唐 香,余善君,李 琪,2,3*,周向東,2,3

0 引言

呼吸道作為與外界直接相通的開放性管道,時刻面臨著各種吸入顆粒及病原體不同程度的侵襲,因此在抵御病原體入侵方面起著至關重要的防御屏障作用,而化學感覺信號轉導通路恰好是呼吸系統(tǒng)細胞感受外界刺激的重要途徑。

研究表明,味覺受體不僅存在于舌頭的味蕾細胞中,還存在于呼吸、心血管、消化、生殖及中樞神經系統(tǒng)等多個組織器官的化學感覺細胞中,并發(fā)揮活性功能。其中呼吸道中苦味受體(Bitter taste receptors,TAS2Rs)及其下游信號轉導分子的表達尤為廣泛,可參與機體的多種重要生理信號調控[1-6]。本文主要就苦味受體在呼吸系統(tǒng)中的研究進展進行綜述。

1 苦味受體

G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors,GPCRs)是真核生物中規(guī)模最大、最具多樣化的一類膜受體,可被脂質、糖、肽和蛋白質形式的多種配體激活,將來自外界環(huán)境的信息傳遞到細胞中,以介導其相應的功能反應,如調節(jié)嗅覺、味覺和視覺的感官功能,或參與分泌、代謝、神經傳遞、細胞分化、炎癥和免疫反應等多種生理過程[7-8]。味覺作為人類生活中最重要的感覺之一,可以分為甜、苦、鮮、咸和酸5種基本感覺形式。前三者的感覺是通過味蕾細胞中表達的GPCRs來傳遞,而后兩者的感覺是通過激活細胞膜上的離子通道,從而調節(jié)味覺受體細胞的功能[9-10]。

表達于呼吸系統(tǒng)中的TAS2Rs是一類感知苦味的七次跨膜的GPCR,2000年Adler教授和Matsunami教授研究組通過對DNA基因組序列數(shù)據庫進行搜索,發(fā)現(xiàn)人類和小鼠在基因遺傳圖譜上具有相同的苦味感知位點而被命名[11-12]。目前,在人類基因組中已發(fā)現(xiàn)25種TAS2Rs基因亞型,各亞型之間大約有30%～70%的氨基酸序列存在相似性,可分別位于5號染色體(5p15)和12號染色體(12p13)的短臂以及7號染色體(7q31)的長臂上,且基因的多樣性遠豐富于鮮味受體及甜味受體[13-17]。此外,由于自然環(huán)境中的苦味物質種類繁多,其結構具有顯著差異。研究表明,同一種TAS2Rs具有多個配體結合位點,人類基因組編碼的25 種TAS2Rs中,能夠識別的配體集合有19種,約占目前已知苦味化合物數(shù)據庫中的80%,其余孤兒受體的配體集合還有待探索[18-19 ]。相關研究發(fā)現(xiàn),當不同的苦味物質作用于同一種TAS2Rs時,可感知相同的苦味覺,從而引起人體心理或生理上本能的厭惡反應,避免機體對有毒、有害物質的攝取與吸收[20]。因此,某種程度上苦味的感知可被認為是一種抵御有毒物質的關鍵防御機制。

2 信號轉導通路

TAS2Rs的信號轉導通路十分復雜,因苦味化合物的化學結構具有多樣性,因此其信號傳遞通路也可能有多種不同形式的轉導路徑和信號因子參與。其中,苦感產生的大致過程是苦類化合物與味覺細胞頂部微絨毛上的TAS2Rs蛋白結合,然后經細胞內信號轉導產生興奮性信號,傳給中樞味覺神經系統(tǒng)而實現(xiàn)[21]。

