Большинство видов позвоночных чувствительны к пяти основным вкусовым ощущениям: сладкого, горького, umami, кислого и солёного, каждый из которых предоставляет разную информацию о содержимом пищи и безопасности поглощаемой пищи и это определяется отдельным набором клеток внутри вкусовых почек (1). Несмотря на значительные успехи, достигнутые в понимании сенсорных трансдукционных каскадов, участвующих в восприятии горького, сладкого и umami, а недавно и солёного вкуса (2), относительно мало известно о кислом. Недавние исследования с использованием генетического устранения, было четко продемонстрировано, что кислый вкус определяется субнабором вкусовых клеток, определяемых по экспрессии TRP ионного канала PKD2L1 (3). (Polycystic kidney disease 2-like 1 protein также известен как transient receptor potential polycystic 2 (TRPP2) ). Однако, ионные механизмы, лежащие в основе сенсорных реакций на кислое, остаются плохо изученными.

Субстанции, которые воспринимаются как кислые, являются кислотными и включают ферментированные продукты питания и неспелые плоды. Психофизические исследования у людей показали, что кислое обусловливается растворами, содержащими HCl в концентрация более 1 mM (pH 3) (4), указывая тем самым, что кислый внеклеточный pH является стимулом кислого. Кроме того, было предположено, что внутриклеточная ацидификация вносит вклад в ощущение кислого (5, 6), поскольку слабые кислоты, которые вызывают внутриклеточную ацидификацию, такие как уксусная кислота, вызывают более интенсивное ощущение кислого, че сильные кислоты (4). В соответствии с ролью протонов в ощущении кислого, недавно было показано, реакции на кислое, вызываемые с помощью CO₂, зависят не от внутриклеточного превращения CO₂ в бикарбонат (который высвобождает протон ), а скорее от внеклеточного превращения CO₂ в бикарбонат (7). Несколько молекул кандидатов, как полагают, обеспечивает восприятие кислого, включая acid-sensing ion channels (ASICs), hyperpolarization activated channels (HCNs), с двумя порами доменом K+ каналы и PKD2L1/PKD1L3 гетердимеры, члены семейства мимолетных рецепторных каналов (8-15). Однако, прямые доказательства связи с каким-либо из этих рецепторов кислого вкуса всё ещё отсутствуют (16). Так, хотя первоначальное сообщение сообщило, что PKD2L1/PKD1L3 гетеродимер активируется воздействием растворов с низким pH (pH менее 3) (14), последующие работы показали, что активация происходит с задержкой после удаления кислоты (17, 18). Более того, недавнее исследование на мышах, несущих целенаправленную делецию PKD1L3, не выявило достоверного дефицита в поведенческих или нервных реакциях на кислые стимулы (19).

Исследование кислого вкуса было проблематичным по двум причинам: во-первых, вкусовые почки гетерогенны и только ~20% , как ожидается, чувствительны к кислому (3, 13, 14); и, во-вторых, многие ионные каналы, не играющие роли в восприятии кислого, или блокируются или активируются кислым pH (20). Поэтому пока отсутствуют исследования, показывающие присутствие чувствительного к протонам проведения, которое специфично для вкусовых клеток, воспринимающих кислое, и которые были бы кандидатами на роль трансдукции кислого. Чтобы идентифицировать такое проведение, мы создали мышей с yellow fluorescent protein (YFP), управляемым с помощью промотора PKD2L1. Чтобы идентифицировать реакции, специфические к этому субнабору клеток, мы также измеряли реакцию клеток, которые экспрессировали GFP управляемый промотором TRPM5, нижестоящим элементом каскада сигнальной трансдукции, и маркер для клеток, чувствительных к горькому, сладкому и umami вкусу (21-23). Путем сравнения реакций YFP-меченных клеток с реакциями от GFP-меченных клеток, мы идентифицировали проведение протонов, которое специфично для вкусовых клеток, чувствительных к кислому. Используя уникальный метод UV-uncaging протонов на апикальной поверхности вкусовых клеток, в комбинации с записью с электрода присоски, мы продемонстрировали, что вступление протонов с помощью этого проведения достаточно, чтобы инициировать возбуждение (firing) потенциалов действия в ответ на внеклеточное подкисление.

