Gustducin je G protein spojený se základní chutí a chuťovým systémem. Vzhledem k jeho relativně nedávnému objevu a izolaci není o jeho povaze a přidružených drahách známo vše. Je známo, že hraje velkou roli při transdukci hořkých, sladkých a umami podnětů a že jeho dráhy (zejména pro detekci hořkých podnětů) jsou četné a rozmanité. Snad nejzajímavějším rysem gustducinu je jeho podobnost s transdukinem. Bylo prokázáno, že tyto dva G proteiny jsou strukturně a funkčně podobné, což vede badatele k domněnce, že chuťový smysl se vyvíjel podobným způsobem jako zrakový smysl.
Gustducin je heterotrimerický protein složený z produktů genů GNAT3 (α-podjednotka), GNB1 (β-podjednotka) a GNG13 (γ-podjednotka).
Gustducin byl objeven Margolskeeovou, když byly syntetizovány degenerované oligonukleotidové primery a smíchány s cDNA knihovnou chuťové tkáně. Produkty DNA byly amplifikovány metodou polymerázové řetězové reakce a osm pozitivních klonů kódovalo α podjednotky G-proteinů, které interagují s receptory spřaženými s G-proteinem. Z těchto osmi jednotek bylo předtím prokázáno, že dvě kódovaly tyčinku a kužel α-transdukinu. Osmý klon, α-gustducin, byl jedinečný pro chuťovou tkáň.
Srovnání s transdukinem
Po analýze aminokyselinové sekvence α-gustducinu bylo zjištěno, že a-gustduciny a a-transdukiny jsou úzce příbuzné. proteinová sekvence α-gustducinu mu dává 80% identitu k tyčince i kuželovému a-transdukinu. Navzdory strukturální podobnosti mají oba proteiny velmi rozdílné funkce. To ovšem neznamená, že oba proteiny nemají podobný mechanismus a schopnosti. Transdukin odstraňuje inhibici cGMP Fosfodiesterázy, což vede k rozpadu cGMP. Podobně α-gustducin váže inhibiční jednotky podjednotky PDE tábora chuťových buněk, což také způsobuje pokles hladin cAMP. Také konečných 38 aminokyselin α-gustducinu a α-transdukinu je identických. To naznačuje, že gustducin a interakce s opsin a opsin-like G-spřaženými receptory. Naopak to také naznačuje, že transdukin může interagovat s chuťovými receptory. Strukturální podobnosti mezi gustducinem a transdukinem jsou tak velké, že srovnání s transdukinem bylo použito k navržení modelu role a funkčnosti gustducinu v chuťové transdukci.
Vývoj signalizačního modelu zprostředkovaného gustducinem
Zatímco o gustducinu bylo známo, že se vyskytuje v chuťových buňkách, studie na potkanech ukázaly, že gustducin je přítomen také v omezené podskupině buněk vystýlajících žaludek a střevo. Zdá se, že tyto buňky sdílejí několik rysů chuťových receptorových buněk (TRC). Jiná studie na lidech vynesla na světlo dva imunoreaktivní vzorce pro α-gustducin v lidských cirmavallátových a foliových chuťových buňkách: plasmalemmální a cytosolové. Tyto dvě studie ukázaly, že gustducin je distribuován chuťovou tkání a některé žaludeční a střevní tkáně a gustducin je prezentován buď v cytoplazmatickém nebo apikálním vzorci.
Vzhledem ke strukturální podobnosti s transdukinem se u gustducinu předpokládala aktivace fosfodiesterázy (PDE). Fosfodietázy byly nalezeny v chuťových tkáních a jejich aktivace byla testována in vitro jak s gustducinem, tak s transdukinem. Tento experiment odhalil, že transdukin i gustducin byly exprimovány v chuťové tkáni (poměr 1:25) a že oba G proteiny jsou schopny aktivovat retinální PDE. Navíc, pokud jsou přítomny s denatoniem a chininem, mohou oba G proteiny aktivovat chuťově specifické PDE. To naznačilo, že jak gustducin, tak transdukin jsou důležité při signální transdukci denatonia a chininu.