現(xiàn)有研究表明,肺部TAS2Rs的信號傳遞級聯(lián)反應有3種,且彼此之間存在一定的關聯(lián)[7,9-10,22]。第1種起調節(jié)作用,通過G蛋白的α亞基激活磷酸二酯酶(PDE),使得細胞內環(huán)磷酸腺苷(cAMP)濃度降低,離子通道抑制作用解除,受體細胞去極化,ATP釋放。第2種是通過TAS2Rs同源的G蛋白β和γ亞基活化磷脂酶β2(PLCβ2),導致內質網中的Ca2+釋放,激活瞬時受體電位陽離子通道(TRPM5),并通過鈣穩(wěn)態(tài)調節(jié)劑CALHM1或CALHM1/CALHM3離子通道觸發(fā)ATP釋放起作用。第3種是不需要G蛋白參與的轉導級聯(lián)反應,苦味物質與TAS2Rs直接結合,開放離子通道,產生信號轉導。例如,奎寧等苦味配體與TAS2Rs直接結合,開放K+通道,引起K+內流[23](見圖1)。

圖1 肺部苦味受體的3種信號傳遞路徑

3 TAS2Rs在呼吸系統(tǒng)細胞中的表達

根據組織器官的分布和表達,傳統(tǒng)觀點認為TAS2Rs僅在味蕾II 型味覺受體細胞中表達。而近年來大量研究表明,TAS2Rs還可在平滑肌細胞、纖毛細胞、簇細胞、免疫細胞及肺癌細胞等多種呼吸系統(tǒng)細胞中表達,并參與調節(jié)宿主免疫功能、舒張平滑肌、促進黏液-纖毛清除、抑制微生物感染、改善炎癥及氣道重塑等一系列病理生理過程[6,24]。

3.1 TAS2Rs在平滑肌細胞中的研究 氣道平滑肌(Airway smooth muscle,ASM)是影響氣道張力和呼吸生理學的主要細胞類型。有研究發(fā)現(xiàn),激活TAS2Rs能充分打開收縮的氣道,引起氣道平滑肌松弛和支氣管高效舒張,其強度可超過β2 腎上腺素的 3～4 倍,明顯高于目前臨床上治療 COPD 和哮喘的最佳藥物[25-26],且未發(fā)現(xiàn)存在類似β2 腎上腺素能受體脫敏、耐受等問題[27]。Pan等[28]研究表明,以TAS2Rs激動劑氯喹、奎寧及糖精對人ASM細胞進行干預,可顯著抑制ASM細胞增殖,并通過靶向阻斷磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)的信號轉導通路,改善炎癥引起的氣道重塑。即使是在激動劑反復暴露的情況下,TAS2Rs 的表達、信號轉導或擴張支氣管的功能也不會被影響[27,29]。此外,最近一項突破性的醫(yī)學研究發(fā)現(xiàn),以TAS2Rs激動劑苦丁皂苷A激活TAS2Rs后,其誘導偶聯(lián)G蛋白(Gɑt)從TAS2R-Gɑt/Gβγ復合體中解離,然后通過與AChR結合,競爭性抑制AChR的偶聯(lián)G蛋白Gq功能,從而阻斷其下游誘導的鈣信號,使預收縮的ASM舒張[30]。該研究首次明確了激活TAS2Rs引起支氣管平滑肌擴張的確切作用機制,為治療COPD和哮喘提供了新的藥物靶點。同時也表明了ASM在調節(jié)哮喘和COPD等阻塞性氣道疾病的病理及生理發(fā)展過程中起著十分關鍵的作用。

除了氣道平滑肌細胞,肺血管平滑肌細胞中也表達數(shù)種TAS2Rs,具有感知苦味刺激的能力。Manson等[31]從分離的人和嚙齒動物肺組織樣本中,檢測出肺血管平滑肌細胞表達的苦味受體(TAS2R3、TAS2R4、TAS2R10、TAS2R14),后者被多種苦味物質(氯喹、苯甲地那銨、右美沙芬和奎寧等)激活后,能誘導細胞內鈣離子增加,使預收縮的血管平滑肌松弛。此外,TAS2R激動劑所誘導的肺血管平滑肌舒張是獨立于功能性內皮的,與內皮衍生物的舒張介質(NO或前列環(huán)素)無關[31-32]。有研究人員通過體外培養(yǎng)人肺血管內皮細胞(Human pulmonary arterial endothelial cells,HPAECs)模型,發(fā)現(xiàn)HPAECs中也存在較為豐富的TAS2Rs,其中TAS2R10和TAS2R38高度表達,可通過cAMP-Rac1信號轉導通路,降低LPS誘導的肺內皮通透性和VE-肌鈣蛋白的表達,從而改善肺血管內皮屏障功能[33]。這項研究首次證實了人肺動脈內皮細胞中TAS2Rs的存在,對于未來開發(fā)降低急性呼吸窘迫綜合征(Acute respiratory distress syndrome,ARDS)中血管通透性的治療靶點至關重要。

