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Nature:揭示味觉系统将味道信息从舌头传递到大脑的机制

来源:本站原创 2017-08-11 06:35


图片来自Lee et al./Nature 2017

2017年8月11日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,美国哥伦比亚大学的Charles Zuker和同事们通过研究小鼠舌头上的检测苦味的细胞和检测甜味的细胞,梳理出味觉系统如何自我建立连接。这些结果揭示出细胞如何不断地重新建立连接来保持味觉正常运行,从而允许味道信息从舌头传递到大脑。相关研究结果于2017年8月9日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Rewiring the taste system”。

论文第一作者、Zuker实验室博士后研究员Hojoon Lee说,检测甜味、苦味、咸味、酸味和鲜味(umami)的能力是天生的。他说,“我们生来就讨厌酸味或苦味,喜欢甜味。”

尽管可能看起来味觉仅是一种愉悦或轻度恶心的问题,但是这些反应是存活的关键,特别是对其他的动物而言。甜味能够标志着营养丰富的食物,而苦味能够标志着致命的毒药。

对如此重要的任务而言,味觉系统具有显著高的细胞周转率。舌头上的检测味道的细胞就像是一串圣诞灯,不断地死掉和被替换。这些细胞被称作味觉受体细胞(taste receptor cell),位于味蕾上,仅存活大约两周的时间,这意味着干细胞需要持续地产生新的味觉受体细胞。

Zuker说,这些味觉受体细胞较短的寿命产生一种难题:在如此高的细胞周转率下,这种味觉系统如何可靠地完成它的任务?要让这种味觉系统发挥作用,味蕾中的细胞与神经元之间的连接每次必须正确地重新建立。Zuker说,“如果不能够正确地连接,那么这将触发错误的行为反应。”但是这种味觉系统如何完成这一壮举是个谜。

Lee说,“本质上,人们对这种味觉系统的神经连接知之甚少。”利用复杂的遗传学技术和单细胞功能性成像,Zuker、Lee和同事们通过基因改造,培育出具有混乱的味觉系统的小鼠。随后,他们观察了苦味受体细胞与甜味神经元或者甜味受体细胞与苦味神经元之间如何错误地建立连接。

每种味觉受体细胞检测这5种味道中的一种。当一种味觉受体细胞检测到一种化学味道时,它就立即发挥作用。这种活性就被刚好位于小鼠耳朵后面的神经节神经元(ganglion neuron)捕捉到。这些神经元将来自舌头的味道信息发送到大脑中。

为了找出神经节神经元如何发现和重新连接正确的新产生的味觉受体细胞,Zuker、Lee和同事们着重关注苦味和甜味。利用一种被称作RNA测序(RNA-seq)的方法,他们发挥两种分子可能作为关键性信号发挥功能。检测苦味的味觉受体细胞(即苦味受体细胞)产生一种被称作SEMA3A (Semaphorin 3A)的分子,而检测甜味的味觉受体(即甜味受体细胞)细胞大量地产生一种被称作SEMA7A (Semaphorin 7A)的分子。已知这两种分子有助正确地建立神经回路。

接下来,这些研究人员利用突变小鼠开展测试,在这种突变小鼠中,检测苦味的味觉受体细胞缺乏SEMA3A。大多数神经节神经元通常与检测苦味的味觉受体细胞建立连接。但是,在缺乏SEMA3A的情形下,之前的苦味神经节神经元扩大它们的技能,与其他类型的味觉受体细胞建立连接。他们发现,将近一半的苦味神经节神经元也对甜味、鲜味和咸味作出反应。

更多的混乱发生了。当小鼠经过基因改造使得它们的甜味受体细胞和鲜味受体细胞(而不是期待的苦味受体细胞)表达苦味信号SEMA3A时,这些在正常条件下对苦味作出反应的神经节神经元如今也对甜味作出反应。这些小鼠的行为反映了这种混乱。它们很难区分开淡水和添加苦味化学物奎宁的水。

当利用经过基因改造让检测苦味的味觉受体细胞表达甜味信号SEMA7A时,这些研究人员也取得类似的结果。通常对甜味作出反应的神经节神经元如今也开始检测苦味。

这些结果证实新生的味觉受体细胞中的特定化学信号能够引导合适的神经细胞靠近它们,从而建立导致合适的味觉产生的细胞连接。Zuker说,“当新的味觉受体细胞产生时,它们提供合适的指令来建立合适的连接。”

这些实验室在小鼠体内开展的,不过鉴于人类和小鼠味觉系统存在着较高的类似性,Lee猜测这些结果可能也适用于人体。通过揭示这种味觉系统如何持续地自我重建,这项研究可能导致人们更加深刻地理解这些味觉是如何组装和建立连接的,以及它们的信息如何到达大脑。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Hojoon Lee, Lindsey J. Macpherson, Camilo A. Parada et al. Rewiring the taste system. Nature, Published online 09 August 2017, doi:10.1038/nature23299

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