Nakonec skupina Margolskeeové zkoumala roli gustducinu při příjmu hořké chuti pomocí myší typu „knock-out“, kterým chyběl gen pro α-gustducin. Chuťový test u myší typu knock-out a kontrolní myši odhalil, že myši typu knock-out ve většině případů nedávají přednost mezi hořkou a běžnou potravou. Když byl gen α-gustducin znovu vložen do myší typu knock-out, vrátila se původní chuťová schopnost. Ztráta genu α-gustducinu však schopnost myší typu knock-out ochutnávat hořkou potravu úplně neodstranila. To naznačuje, že α-gustducin není jediným mechanismem pro ochutnávání hořké potravy. Předpokládalo se, i když to nebylo potvrzeno, že alternativní mechanismus detekce hořké chuti by mohl být spojen s βγ podjednotkou gustducinu. Tato teorie byla potvrzena, když se zjistilo, že periferní i centrální chuťové neurony obvykle reagují na více než jeden typ chuťového stimulantu, i když neuron obvykle upřednostňuje jeden specifický stimulant před ostatními. To naznačuje, že zatímco mnoho neuronů upřednostňuje hořké chuťové stimuly, neurony, které upřednostňují jiné stimuly, jako je sladké a umami, mohou být schopny detekovat hořké stimuly v nepřítomnosti receptorů hořkých stimulantů, jako u knock-out myší.
Gustducin a jeho druzí poslové
Až donedávna byla povaha gustducinu a jeho druhých poslů nejasná. Bylo však jasné, že gustducin se chová jako transdukin a přenáší intracelulární signály. Spielman byl jedním z prvních, kdo se zabýval rychlostí chuťového příjmu a využíval techniku utlumeného toku. Když byly chuťové buňky vystaveny hořkým stimulantům denatoniu a oktaacetátu sacharózy, došlo k intracelulární reakci přechodného zvýšení IP3 během 50-100 milisekund stimulace. Nebylo to nečekané, protože bylo známo, že transdukin je schopen vysílat signály uvnitř tyčinkových a kuželových buněk podobnou rychlostí. To naznačovalo, že IP3 byl jedním z druhých poslů používaných při transdukci hořké chuti. Později bylo zjištěno, že cAMP také způsobuje příliv kationtů během transdukce hořké a některé sladké chuti, což vedlo k závěru, že také působil jako druhý posel gustducinu.
Když hořce stimulovaný T2R/TRB aktivuje heterotrimery gustducinu, gustducin zprostředkovává dvě reakce v buňkách chuťových receptorů. Pokles cNMPs je vyvolán α-gustducinem a vzestup IP3(Inositol trisphosphate)/DAG je výsledkem βγ-gustducinu. Ačkoli následující kroky α-gustducinové dráhy nejsou potvrzeny, existuje podezření, že snížené cNMPs mohou působit na proteinkinázy, které by regulovaly aktivitu iontových kanálů chuťových receptorů. Je také možné, že hladiny cNMP přímo regulují aktivitu kanálů řízených cNMP a iontových kanálů inhibovaných cNMP, které jsou exprimovány v buňce chuťových receptorů. βγ-gustducinova dráha pokračuje aktivací IP3 receptorů a uvolněním Ca2+ následovaným uvolněním neurotransmiterů.
Modely transdukce hořké chuti
Pro mechanismy týkající se transdukce signálů hořké chuti bylo navrženo několik modelů.
Má se za to[kým?], že těchto pět různorodých mechanismů se vyvinulo jako obranné mechanismy. To by znamenalo, že existuje mnoho různých jedovatých nebo škodlivých hořkých látek a těchto pět mechanismů existuje proto, aby se zabránilo lidem je jíst nebo pít. Je také možné, že některé mechanismy mohou fungovat jako zálohy v případě selhání primárního mechanismu. Jedním z příkladů může být chinin, u kterého bylo prokázáno, že inhibuje a aktivuje PDE v chuťové tkáni skotu.