3.2 TAS2Rs在呼吸道纖毛細胞中的研究 纖毛細胞是呼吸系統(tǒng)黏液-纖毛清除功能(Mucociliary clearance,MCC)防御作用機制的重要環(huán)節(jié),其纖毛節(jié)律性的運動能將其所吸附的顆粒、病原微生物等異物通過氣道腔面液體層排出呼吸道,從而防止病原體入侵及可能的后續(xù)感染[34]。

目前,研究表明人呼吸道纖毛細胞具有可利用味覺受體的化學反應特性[35],其細胞TAS2Rs與呼吸道系統(tǒng)的免疫功能密切相關,是人類呼吸道防御的“哨兵”[36]。當機體受到外界物質(如細菌產物)刺激時,口腔外的味覺受體可作為細菌“傳感器”,激活 TAS2R 受體下游的炎癥信號,增強黏液清除率、促進抗菌肽分泌和發(fā)揮殺菌效應[37]。目前,TAS2R38是較為明確的呼吸道受體亞型,人鼻腔鼻竇黏膜中的單體化學感受細胞(Solitary chemosensory cell,SCCs)和氣道纖毛上皮細胞中均有表達[38-39]。體內研究表明,人呼吸道纖毛細胞中的TAS2R38與結合革蘭陰性細菌產生的?；呓z氨酸內酯(Acyl-homoserine lactones,AHLs)信號因子結合后,一方面可依賴激活下游鈣依賴性信號轉導通路,促進抗菌肽/NO合成與釋放,干擾細菌的黏附及細菌生物膜的形成,發(fā)揮殺菌效應;另一方面可介導產生的NO激活PKG和cGMP,增加纖毛波動頻率,增強呼吸道纖毛清除病原微生物的能力[40-41]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),TAS2R38基因位點的單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotide polymorphism,SNPs)不僅能影響機體對特定苦味劑感知的能力,還能影響其引起的免疫應答和抗菌效應[42]。在人上呼吸道纖毛上皮細胞中,T2R38 PAV/PAV基因型細胞感知銅綠假單胞菌AHL刺激,釋放NO殺滅細菌和增加纖毛清除率的能力明顯強于AVI/AVI或PAV/AVI基因型細胞[43];而在慢性鼻竇炎患者中,AVI/AVI基因型患者鼻腔分離細菌形成生物膜的能力則更強[44]。結果表明,TAS2Rs的功能遏制或表達缺陷可能會顯著影響呼吸道對病原體的易感性。

3.3 TAS2Rs在簇細胞中的研究 簇細胞是一類較為罕見的化學感覺上皮細胞,可通過細胞膜受體感受外界刺激,釋放生物活性物質以調節(jié)機體免疫應答。簇細胞可位于上下呼吸道、胃腸道和泌尿生殖等組織上皮中,具有與味蕾II型味覺細胞相同的細胞形態(tài)、信號轉導通路成分(如GNAT3、PLCB2、TRPM5)和基因表達譜[45]。

