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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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科學(xué)家解析首個(gè)昆蟲(chóng)味覺(jué)受體的結(jié)構(gòu)與分子機(jī)制

2024-02-04 分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心

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語(yǔ)音播報(bào)

2月2日，《科學(xué)》（Science）以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究組與浙江大學(xué)郭江濤、徐浩新、蘇楠楠研究組合作完成的題為Structural basis for sugar perception by Drosophila gustatory receptors的研究論文，解析了首個(gè)昆蟲(chóng)味覺(jué)受體——糖類受體的高分辨率結(jié)構(gòu)，闡明了昆蟲(chóng)甜味受體識(shí)別單糖（果糖）和二糖（蔗糖和麥芽糖）的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及糖類分子激活甜味受體的作用機(jī)理，為設(shè)計(jì)害蟲(chóng)引誘劑或驅(qū)蟲(chóng)劑提供了重要模板。

植物通過(guò)光合作用生成的碳水化合物，一部分以淀粉、纖維素等多糖的形式儲(chǔ)存，另一部分則以可溶性糖（如葡萄糖、果糖和蔗糖等）的形式存在?？扇苄蕴菍?duì)于調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。此外，花蜜中的可溶性糖可以吸引昆蟲(chóng)以幫助植物完成授粉，水果中的可溶性糖會(huì)吸引害蟲(chóng)（如果蠅、金龜子等）而造成農(nóng)業(yè)損失。

昆蟲(chóng)對(duì)植物糖類的識(shí)別是通過(guò)味覺(jué)受體（GR）大家族中的甜味受體實(shí)現(xiàn)的。昆蟲(chóng)的味覺(jué)受體是由一大類七次跨膜的離子通道蛋白組成的超家族。果蠅含有60多個(gè)GR蛋白，包含感知甜味、苦味等的受體，也有一些負(fù)責(zé)感知CO₂、信息素及溫度等。這些GR蛋白對(duì)于昆蟲(chóng)的覓食以及在各種環(huán)境中的生存和適應(yīng)至關(guān)重要。盡管領(lǐng)域內(nèi)已對(duì)昆蟲(chóng)味覺(jué)受體開(kāi)展了大量的鑒定和功能研究，而科學(xué)家對(duì)于GR蛋白如何識(shí)別味覺(jué)分子以及相關(guān)激活機(jī)制知之甚少。

該研究聚焦于昆蟲(chóng)的甜味受體，利用冷凍電鏡，解析了單糖受體GR43a處于apo和果糖結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，以及二糖受體GR64a處于apo、蔗糖結(jié)合和麥芽糖結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)（分辨率達(dá)到2.5-2.6埃）。結(jié)構(gòu)顯示，GR蛋白是一個(gè)四聚體的離子通道，與哺乳動(dòng)物中的GPCR型味覺(jué)受體的結(jié)構(gòu)完全不同。每個(gè)GR亞基包含七個(gè)跨膜螺旋（S1-S7）。其中，S1-S6形成配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（LBD），S7則組成中間的孔道結(jié)構(gòu)域（PD）。關(guān)于糖類的識(shí)別，GR43a和GR64a均通過(guò)胞外朝向的極性口袋來(lái)結(jié)合糖類，主要涉及氫鍵相互作用和CH-π相互作用。其中，GR43a利用一個(gè)窄小的口袋來(lái)來(lái)識(shí)別果糖分子，而GR64a則通過(guò)一個(gè)較大且較平的口袋來(lái)識(shí)別蔗糖和麥芽糖，且突變結(jié)合口袋的相關(guān)氨基酸殘基會(huì)嚴(yán)重影響糖類分子對(duì)GR43a和GR64a的激活。

由于GR的中心孔道在上述apo和配體結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中均處于關(guān)閉狀態(tài)，該研究鑒定了一個(gè)具有組成型活性的GR43a突變體（需要指出的是，該突變體仍可被果糖進(jìn)一步激活）。研究利用該突變體解析了GR43a處于開(kāi)放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。其中，孔道擴(kuò)張，能夠允許陽(yáng)離子通過(guò)。研究通過(guò)對(duì)比GR43a處于apo關(guān)閉態(tài)、配體結(jié)合的關(guān)閉態(tài)以及配體結(jié)合的開(kāi)放態(tài)的結(jié)構(gòu)，揭示了果糖激活GR43a的分子機(jī)制：果糖結(jié)合到GR43a的LBD結(jié)構(gòu)域，引發(fā)跨膜螺旋S5-S6向配體結(jié)合口袋中心移動(dòng)；進(jìn)一步，跨膜螺旋S5和孔道螺旋S7之間通過(guò)氫鍵和疏水相互作用相連，因此S5-S6的移動(dòng)會(huì)驅(qū)動(dòng)S7的彎折以及中心孔道的開(kāi)放。

上述研究揭示了糖類分子結(jié)合并激活甜味受體的分子機(jī)制，為探索昆蟲(chóng)味覺(jué)受體GR超家族中各種成員識(shí)別不同味覺(jué)分子提供了一個(gè)原型。此外，由于味覺(jué)感知在調(diào)控昆蟲(chóng)生理和行為方面具有重要作用，該成果為設(shè)計(jì)害蟲(chóng)引誘劑或驅(qū)蟲(chóng)劑等小分子調(diào)控劑提供了精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)模型。

