26.3.1.1 Die T1R-Rezeptoren: Transduktion von Süß- und Umami-Geschmacksqualitäten
Die ersten metabotropen Rezeptoren, die in der Geschmackswelt identifiziert wurden, waren zwei Mitglieder der T1R-Familie, T1R1 und T1R2 (ursprünglich TR1 und TR2 genannt),41 und sie wurden durch subtraktive und differenzielle Einzelzell-Screening-Techniken entdeckt. Diese Rezeptoren weisen eine etwa 40-prozentige Homologie zueinander auf und sind entfernt mit anderen GPCRs wie dem Kalzium-Rezeptor, dem V2R-Pheromonrezeptor und den metabotropen Glutamatrezeptoren verwandt. Alle gehören zur GPCR-Familie der Klasse C und zeichnen sich durch eine lange N-terminale extrazelluläre Domäne aus, die als Venusfliegenfallen-Domäne bekannt ist. In-situ-Hybridisierungsexperimente ergaben, dass diese Rezeptoren in 20-30 % der TRCs in den vorderen und hinteren Geschmacksknospen exprimiert werden. Außerdem sind sie bei fast allen Wirbeltieren vorhanden, nicht aber bei Wirbellosen.39
Anfänglich waren die Liganden für diese Rezeptoren unbekannt, obwohl aufgrund ihrer Expression in der vorderen Zunge eine süße Transduktion vermutet wurde. Viele spekulierten, dass die Gene dieser Rezeptoren auf dem Sac-Locus kartiert sind, einer Region auf dem distalen Chromosom 4, die zuvor in genetischen Studien als für den süßen Geschmack bei Mäusen verantwortlich identifiziert wurde. Fuller42 , der Mäusestämme untersuchte, die sich in ihrer Neigung, süße Lösungen zu konsumieren, unterscheiden, stellte fest, dass die meisten Unterschiede in der Saccharin-Präferenz bei schmeckenden und nicht-schmeckenden Stämmen (C57BL/6J bzw. DBA/2J) von einem einzigen Locus abhängen, der als sac bezeichnet wird. Die dominante Form des Allels ist mit einer stärkeren Präferenz verbunden. Spätere Studien verallgemeinerten diesen Befund auf weitere süße Moleküle wie Acesulfam, Dulcin und Saccharose,43,44 und stellten fest, dass mutmaßliche Polymorphismen in den Genen die periphere Nervenaktivität beeinflussen.45 Mit Hilfe einer hochauflösenden genetischen Kartierung wurde T1R1 jedoch proximal zum Sac-Locus kartiert.46
Die Identität von sac und seine Beziehung zur T1R-Rezeptorfamilie wurde klar, als das dritte Familienmitglied, T1R3, entdeckt wurde.47-49 T1R3 wird sowohl in den vorderen als auch in den hinteren Feldern in TRCs exprimiert, deren Morphologie mit Typ-II-Zellen übereinstimmt. Es wird entweder mit T1R1 oder T1R2 koexprimiert, obwohl ein Teil der T1R3-exprimierenden TRCs keines von beiden koexprimiert.50 T1R3-Zellen werden mit anderen Elementen der süßen Transduktionskaskade koexprimiert, zu denen α-Gustducin und PLCβ2 gehören. Experimente mit heterologen Expressionssystemen haben gezeigt, dass T1R3 die Koexpression von T1R2 benötigt, um vollständig auf eine Vielzahl von süßen Substanzen wie Einfachzucker, künstliche Süßstoffe, d-Aminosäuren und süße Proteine zu reagieren.48,51 Das menschliche T1R2/T1R3-Dimer reagierte auf etwa zwanzig Verbindungen, die in physiologischen Konzentrationen als süß bekannt sind, und wurde durch Lactisol, einen menschlichen Süßgeschmacksantagonisten, gehemmt.51 Durch eine Kombination aus physikalischem Mapping und Genomdatenbank-Mining identifizierten mehrere Gruppen T1R3 als Sack in Nagetier- und Menschengenomen.47-49,51-54