DISCUSSION

Наши результаты предоставили доказательства, что сенсором сильных кислот во вкусовых клетках кислого является апикальное проведение протонов, которое является специфическим для вкусовых клеток, экспрессирующих PKD2L1. В предыдущих экспериментах также были получены доказательства притока протонов во время трансдукции кислого. Напр., рецепторные потенциалы fungiform вкусовых клеток у лягушек в ответ на уксусную кислоту были частично блокированы с помощью блокатора насоса протонов DCCD (38), а реакции во вкусовых почках хомячков на лимонную кислоту в условиях свободного Na⁺ были приписаны притоку протонов посредством чувствительных к amiloride ENaCs (30). Др. доказательства притока протонов во вкусовые клетки получены в исследованиях, показавших изменения внутриклеточного pH в интактных вкусовых почках в ответ на HCl, хотя клетки, чувствительные к кислому, не отличали от др. типов клеток в этом исследовании (37, 39). В настоящем сообщении, мы показали, что Zn²⁺-чувствительное проведение H⁺ избирательно экспрессируется в генетически идентифицированных вкусовых клетках кислого, и мы продемонстрировали необходимоть в этом токе для восприятия сильных кислот с помощью этих клеток. Молекулярные характеристики каналов и транспортеров, которые лежат в основе этого тока пока неизвестны, поскольку проведение протонов, которое мы идентифицировали, не обнаруживает признаков исправления (rectification), ожидаемого, исходя из недавно идентифицированного управляемого напряжением (voltage-gated) протонового канала, Hv1 (32, 33).

Ранее был предложен ряд механизмов для объяснения вклада в ощущение кислого, включая активацию Na⁺-проницаемых каналов или блокирование K⁺ каналов с помощью внутриклеточных или внеклеточных протонов. Сходным образом разнообразные наборы кандидатов в молекулы рецепторы были идентифицированы, которые включали ощущающие кислоту ионные каналы, гиперполяризацией активированные каналы, two-pore domain K+ каналы и transient receptor potential каналы (9, 10, 13-15, 28-30). Мы не нашли доказательств для вклада в ощущение кислого протонами управлемых Na⁺-проницаемых каналов, таких как ASIC или HCN каналы, поскольку внеклеточные протоны не активировали Na⁺-permeable проведение в PKD2L1-экспрессирующих клетках, а апикальное высвобождение протонов, выявляло потенциал действия в отсутствие Na⁺ ионов в апикальном растворе. Более того, блокатор ENAC канала amiloride не оказывал эффекта на реакцию клеток на ощущение кислого на полоскание или апикально воздействующие кислоты. Слабые кислоты, такие как уксустная кислота, как полагают, выявляет реакцию на кислое путем ацидификации клеточного цитозоля, блокирования калиевых каналов и тем самым вызывая деполяризацию мембран (5, 6, 28, 29). Наши эксперименты, проведенные в основном в отсутствии внутриклеточного K⁺ и в условиях, которые д. вызывать только умеренную внутриклеточную ацидификацию, не позволили установить, вносит ли этот механизм вклад в трансдукцию кислого.

