require combining molecular and population genetic analyses on human or mouse populations along with more conventional expression studies.

Another area of intense investigation is how gustatory signals are encoded by the nervous system. The principles of sensory coding from the retina to visual cortex were elucidated decades ago. We have a sound understanding of tonotopic and computational maps for the auditory system. Lateral inhibition and somatosensory receptive fields are well defined. Comparable insights into taste are lacking and we still do not understand how the brain distinguishes sweet, sour, salty, and so forth. If taste does not follow a simple labeled-line code, how are gustatory signals transmitted and deciphered? Ongoing studies include the possibility that taste is encoded in the time domain, i.e., by the frequency and pattern of action potentials in hindbrain and cortical neurons (Di Lorenzo et al., 2009; Miller and Katz, 2010). Other laboratories are exploring higher-order cortical processing via functional magnetic resonance imaging to address the interaction between taste detection, preference, and appetite regulation (Rolls, 2006; Small et al., 2007; Accolla and Carleton, 2008).

A critical chasm in our understanding of taste is how gustatory mechanisms are linked to mood, appetite, obesity, and satiety. The obvious link is that taste guides and to a large extent determines food selection, with salty, sweet, and fat tastes being the main actors. A fascinating link between appetite and moods is that serotonin-enhancing drugs, commonly used for treating mood disorders and depression, were shown to influence taste thresholds (Heath et al., 2006). Whether the mechanism of this action depends on the inhibitory action of 5-HT in taste buds remains to be determined, but the findings are intriguing (Kawai et al., 2000).

Cracks in the hard nut of appetite regulation are exposing a new dimension of taste—the impact of appetite-regulating hormones on peripheral gustatory sensory organs. A number of neuropeptide hormones activate hypothalamic and hindbrain circuits that regulate appetite. We are now learning that several of these same peptide hormones, including leptin, glucagon-like peptide, and oxytocin, modulate chemosensory transduction at the level of the taste bud. Circulating leptin, acting directly on taste receptor cells, reduces sweet responses measured in taste buds, in afferent nerves, and by behavioral tests (Kawai et al., 2000; Nakamura et al., 2008). Circulating oxytocin, another anorectic peptide, also acts on taste buds (Sinclair et al., 2010). Blood-delivered satiety peptides may be ideal candidates for integrating sensory and motivational drivers of appetite. Additional satiety peptides, including glucagon-like peptide-1, are synthesized within taste buds and act on taste cells or nerves (Shin et al., 2008). This research might provide avenues into therapeutic approaches for obesity, and at a minimum further help explain the seemingly insatiable human drive to consume calories.

Finally, another new direction for taste research is the presence of taste receptors and their downstream intracellular effectors in sensory cells of the gut (Rozengurt and Sternini, 2007; Kokrashvili et al., 2009a). The existence of these “taste” mechanisms in the gut is perhaps not surprising, given the importance of sensing the chemical nature of luminal contents at all points along the GI tract. However, the findings have generated new excitement in understanding how the gut participates in detecting and controlling appetite in general, and digestive processes in particular.

The cell biology of taste Nirupa Chaudhari and Stephen D. Roper JCB vol. 190 no. 3 285-296

The cell biology of taste
Nirupa Chaudhari and Stephen D. Roper
JCB vol. 190 no. 3 285-296