Die Bestätigung von T1R2/T1R3 als wichtigstem Süßgeschmacksrezeptor bei Säugetieren wurde durch Studien mit Knockout-Mäusen für T1R1-, T1R2- oder T1R3-Gene sowie mit einer Doppel-Knockout-Maus für T1R2- und T1R3-Gene gewonnen. Diese Mäuse wurden anhand von Verhaltenstests mit kurzem Zugang und elektrophysiologischen Ableitungen aus der Chorda tympani und den Glossopharyngeusnerven getestet.55,56 T1R2-Null-Mäuse zeigten einen Verlust der Präferenz und der neuronalen Reaktionen auf künstliche Süßstoffe und stark verminderte Reaktionen auf natürlichen Zucker. T1R3-Null-Mäuse verloren Verhaltensreaktionen und elektrophysiologische Reaktionen sowohl auf Umami-Reize als auch auf künstliche Süßstoffe und hatten stark verminderte Reaktionen auf Zucker. Nur das Doppel-Knockout-Tier verlor vollständig die Restreaktionen auf natürliche Zucker, was darauf hindeutet, dass T1R2 oder T1R3 als Monomer oder Homodimer wirken können. Tatsächlich reagierten HEK-293-Zellen, die T1R3 der Maus allein exprimieren, auf hohen Zuckergehalt;50 interessanterweise wurden diese Reaktionen bei menschlichem T1R3 nicht beobachtet. Diese Knockout-Studien zeigten eindeutig die wesentliche Rolle der T1R-Proteine T1R2 und T1R3 bei der Erkennung und Wahrnehmung von Süßem. In ähnlicher Weise hat die Felidae-Familie in einem faszinierenden natürlichen Knockout früh in der Evolution eine Loss-of-Function-Mutation im T1R2-Gen erworben und infolgedessen den süßen Geschmack verloren, was die Gleichgültigkeit der Katzen gegenüber Zucker erklärt.57
Wie könnten so wenige Süßrezeptoren die große Anzahl von Arten und individuellen Unterschieden in der Wahrnehmung von süßem Geschmack erklären? Diese Unterschiede können durch Unterschiede in den Gensequenzen zwischen den Arten und durch Polymorphismen innerhalb einer Art erklärt werden. Bei der heterologen Expression reagierten nur die menschlichen T1R2/T1R3 auf Aspartam und Cyclamat, während die Rezeptoren der Ratte, die gegenüber diesen Verbindungen indifferent ist, dies nicht taten.51 Noch bemerkenswerter ist, dass die T1R2-null-Maus, die das menschliche T1R2-Transgen exprimiert, auf mehrere Moleküle reagierte, die von Menschen als süß wahrgenommen werden und denen Mäuse indifferent gegenüberstehen.55 Innerhalb einer Spezies gibt es mehrere Polymorphismen in verschiedenen Mäusestämmen, die eindeutig den Verkoster- bzw. Nichtverkoster-Status dieser Tiere bestimmen.54,58 Diese Polymorphismen wirken nicht durch die Blockierung der Genexpression oder der Proteintranslation, sondern es wird angenommen, dass sie die Fähigkeit, Dimere zu bilden oder Süßstoffe zu binden, beeinträchtigen. Beim Menschen tragen Polymorphismen im Zusammenhang mit dem T1R3-Promotor dazu bei, die bekannten Unterschiede in der Geschmacksempfindlichkeit gegenüber Saccharose zu erklären.59
Ein weiteres Paradoxon, das sich bei der Entdeckung der Süßstoffrezeptoren herauskristallisiert hat, ist die Tatsache, dass so wenige Rezeptoren ein so vielfältiges Spektrum von Reizen wie Kohlenhydrate, Aminosäuren, Proteine und künstliche Süßstoffe erkennen können. Struktur-Funktions-Studien dieser Rezeptoren haben mehrere Bindungsdomänen innerhalb des Dimerkomplexes identifiziert, was erklärt, wie eine so große Vielfalt erreicht werden kann.60,61 Beispielsweise ist die Venusfliegenfalle-Domäne von T1R2 für die Aspartam- und Neotam-Bindung erforderlich, die Transmembrandomäne von T1R3 ist für Cyclamat erforderlich,62,63 und die cysteinreiche Region von T1R3 ist für die Reaktion auf das Süßprotein Brazzein erforderlich.64 Lactisol, ein Süßstoffantagonist, bindet an eine Tasche innerhalb der Transmembrandomäne des menschlichen T1R3;65 interessanterweise erklärt die Veränderung von zwei Aminosäuren in der Transmembrandomäne 5 des Rattenrezeptors dessen Unempfindlichkeit gegenüber diesem Antagonisten.66 Bis heute sind alle vier Domänen des T1R2/T1R3-Dimers – die beiden N-terminalen Domänen und die beiden Transmembrandomänen – an der Bindung von Liganden beteiligt, jede mit unterschiedlichen Affinitäten zu den entsprechenden Liganden.
