26.3.1.1 I recettori T1R: Trasduzione delle qualità gustative del dolce e dell’umami
I primi recettori metabotropi identificati nella gustativa sono stati due membri della famiglia T1R, T1R1 e T1R2 (originariamente chiamati TR1 e TR2),41 e sono stati scoperti mediante tecniche di screening sottrattivo e differenziale su singola cellula. Questi recettori mostrano circa il 40% di omologia l’uno con l’altro e sono lontanamente correlati ad altri GPCR come il recettore del calcio, il recettore del feromone V2R e i recettori metabotropi del glutammato. Tutti sono membri della famiglia GPCR di classe C e condividono la caratteristica distintiva di un lungo dominio extracellulare N-terminale noto come il dominio Venus flytrap. Esperimenti di ibridazione in situ hanno stabilito che questi recettori sono espressi nel 20-30% dei TRC nelle papille gustative anteriori e posteriori. Inoltre, sono presenti in quasi tutti i vertebrati, ma non negli invertebrati.39
Inizialmente, i ligandi per questi recettori erano sconosciuti, anche se sulla base della loro espressione nella lingua anteriore, è stata suggerita una trasduzione dolce. Molti hanno ipotizzato che i geni di questi recettori sarebbero stati mappati sul locus sac, una regione sul cromosoma 4 distale precedentemente identificata da studi genetici per essere coinvolta nel gusto dolce nei topi. Fuller,42 studiando ceppi di topi che differiscono nella loro avidità di consumare soluzioni dolci, ha stabilito che la maggior parte delle differenze nella preferenza per la saccarina nei ceppi assaggiatori e non assaggiatori (C57BL/6J e DBA/2J, rispettivamente) dipendeva da un singolo locus, chiamato sac. La forma dominante dell’allele è correlata alla preferenza più acuta. Studi successivi hanno generalizzato questa scoperta ad altre molecole dolci come l’acesulfame, la dulcina e il saccarosio,43,44 e hanno notato che i polimorfismi putativi nei geni influenzano l’attività dei nervi periferici.45 Tuttavia, utilizzando la mappatura genetica ad alta risoluzione, il T1R1 è stato mappato prossimalmente al locus sac.46
L’identità di sac e la sua relazione con la famiglia di recettori T1R è diventata chiara quando è stato scoperto il terzo membro della famiglia, T1R3.47-49 T1R3 è espresso in entrambi i campi anteriori e posteriori in TRC la cui morfologia è coerente con le cellule di tipo II. È coespresso con T1R1 o T1R2, anche se una frazione di TRC che esprimono T1R3 non coesprime nessuno dei due.50 Le cellule T1R3 sono coespresse con altri elementi della cascata di trasduzione dolce che includono α-gustducin e PLCβ2. Esperimenti con sistemi di espressione eterologa hanno dimostrato che T1R3 richiede la coespressione di T1R2 per essere pienamente reattivo a un’ampia varietà di sostanze dolci come zuccheri semplici, dolcificanti artificiali, d-amminoacidi e proteine dolci.48,51 Il dimero umano T1R2/T1R3 ha risposto a circa venti composti noti per essere dolci a concentrazioni fisiologiche ed è stato inibito dal lattisolo, un antagonista umano del gusto dolce.51 Attraverso una combinazione di mappatura fisica e di estrazione dal database del genoma, diversi gruppi hanno identificato un T1R3 come sacco nei genomi dei roditori e dell’uomo.47-49,51-54
La convalida di T1R2/T1R3 come il principale recettore del gusto dolce dei mammiferi è stata ottenuta da studi che hanno utilizzato topi knockout per i geni T1R1, T1R2, o T1R3, così come un doppio knockout per i geni T1R2 e T1R3. Questi topi sono stati testati utilizzando saggi comportamentali di breve accesso e registrazioni elettrofisiologiche dai nervi cordofaringei e glossofaringei.55,56 I topi T1R2-null hanno mostrato una perdita di preferenze e risposte neurali per i dolcificanti artificiali e risposte notevolmente diminuite per gli zuccheri naturali. I topi T1R3-null hanno perso le risposte comportamentali ed elettrofisiologiche sia per gli stimoli umami che per i dolcificanti artificiali e hanno avuto risposte molto ridotte per gli zuccheri. Solo il doppio animale knockout ha perso completamente le risposte residue agli zuccheri naturali, suggerendo che T1R2 o T1R3 può operare come un monomero o un omodimero. Infatti, le cellule HEK-293 che esprimono il topo T1R3 da solo hanno risposto allo zucchero alto;50 è interessante notare che queste risposte non sono state osservate con T1R3 umano. Questi studi di knockout hanno dimostrato inequivocabilmente il ruolo essenziale delle proteine T1R T1R2 e T1R3 nel rilevamento e nella percezione del dolce. Allo stesso modo, in un affascinante knockout naturale, la famiglia Felidae ha acquisito una mutazione di perdita di funzione nel gene T1R2 all’inizio dell’evoluzione e ha conseguentemente perso il gusto dolce, spiegando l’indifferenza dei gatti allo zucchero.57
