У дрозофил нашли рецепторы щелочного вкуса

Ученые из Китая и США обнаружили у дрозофилы ген, отвечающий за восприятие щелочного вкуса. Авторы назвали ген alka и выяснили, что он кодирует хлоридный ионный канал в рецепторных нейронах на хоботке мух. Этот рецептор заставляет мух избегать щелочной пищи, а отключение гена нарушает это избегание. Исследование опубликовано в Nature Metabolism.

Люди и многие животные распознают пять базовых вкусов — сладкий, соленый, горький, кислый и умами — вкус белка. Восприятие вкуса помогает понять, насколько пища питательна и безопасна. За это восприятие отвечают определенные рецепторы (для каждого вкуса свои) — обычно это мембранные белки в чувствительных клетках на языке или какой-то другой части ротового аппарата. 

На распознавание вкусов сильно влияет образ жизни: хищные млекопитающие разучились воспринимать сладкий вкус (нужные гены перестали работать), а у травоядных и насекомоядных позвоночных больше генов, кодирующих рецепторы горького вкуса, — чтобы различать токсины растений и насекомых. А панды, которые перешли от хищничества к растительноядности, потеряли способность ощущать вкус умами, но стали лучше чувствовать горький вкус.

Изучать физиологию восприятия вкуса удобно на плодовых мушках дрозофилах: они могут различать почти все основные вкусы. Кислый вкус, например, дрозофилы распознают благодаря ионному каналу, реагирующему на низкий pH, который открывается при высокой концентрации ионов водорода H⁺.

Вообще, кислотность и щелочность пищи и окружающей среды — важный показатель, игнорировать который может быть опасно. Но не понятно, могут ли мухи и вообще животные распознавать щелочной вкус — то есть высокий pH — при котором увеличивается количество гидроксид-ионов OH⁻. Предыдущие исследования на животных и людях указывают на то, что щелочи как-то распознаются вкусовыми рецепторами: кончик нашего языка воспринимает NaOH, вкусовые нейроны кошек реагируют на высокий pH, а насекомые стараются избегать высокощелочной среды. Но каков механизм — неясно.

Тинвэй Ми (Tingwei Mi) из Центра химических ощущений Монелла и его коллеги решили выяснить, ощущают ли дрозофилы щелочной вкус и как именно. Исследователи предложили мухам дикого типа выбрать между нейтральным раствором глюкозы (pH = 7) и таким же раствором, но щелочным: в него добавили NaOH (pH = 13). Мухи предпочитали нейтральную, а не щелочную пищу. Тогда авторы предположили, что щелочь дрозофилы распознают с помощью специфических вкусовых детекторов — это могут быть трансмембранные рецепторы или ионные каналы.

Тогда они создали много мутантных мух, у которых была нарушена экспрессия конкретных рецепторов или ионных каналов. Функция некоторых была известна ученым, а зачем нужны другие рецепторы и каналы авторы не знали. Большинство мутантов так же отказывались от щелочной пищи, но один мутант — CG12344^MI11416 — не избегал щелочи. Исследователи выяснили, что белок CG12344, экспрессия которого была нарушена у этого мутанта, принадлежит к семейству лиганд-зависимых хлоридных каналов LGCC дрозофил и отдаленно связан с глициновыми рецепторами GlyR.

У дрозофил есть 12 генов таких каналов, и ученые проверили их все на чувствительность к щелочи — создали новых мутантов. Но только мутанты с нокдауном CG12344 не избегали щелочной пищи. Исследователи назвали этот ген alka или alkaliphile (от alkaline — щелочь).

Далее они создали мутантных дрозофил alka¹, у которых этот ионный канал не работал. Мутанты alka¹ не избегали щелочной пищи, а если концентрация NaOH была невысокой (10 мМ) — даже предпочитали ее. Но исследователи предположили, что это из-за натрия и рецепторов, воспринимающих соленый вкус (натриевых каналов). Чтобы убедиться в этом, исследователи предложили мухам выбрать между щелочным раствором с NaOH (pH = 13) и нейтральным раствором с NaCl (pH = 7). Мутантные мухи не выражали никаких предпочтений в этом случае. И когда ученые заблокировали каналы натрия у этих дрозофил, мухи больше не предпочитали щелочные растворы.

Затем исследователи выяснили, какие из вкусовых сенсилл дрозофил реагируют на pH. Всего таких сенсилл три типа — большие (L), промежуточные (I) и малые (S). На них расположены рецепторы — чувствительные нейроны, в мембраны которых и встроены различные ионные каналы и другие детекторы. Электрофизиологическое исследование показало, что только малые сенсиллы S-типа восприимчивы к pH. Чем выше была концентрация NaOH, тем интенсивнее была нейронная активность, но только у дрозофил дикого типа — рецепторы мутантов alka¹ на pH почти не реагировали.

Еще авторы выяснили, что потеря alka не влияет на восприятие других вкусов — сладкого, горького, кислого и соленого. Мутанты alka¹ реагировали на сахарозу, кофеин, соль и кислоту так же, как и дрозофилы дикого типа.

Дополнительно ученые посмотрели, как рецептор реагирует на слабое основание Na2CO3 (карбонат натрия) по сравнению с сильным NaOH. Карбонат натрия широко распространен в естественной среде обитания многих животных, в том числе мух, и нередко встречается в пище. Выяснилось, что мутантные дрозофилы не избегают пищи с Na2CO3, ровно как и с NaOH, а вот мухи дикого типа — избегают.

Авторы проанализировали экспрессию гена alka, присоединив к нему ген зеленого флуоресцентного белка. Выяснилось, что alka экспрессируется не только в рецепторных нейронах GRN на сенсиллах хоботка (эти нейроны отвечают за восприятие вкуса), но и в хемосенсорных нейронах на ногах мух и в обонятельных органах — антеннах и максиллярных щупиках. В мозге alka не экспрессировался.

Также авторы убедились, что Alka представляет собой канал для ионов хлора при высоком pH, и описали механизм его работы. Для этого они исследовали работу каналов в клетках HEK293, которые экспрессировали alka. Эти клетки активировались, когда их обрабатывали щелочными растворами (pH = 12). В то же время контрольные клетки без экспрессии alka в ответ на щелочные растворы генерировали намного меньше токов. Ученые стали менять ионы внутри и снаружи клеток, чтобы выяснить, за счет транспорта каких ионов работает канал Alka. Оказалось, что избыток гидроксид ионов OH⁻ в щелочном растворе заставляет канал открыться — в итоге ионы хлора Cl⁻ (которых внутри клетки больше, чем снаружи) выходят из клетки, деполяризуя ее. Когда исследователи добавляли больше ионов хлора внутрь клеток, такие клетки активировались сильнее.

С помощью оптогенетики исследователи отключали щелочные GRN  дрозофил дикого типа — и те переставали избегать щелочной пищи так же, как и мутанты. А активация нейронов, реагирующих на щелочь, приводила к тому, что мухи отказывались даже от раствора сахарозы (предполагая, что там щелочь). Так авторы заключили, что гена alka и экспрессирующих его клеток GRN достаточно для избегания мухами высокощелочной пищи.

Ранее мы рассказывали о том, как ученые создали «карту вкусов» в мозге человека. Они разметили участки островковой коры и крышечки головного мозга, которые отвечают за разные вкусы. Для этого участникам исследования нужно было есть сладкую, соленую, горькую и кислую еду.