迄今為止,關于簇細胞的研究大多集中在胃腸道簇細胞中,而在呼吸道上皮細胞中較少,但與胃腸道簇細胞一樣,呼吸道簇細胞也可以通過檢測組織細胞內微生物衍生的化學物質來抵抗微生物感染。有研究發(fā)現(xiàn),在上呼吸道黏膜組織中,簇細胞具有同時表達苦味受體和甜味受體2/3(Sweet taste receptor,TAS1R2/TAS1R3)的能力,其中簇細胞的化學免疫感應能力與抗菌肽的分泌以及肥大細胞脫顆粒有關[46]。當人鼻竇上皮簇細胞TAS2Rs被激活后,可通過甜味TAS1R2-TAS1R3配體(包括細菌來源的D-氨基酸)的抑制過程刺激鄰近細胞釋放抗菌肽,發(fā)揮抗菌作用,表明苦/甜味受體激活水平和功能狀態(tài)的相互制衡可能是維護氣道微生態(tài)環(huán)境和防御力的重要環(huán)節(jié)[46-47]。此外,簇細胞激活還可以釋放IL-25,與呼吸道上皮細胞受外界有害物質刺激時產生的其他細胞因子(TSLP、IL-33)共同調節(jié)固有免疫[48]。有研究者發(fā)現(xiàn),用苦味劑苯甲地那銨和銅綠假單胞菌衍生的群體感應分子AHLs可激活鼻竇上皮簇細胞和氣道黏膜簇細胞TAS2Rs,引起簇細胞內的Ca2+濃度升高,增加ACh分泌,刺激三叉神經纖維上的化學感受器,進而產生神經源性肥大細胞介導的炎癥反應和潛在的保護性呼吸中止反應[49]。此外,氣道簇細胞的TAS2Rs級聯(lián)反應還能通過自分泌功能協(xié)調細菌感染的2型免疫應答[50]。綜上,在呼吸道中,苦味受體在防止細菌感染方面可能具有較好的防御作用。

3.4 TAS2Rs在免疫細胞中的研究 近年研究表明,TAS2Rs與多種免疫相關疾病有關,是機體全身免疫功能的核心化學感受器,其調節(jié)的免疫反應不僅能保護機體免受病原微生物的侵害,還能保持微生物群間的平衡。目前在外周血中性粒細胞、單核細胞、淋巴細胞、巨噬細胞和肥大細胞等免疫細胞中,已明確發(fā)現(xiàn)表達功能性TAS2Rs[51-52]。

Maurer等[53]通過對7例志愿者的外周血進行細胞熒光測定,發(fā)現(xiàn)人體內中性粒細胞和單核細胞的TAS2R38與銅綠假單胞菌衍生的AHL-12特異性結合后,可激活細胞趨化及吞噬功能,在宿主對生物膜感染早期應答過程中具有重要意義。Sharma等[54]在塵螨(House dust mite,HDM)和卵白蛋白(Ovalbumin,OVA)誘發(fā)的過敏性小鼠哮喘模型中證明了TAS2R激動劑(氯喹或奎寧)對免疫細胞浸潤以及細胞因子/趨化因子在肺中的釋放具有抑制作用。Gopallawa等[55]發(fā)現(xiàn),在巨噬細胞中也表達TAS2Rs,來自細菌的苦味代謝物可刺激TAS2Rs并激活鈣信號,導致NO合酶異構體激活和NO產生,產生的NO通過蛋白激酶G增加細胞cGMP水平,上調巨噬細胞的吞噬作用。當機體內cAMP水平升高時,巨噬細胞的TAS2Rs還可通過百日咳毒素(Pertussis toxin,PTX)依賴性途徑,降低cAMP水平,以增強吞噬作用。此外,TAS2Rs激活還可通過拮抗LPS誘導的人外周血單核細胞和肺巨噬細胞炎癥介質的產生而發(fā)揮抗炎作用[56]。TAS2Rs的抗炎活性與SNPs同樣相關,與無功能的AVI/AVI雙倍型相比,功能性PAV單倍型TAS2R38受體在激動劑刺激后表現(xiàn)出顯著抑制TNF-α釋放的作用[57]。在IgE受體激活的原代人肥大細胞中,TAS2Rs和TAS2Rs激動劑氯喹和苯甲地那銨結合可抑制組胺和PGD2的釋放[58]。除此之外,在嚴重哮喘兒童的血液白細胞中也檢測出較高水平的TAS2Rs表達,其受體激活不僅可抑制成人全血細胞中多種促炎細胞因子和花生四烯酸類物質的釋放,還能避免白細胞遷移[59]。上述研究結果表明,TAS2Rs可通過調節(jié)NK細胞介導的細胞毒性、T細胞受體、趨化因子及TNF等信號轉導通路,參與調節(jié)宿主免疫系統(tǒng)防御功能以及抑制細胞因子風暴。

