甜味蛋白质大分子味觉感知及其激活甜味受体-G蛋白偶联受体（GPCR）T1R2/3的分子机制

G protein coupled receptor (GPCR) is the most important membrane protein family in mammalian which mediates the stimulation and response towards the majority of outside environmental signals. Sweetener compounds interact with C family GPCR-heterodimeric TR2/TR3, and then activate the receptor which induces the sense of sweet taste. Although the activation mechanism of sweet receptors by small molecular sweeteners have been well reported, how the sweet proteins with macromolecular weight and steric conformation activate the receptor remains elusive. In this study, the functions of sweet receptors-human and squirrel monkey T1R2/3 receptors which have high sequence identity but distinct responses towards sweet proteins monellin and thaumatin were investigated. By use of chimeras and mutants, molecular modeling, calcium image etc, the binding site of sweet proteins on the receptors was identified, the structural model of the interaction between sweet proteins and TR2/3 receptor was suggested, and the molecular mechanism of sweet receptors activation by sweet taste proteins was elucidated. This study is meaningful for us to understand the relationship between structure and function of GPCR, as well as the inductive mechanism of sweet taste sense.

G蛋白偶联受体（GPCR）是哺乳动物细胞最重要的一类膜蛋白并介导绝大多数外界环境信号的刺激与感应。甜味类化合物与C家族GPCR-异二聚体T1R2/T1R3相互作用, 从而激活受体并引起甜味觉的感知。虽然小分子甜味剂激活甜味受体的机制已有较多报道，对于大分子及空间体积的甜味蛋白质如何激活受体尚不清楚。本研究将首次以序列相似性高但对甜味蛋白质monellin、thaumatin等具有不同反应的人及squirrel monkey (松鼠猴) T1R2/3受体为研究对象，综合运用嵌合体及突变体、分子建模、钙离子成像等技术方法，鉴定甜味蛋白在受体上的结合位点，提出甜味蛋白质大分子与T1R2/3受体相互作用的结构模型，阐明甜味蛋白质大分子激活甜味受体T1R2/3的分子机制。研究结果对于我们理解GPCR的结构与功能以及甜味觉形成的机理具有重要意义。

本项目以介导甜味觉感知的G蛋白偶联受体（GPCR）—甜味受体T1R2/T1R3和大分子蛋白类甜味剂—-甜味蛋白质为研究对象，旨在揭示大分子甜味蛋白质如何与甜味受体相互作用并激发甜味觉感知的分子机理。具体的，我们在对松鼠猴（Squirrel monkey）与弥河猴（Rhesus monkey）的甜味受体进行功能鉴定的基础上，通过分子建模计算以及钙离子成像功能检测等方法，初步揭示了大分子甜味蛋白质monellin（莫内林）与人、松鼠猴等甜味受体相互作用并激活受体的分子机制。 我们依据甜味蛋白质monellin（莫内林）的三级结构，结合甜味蛋白质与受体相互作用的分子模型，较为深入的研究了该甜味蛋白质呈现“甜味”的分子机制与结构基础，发现决定甜味蛋白质monellin稳定性提高的氨基酸大多分布于其ɑ螺旋两端，且N末端区域对于甜味蛋白质monellin的甜味度具有重要影响，在此基础上，鉴定了甜味蛋白质monellin热稳定性明显提高的突变体E23A（约20 °C）以及甜味强度明显提高的突变体E2N（约3倍），并成功的将甜味增强的突变体在毕赤酵母中表达纯化。进一步，通过圆二色谱、荧光发射光谱以及结构分析与解析等方法，深入研究了甜味蛋白质monellin甜味或稳定性有明显提高的双突变体E2N/E23A、E2N/Y65R、E23A/Y65R结构与功能的关系。此外，对甜味剂分子海藻糖的酶法分子合成进行了一定研究，对于研究甜味受体和甜味蛋白质结构和功能提供了素材并具有借鉴意义。.本研究项目共发表SCI论文5篇，其中项目负责人通讯作者SCI论文4篇，第一作者SCI论文1篇。项目研究结果有助于进一步理解大分子甜味蛋白质如何与受体相互作用以及呈现“甜味”的分子机制，并为深入研究介导甜味觉感知的G蛋白偶联受体（GPCR）—甜味受体T1R2/T1R3的结构与功能和分子进化机制等提供了有益的素材和研究思路。在阐明甜味蛋白质monellin“甜味”呈现分子机制的基础上，发现并鉴定了该甜味蛋白质甜味强度或稳定性有明显提高的优良突变体E2N 、E23A和E2N/E23A等，有助于利用蛋白质工程的方法，对甜味蛋白质进行理性设计与改造，筛选优良甜味蛋白质，促进甜味蛋白质产业的发展以及人类的健康与食品安全。