Сравнительно недавно TRP-каналу родственные белки PKD1L3/PKD2L1 были идентифицированы в субнаборе клеток, которые обеспечивают восприятие кислого, подтвердив их роль в трансдукции кислого (3, 13, 14). Хотя первоначальное сообщение показало, что две субъединицы совместно образуют Ca²⁺-проницаемый канал, активируемый с помощью очень сильных кислых условий (pH менее 3), более поздние эксперименты показали, что активация тока происходит с задержкой вследствие размыва стимулов (17, 18). Вклад PKD1L3 в восприятие кислого ставится под вопрос также наблюдением, что мыши. несущие целенаправленную делецию PKD1L3 имеют нормальные нервные и поведенческие реакции на кислые стимулы (19). Наши результаты с PKD1L3 KO животными показали, что PKD1L3 не вносит непосредственного вклада в ток протонов, который мы описали в клетках, экспрессирующих PKD2L1 (Fig. 2C). Поскольку PKD2L1 нуждается в ансамбле с PKD1L3 для нормального трафика (14, 40), то эти результаты также позволяют предположить, что PKD2L1 не участвует в проведении протонов. Это заключение подтверждается нашим наблюдением, что PKD1L3/PKD2L1 гетеромер экспрессируется в HEK клетках, не реагирующих на кислые стимулы, используемые для возбуждения тока протонов во вкусовых клетках (Fig. S3). Всё ещё возможно, что более сильная ацидификация, как использованная Ishimaru et al. and Inada et al. (14, 17), может регулировать пропускную способность этих каналов.

Важным вопросом является, может ли ток, переносимый с помощью поступления протонов, быть сам по себе достаточным для управления генерацией потенциалов действия. Мы измеряли направленный во внутрь (inward) ток в 15.82 ± 2.03 pA при -80 mV в ответ на снижение внеклеточного рН до pH 6, стимул, который обычно достаточен для возбуждения потенциалов действия в записывающем устройстве, присоединенном к клетке. С установленной резистентностью мембраны в 3-5 GΩ, он д. генерировать деполяризацию мембраны более чем на 45mV, более чем достаточно для активации напряжением управляемых Na⁺ каналов (26). Однако, даже посредством заряда, переносимого с помощью H⁺, приток д.б. достаточным для индукции потенциала действия, мы не смогли исключить возможность того, что при физиологических условиях потенциалы действия возбуждаются синергично посредством током обусловленной деполяризации, и деполяризации, которая является следствием внутриклеточной ацидификации, действующей на текучесть калиевых каналов (28, 29).

В большинстве сенсорных клеток трансдукционные токи переносятся с помощью Na⁺ и Ca²⁺ ионов. Ионы Na⁺ относительно инертны и поэтому являются идеальными переносчиками зарядов, тога как ионы Ca²⁺ действуют специфически на белки хозяина, связывающие Ca²⁺, тонко управляя сенсорной реакцией. Протоны редко используются в качестве переносчиков зарядов для передачи электрических сигналов в нервной системе, поскольку высокая концентрация внутриклеточных протонов повреждает клетки (41). Почему же тогда вкусовые клетки используют протоновые каналы, чтобы обеспечить трансдукцию кислого? Среди сенсорных нейронов, вкусовые клетки и обонятельные нейроны стоят перед лицом уникальной проблемы, поскольку их апикальная поверхность купается во внеклеточном растворе, который подвергается экстремальным изменениям в составе ионов. Обонятельные реакции у амфибий и рыб персистируют в пресной воде, поскольку важный компонент трансдукционного тока переносится с помощью наружу направленного движения Cl^- посредством Ca²⁺-активируемых Cl^- каналов (42, 43). Для трансдукции кислого вкуса протоновый канал, как противовес протоном-управляемого Na⁺канала, д. быть способен отслеживать изменения в концентрациях кислот внутри ротовой полости без участия вклада от ионов Na⁺, концентрация которого широко варьирует и воспринимается отдельно как солёность.

A proton current drives action potentials in genetically identified sour taste cellsRui B. Chang, Hang Waters, and Emily R. Liman Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 December 21; 107(51): 22320–22325. |doi: 10.1073/pnas.1013664107

A proton current drives action potentials in genetically identified sour taste cells
Rui B. Chang, Hang Waters, and Emily R. Liman
Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 December 21; 107(51): 22320–22325. |doi: 10.1073/pnas.1013664107