3.5 TAS2Rs在肺癌細胞中的研究 TAS2Rs在各種口腔外細胞中表達并具有功能活性,其遺傳變異性和由其激活引發(fā)的功能反應引起廣泛關注。在癌癥細胞中,TAS2Rs可參與調控細胞凋亡與增殖的重要生理過程。在胰腺癌細胞中,細菌代謝物(AHL-12)激活TAS2R38,可引起細胞內轉錄因子表達水平改變,使多重耐藥蛋白ABCB1基因表達上調,降低腫瘤細胞的化療耐藥性[60]。研究表明,TAS2R10也可表達于人胰腺癌細胞中。當用苦味劑咖啡因刺激癌細胞,可激活TAS2R10抑制Akt磷酸化,進而下調另一種多重耐藥蛋白ABCG2的表達,使細胞對化療藥物的敏感性增加[61]。此外,在人神經母細胞瘤細胞中,TAS2R8和TAS2R10激活具有誘導抗癌干細胞反應和抗腫瘤侵襲作用[62]。在前列腺癌和卵巢癌患者細胞中,TAS2R14激活可參與誘導細胞凋亡[63]。有報道,包括TAS2R4和TAS2R14在內的TAS2Rs多態(tài)性變異與癌癥風險增加相關,與非癌細胞系相比,TAS2Rs在癌變中的基因表達主要以下調為主[64]。綜上,TAS2Rs可存在于致癌細胞中并具有功能活性。

雖然目前還沒有文獻對TAS2Rs與肺癌之間的關系進行詳盡報道,但根據TGGA癌癥數(shù)據庫(The Cancer Genome Atlas)收錄的資料顯示,在人肺腺癌和肺鱗癌病例中已有部分TAS2Rs基因拷貝數(shù)目發(fā)生改變。國內學者李松旻等[65]通過對POU2F3類簇細胞型小細胞肺癌系NCI-H526和NCI-H211進行基因表達和細胞功能研究,發(fā)現(xiàn)NCI-H211細胞和簇細胞有著諸多共同特征：表達苦味受體基因(11種)以及包括α-gustducin、Gγ13、PLCβ2和TrpM5在內的味覺轉導蛋白。在H211細胞中,TAS2R10和TAS2R38表達水平較高,用苯甲地那銨和N-苯基硫脲分別刺激人小細胞肺癌系H211,可促進H211細胞中COX2表達和PGE2合成。可見TAS2Rs是預測治療結果和指導治療方案選擇的潛在生物標志物,有望成為刺激癌細胞凋亡的治療靶點,但TAS2Rs影響肺癌細胞凋亡的具體機制還需進一步研究確定。

4 小結

綜上所述,苦味受體可在呼吸系統(tǒng)細胞中廣泛表達,其激活具有舒張平滑肌、促進黏液-纖毛清除、抑制微生物感染、改善炎癥及氣道重塑等多種功效,對控制呼吸道疾病起到非常顯著的效果,現(xiàn)已成為治療此類疾病的理想候選成分。盡管已有較多進展,但仍有許多問題亟待解決,如探索人類肺組織編碼的25種TAS2Rs細胞定位及其主要功能,呼吸道TAS2Rs激動劑在人體中的安全性和有效性。另外,由于TAS2Rs化學結構的多樣性,其受體特異性激動劑及阻斷劑的開發(fā)也亟待解決?？傊?TAS2Rs應是一個有潛力的分子靶點。