V současné době jsou navrženy dva modely transdukce sladké chuti. První dráha je GPCRG-cAMP dráha. Tato dráha začíná sacharózou a dalšími cukry, které aktivují Gs prostřednictvím GPCR. Aktivovaný plyn aktivuje adenylycyklázu za vzniku cAMP. Od tohoto bodu se lze vydat jednou ze dvou drah. cAMP může působit přímo na vyvolání přílivu kationtů prostřednictvím cAMP-řízených kanálů nebo cAMP může aktivovat proteinkinázu A, která způsobí fosforylaci K+ kanálů, čímž uzavře kanály, což umožní depolarizaci chuťové buňky, následné otevření napěťově řízených Ca2+ kanálů a vyvolání uvolnění neurotransmiterů. Druhou dráhou je GPCR-Gq/Gβγ-IP3 dráha, která se používá s umělými sladidly. Umělá sladidla vážou a aktivují GPCR vázaná na PLCβ2 buď α-Gq nebo Gβγ. Aktivované podjednotky aktivují PLCβ2 za vzniku IP3 a DAG. IP3 a DAG vyvolávají uvolnění Ca2+ z endoplazmatického retikula a způsobují buněčnou depolarizaci. Příliv Ca2+ spouští uvolnění neurotransmiterů. I když tyto dvě cesty koexistují ve stejných TRC, není jasné, jak receptory selektivně zprostředkovávají cAMP odpovědi na cukry a IP3 odpovědi na umělá sladidla.
Vývoj receptorů hořké chuti
Z pěti základních chutí jsou tři (sladká, hořká a umami chuť) zprostředkovány receptory ze skupiny receptorů spřažených s G proteinem. Savčí receptory hořké chuti (T2R) jsou kódovány rodinou genů čítající pouze několik desítek členů. Předpokládá se, že receptory hořké chuti se vyvinuly jako mechanismus, jak se vyhnout požívání jedovatých a škodlivých látek. Pokud tomu tak je, dalo by se očekávat, že se u různých druhů vyvinou různé receptory hořké chuti na základě dietních a geografických omezení. S výjimkou T2R1 (která leží na chromozomu 5) lze všechny lidské geny receptorů hořké chuti nalézt shlukované na chromozomu 7 a chromozomu 12. Analýza vztahů mezi geny receptorů hořké chuti ukazuje, že geny na stejném chromozomu jsou si navzájem bližší než geny na různých chromozomech. Geny na chromozomu 12 mají navíc vyšší sekvenční podobnost než geny nalezené na chromozomu 7. To naznačuje, že tyto geny se vyvíjely prostřednictvím genových duplikací tandemu a že chromozom 12 v důsledku své vyšší sekvenční podobnosti mezi svými geny prošel těmito duplikacemi tandemu později než geny na chromozomu 7.
Nedávné práce Enriqua Ronzengurta vrhly trochu světla na přítomnost gustducinu v žaludku a trávicím traktu. Jeho práce naznačuje, že gustducin je v těchto oblastech přítomen jako obranný mechanismus. Je všeobecně známo, že některé drogy a toxiny mohou způsobit újmu a dokonce být smrtící, pokud jsou požity. Již se objevila teorie, že existuje více cest příjmu hořké chuti, které brání požití škodlivých látek, ale člověk se může rozhodnout chuť látky ignorovat. Ronzegurt naznačuje, že přítomnost gustducinu v epiteliálních buňkách v žaludku a trávicím traktu svědčí o další obraně proti požitým toxinům. Zatímco chuťové buňky v ústech jsou navrženy tak, aby donutily člověka vyplivnout toxin, tyto buňky žaludku mohou působit tak, že donutí člověka vyplivnout toxiny ve formě zvratků.