Come potrebbe spiegare il gran numero di specie e differenze individuali nella percezione del gusto dolce? Queste differenze possono essere spiegate dalle differenze nelle sequenze geniche tra le specie e dai polimorfismi all’interno di una specie. Nell’espressione eterologa, solo i T1R2/T1R3 umani hanno risposto all’aspartame e al ciclamato, mentre i recettori del ratto, che è indifferente a questi composti, non l’hanno fatto.51 Più sorprendentemente, il topo T1R2-null che esprime il transgene T1R2 umano ha mostrato risposte a diverse molecole riconosciute come dolci dagli umani, alle quali i topi sono indifferenti.55 All’interno di una specie, polimorfismi multipli di diversi ceppi di topi associavano chiaramente lo stato di assaggiatore e non assaggiatore di questi animali.54,58 Questi polimorfismi non agiscono bloccando l’espressione genica o la traduzione della proteina, ma piuttosto si pensa che interferiscano con la capacità di formare dimeri o legare i dolcificanti. Negli esseri umani, i polimorfismi associati al promotore T1R3 aiutano a spiegare le ben note differenze nella sensibilità gustativa al saccarosio.59
Un altro paradosso che emerge dalla scoperta dei recettori per i dolci è come pochi recettori possano riconoscere una gamma così varia di stimoli come carboidrati, aminoacidi, proteine e dolcificanti artificiali. Gli studi struttura-funzione di questi recettori hanno identificato domini di legame multipli all’interno del complesso dimero, il che spiega come sia possibile incontrare una così grande diversità.60,61 Per esempio, il dominio Venus flytrap del T1R2 è richiesto per il legame all’aspartame e al neotame, il dominio transmembrana del T1R3 è richiesto per il ciclamato,62,63 e la regione ricca di cisteina del T1R3 è richiesta per rispondere alla proteina dolce brazzein.64 Il lattisolo, un antagonista dolce, si lega a una tasca all’interno del dominio transmembrana del T1R3 umano; 65 è interessante notare che il cambiamento di due aminoacidi nel dominio transmembrana 5 del recettore del ratto spiega la sua insensibilità a questo antagonista.66 Ad oggi, tutti e quattro i domini del dimero T1R2/T1R3 – i due domini N-terminali e i due domini transmembrana – sono stati implicati nel legame dei ligandi, ciascuno con affinità distinte ai suoi ligandi corrispondenti.
Molte delle stesse strategie sperimentali che hanno confermato T1R2/T1R3 come recettore dolce hanno analogamente confermato T1R1/T1R3 come recettore umami. Quando viene espresso eterologicamente, il dimero umano T1R1/T1R3 risponde selettivamente al l-glutammato,51 mentre il dimero del topo è più promiscuo tra i suoi ligandi, rispondendo virtualmente a tutti gli enantiomeri l (ma non d) dei 20 aminoacidi standard.48,67 Gli studi di knockout documentano ulteriormente il dimero T1R1/T1R3 come recettore umami. Il knockout di T1R1 o T1R3 ha eliminato le risposte comportamentali ed elettrofisio-logiche del gusto al glutammato.55 Inoltre, una caratteristica del gusto umami è il suo potenziamento da parte dei ribonucleotidi come l’inosina 5′-monofosfato (IMP) e la guanosina-5′-monofosfato (GMP). Questo potenziamento è analogamente osservato nell’espressione eterologa e assente nei topi knockout T1R1 o T1R3. In contrasto con il recettore del gusto dolce, i domini funzionali del recettore umami sono meno esplorati. Utilizzando recettori chimerici, mutagenesi diretta al sito e modellazione molecolare, è stato proposto un modello di legame cooperativo dei ligandi in cui il glutammato si lega al dominio Venus flytrap del T1R1 (vicino alla regione della cerniera) e l’IMP si lega a un sito adiacente che stabilizza il cambiamento conformazionale.68
Si discute ancora se il dimero T1R1/T1R3 sia l’unico recettore del glutammato funzionale nei TRC.50,69 Prima della scoperta della famiglia T1R, una forma unica troncata del recettore mGluR4 espressa nelle TRC è stata riportata come recettore umami.70 Tuttavia, è stato sottolineato che questo recettore manca di una grande porzione del dominio Venus flytrap, che è essenziale per il legame del glutammato, e manca di sinergia per il glutammato e i ribonucleotidi.50 Queste caratteristiche lo rendono meno probabile come recettore candidato per umami. Tuttavia, la difficoltà di dissociare le risposte al sodio e al glutammato del MSG, le risposte umami residue in alcuni topi knockout T1R3,56 e la riduzione delle risposte al glutammato agli antagonisti mGluR71 lasciano aperta la questione dei recettori umami multipli.