研究工作得到分子植物卓越中心和中國(guó)科學(xué)院上海分院的支持。

論文鏈接

果蠅甜味受體GR43a和GR64a感知糖類的分子基礎(chǔ)

2月2日，《科學(xué)》（Science）以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究組與浙江大學(xué)郭江濤、徐浩新、蘇楠楠研究組合作完成的題為Structural basis for sugar perception by Drosophila gustatory receptors的研究論文，解析了首個(gè)昆蟲(chóng)味覺(jué)受體——糖類受體的高分辨率結(jié)構(gòu)，闡明了昆蟲(chóng)甜味受體識(shí)別單糖（果糖）和二糖（蔗糖和麥芽糖）的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及糖類分子激活甜味受體的作用機(jī)理，為設(shè)計(jì)害蟲(chóng)引誘劑或驅(qū)蟲(chóng)劑提供了重要模板。植物通過(guò)光合作用生成的碳水化合物，一部分以淀粉、纖維素等多糖的形式儲(chǔ)存，另一部分則以可溶性糖（如葡萄糖、果糖和蔗糖等）的形式存在?？扇苄蕴菍?duì)于調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。此外，花蜜中的可溶性糖可以吸引昆蟲(chóng)以幫助植物完成授粉，水果中的可溶性糖會(huì)吸引害蟲(chóng)（如果蠅、金龜子等）而造成農(nóng)業(yè)損失。昆蟲(chóng)對(duì)植物糖類的識(shí)別是通過(guò)味覺(jué)受體（GR）大家族中的甜味受體實(shí)現(xiàn)的。昆蟲(chóng)的味覺(jué)受體是由一大類七次跨膜的離子通道蛋白組成的超家族。果蠅含有60多個(gè)GR蛋白，包含感知甜味、苦味等的受體，也有一些負(fù)責(zé)感知CO2、信息素及溫度等。這些GR蛋白對(duì)于昆蟲(chóng)的覓食以及在各種環(huán)境中的生存和適應(yīng)至關(guān)重要。盡管領(lǐng)域內(nèi)已對(duì)昆蟲(chóng)味覺(jué)受體開(kāi)展了大量的鑒定和功能研究，而科學(xué)家對(duì)于GR蛋白如何識(shí)別味覺(jué)分子以及相關(guān)激活機(jī)制知之甚少。該研究聚焦于昆蟲(chóng)的甜味受體，利用冷凍電鏡，解析了單糖受體GR43a處于apo和果糖結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，以及二糖受體GR64a處于apo、蔗糖結(jié)合和麥芽糖結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)（分辨率達(dá)到2.5-2.6埃）。結(jié)構(gòu)顯示，GR蛋白是一個(gè)四聚體的離子通道，與哺乳動(dòng)物中的GPCR型味覺(jué)受體的結(jié)構(gòu)完全不同。每個(gè)GR亞基包含七個(gè)跨膜螺旋（S1-S7）。其中，S1-S6形成配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（LBD），S7則組成中間的孔道結(jié)構(gòu)域（PD）。關(guān)于糖類的識(shí)別，GR43a和GR64a均通過(guò)胞外朝向的極性口袋來(lái)結(jié)合糖類，主要涉及氫鍵相互作用和CH-π相互作用。其中，GR43a利用一個(gè)窄小的口袋來(lái)來(lái)識(shí)別果糖分子，而GR64a則通過(guò)一個(gè)較大且較平的口袋來(lái)識(shí)別蔗糖和麥芽糖，且突變結(jié)合口袋的相關(guān)氨基酸殘基會(huì)嚴(yán)重影響糖類分子對(duì)GR43a和GR64a的激活。由于GR的中心孔道在上述apo和配體結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中均處于關(guān)閉狀態(tài)，該研究鑒定了一個(gè)具有組成型活性的GR43a突變體（需要指出的是，該突變體仍可被果糖進(jìn)一步激活）。研究利用該突變體解析了GR43a處于開(kāi)放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。其中，孔道擴(kuò)張，能夠允許陽(yáng)離子通過(guò)。研究通過(guò)對(duì)比GR43a處于apo關(guān)閉態(tài)、配體結(jié)合的關(guān)閉態(tài)以及配體結(jié)合的開(kāi)放態(tài)的結(jié)構(gòu)，揭示了果糖激活GR43a的分子機(jī)制：果糖結(jié)合到GR43a的LBD結(jié)構(gòu)域，引發(fā)跨膜螺旋S5-S6向配體結(jié)合口袋中心移動(dòng)；進(jìn)一步，跨膜螺旋S5和孔道螺旋S7之間通過(guò)氫鍵和疏水相互作用相連，因此S5-S6的移動(dòng)會(huì)驅(qū)動(dòng)S7的彎折以及中心孔道的開(kāi)放。上述研究揭示了糖類分子結(jié)合并激活甜味受體的分子機(jī)制，為探索昆蟲(chóng)味覺(jué)受體GR超家族中各種成員識(shí)別不同味覺(jué)分子提供了一個(gè)原型。此外，由于味覺(jué)感知在調(diào)控昆蟲(chóng)生理和行為方面具有重要作用，該成果為設(shè)計(jì)害蟲(chóng)引誘劑或驅(qū)蟲(chóng)劑等小分子調(diào)控劑提供了精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)模型。研究工作得到分子植物卓越中心和中國(guó)科學(xué)院上海分院的支持。論文鏈接果蠅甜味受體GR43a和GR64a感知糖類的分子基礎(chǔ)

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