Viele der gleichen experimentellen Strategien, die T1R2/T1R3 als Süßrezeptor bestätigt haben, haben auch T1R1/T1R3 als Umami-Rezeptor bestätigt. Bei heterologer Expression reagiert das menschliche T1R1/T1R3-Dimer selektiv auf L-Glutamat,51 wohingegen das Maus-Dimer unter seinen Liganden vielseitiger ist und auf praktisch alle L- (aber nicht D-) Enantiomere der 20 Standardaminosäuren reagiert.48,67 Knockout-Studien belegen das T1R1/T1R3-Dimer als Umami-Rezeptor. Das Knockout von T1R1 oder T1R3 eliminierte verhaltensbedingte und elektrophysiologische Geschmacksreaktionen auf Glutamat.55 Ein charakteristisches Merkmal des Umami-Geschmacks ist außerdem seine Potenzierung durch Ribonukleotide wie Inosin-5′-Monophosphat (IMP) und Guanosin-5′-Monophosphat (GMP). Diese Potenzierung wird in ähnlicher Weise bei heterologer Expression beobachtet und fehlt bei T1R1- oder T1R3-Knockout-Mäusen. Im Gegensatz zum Süßgeschmacksrezeptor sind die funktionellen Domänen des Umami-Rezeptors weniger gut erforscht. Unter Verwendung chimärer Rezeptoren, ortsgerichteter Mutagenese und molekularer Modellierung wurde ein kooperatives Ligandenbindungsmodell vorgeschlagen, bei dem Glutamat an die Venusfliegenfalle-Domäne von T1R1 (nahe der Scharnierregion) bindet und IMP an eine benachbarte Stelle, die die Konformationsänderung stabilisiert.68
Es wird immer noch diskutiert, ob das T1R1/T1R3-Dimer der einzige funktionelle Glutamatrezeptor in TRCs ist.50,69 Vor der Entdeckung der T1R-Familie wurde eine einzigartige verkürzte Form des mGluR4-Rezeptors, der in TRCs exprimiert wird, als umami-Rezeptor bezeichnet.70 Es wurde jedoch darauf hingewiesen, dass diesem Rezeptor ein großer Teil der Venusfliegenfalle-Domäne fehlt, die für die Glutamatbindung unerlässlich ist, und dass es ihm an Synergie für Glutamat und Ribonukleotide mangelt.50 Diese Merkmale machen ihn weniger wahrscheinlich zu einem Kandidaten für den umami-Rezeptor. Nichtsdestotrotz lassen die Schwierigkeit, die Natrium- und Glutamatreaktionen von MSG zu trennen, die verbleibenden Umami-Reaktionen in einigen T1R3-Knockout-Mäusen56 und die Verringerung der Glutamatreaktionen auf mGluR-Antagonisten71 die Frage nach multiplen Umami-Rezeptoren offen.