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Abstract

Canonically, sweet perception is mediated by specific T1R2/T1R3 sweet taste G-protein coupled receptors expressed in taste cells of the tongue. However, mice lacking these receptors or their downstream signaling components are still able to recognize natural sugars. Conversely, they do not perceive artificial sweeteners, which are mostly canonical sweet taste receptor agonists, suggesting the existence of a parallel “alternative pathway” for sweet perception. To address the molecular pathways, complexity and physiological relevance of sweet taste sensation, this study combines a deep literature survey on sweet taste biology with experimental work using 3D cell cultures of immortalized human tongue cells (HTC-8). The literature research revealed that sweet-sensitive taste cells may take up monosaccharides via Glucose transporters (GLUT/SGLT1) to induce depolarization-dependent Ca2+ signals upon oxidative metabolism and KATP channel inactivation. Disaccharides can activate this signal path upon digestion from taste cell-expressed Brush Boarder enzymes. Alternatively, disaccharides may be taken up with elusive transporters, induce osmotic swelling and activate volume regulated anion channels. Via unidentified neuronal and/or endocrine mechanisms, sweet taste receptor-independent pathways may contribute to behavioral attraction but may also induce cephalic phase Insulin release upon GLP 1 secretion from taste cells. This would suggest that the alternative pathway may prepare the body for digestion, while the canonical pathway might be rather responsible for the hedonic value of sugars. Since taste differs among species and human samples are limited, most hypotheses of the alternative pathway remain rather vague and are often based on cells of other organs that express extraoral sweet taste receptors and canonical downstream molecules like gastro-intestinal or pancreatic cells. Since perfused live imaging experiments conducted in this study revealed that individual HTC 8 cells responded to KCl, sweet and bitter stimulation, they might belong to the newly described broadly-sensitive taste cells, which is in contrast with the assumption that diverse taste modalities use different signaling pathways in distinct cell types. A preliminary transcriptome analysis of HTC 8 spheroids corroborated the finding that taste is not exclusively transduced by the canonical pathway. Accordingly, bitter responses of HTC-8 spheroids might have been mediated by family members of the canonical signaling pathway, while sugars may have used the alternative pathway, since spheroids were not sensitive to the artificial sweetener Acesulfame K and related signal molecules of the alternative signal pathway were expressed upon 3D culture of HTC-8 cells. Although the here established model contains several limitations and needs further adjustment it might serve as a first testing platform to obtain human-derived data on taste physiology in a higher throughput than in human subjects. Thereby, it may support the search for new sugar alternatives and to combat the current sugar overconsumption which goes along with a sickening society.

Translation of abstract (German)

Kanonisch wird der Süßgeschmack durch spezifische T1R2/T1R3 G-Protein gekoppelte Süßrezeptoren vermittelt, die von Geschmacksknospenzellen der Zunge exprimiert werden. Mäuse, denen diese Rezeptoren oder ihre nachgeschalteten Signalkomponenten fehlen, können jedoch immer noch natürlichen Zucker erkennen. Künstlichen Süßstoffe hingegen können sie nicht mehr wahrnehmen, da diese hauptsächlich an die kanonischen Süßrezeptoren binden. Dies deutet auf die Existenz eines parallelen “alternativen Signalwegs“ für die Wahrnehmung von Zuckern hin. Um die zugrundeliegenden molekularen Wege, deren Komplexität und physiologische Relevanz zu beleuchten, wurden in der vorliegenden Arbeit umfassende Literaturrecherchen sowie experimentelle Arbeiten auf Basis von 3D-Zellkulturen immortalisierter humaner Zungenzellen (HTC-8) durchgeführt. Die Literaturrecherche ergab, dass süßempfindliche Geschmackszellen Monosaccharide über Glukosetransporter (GLUT/SGLT1) aufnehmen können. Durch den anschließenden oxidativen Stoffwechsel wird vermehrt ATP gebildet, welches KATP-Kanäle blockiert. Dadurch depolarisieren die Zellen und Ca2+ strömt ein. Disaccharide können nach Spaltung, durch von Geschmackszellen exprimierten Bürstenrandenzymen, diesen Signalweg aktivieren. Alternativ könnten Disaccharide über noch unbekannte Transporter in das Zellinnere aufgenommen werden, wodurch eine osmotische Schwellung induziert und volumenregulierte Anionenkanäle aktiviert werden. Über noch nicht identifizierte neuronale und/oder endokrine Mechanismen könnten diese Signalwege zur Geschmackswahrnehmung beitragen, aber auch zur Insulinfreisetzung nach GLP-1-Sekretion von Geschmackszellen in der kephalischen Phase. Dies würde bedeuten, dass der alternative Signalweg den Körper auf die Verdauung vorbereitet, während der kanonische Weg eher für den hedonischen Wert verantwortlich ist. Da Geschmack artenspezifisch ist und der Zugang zu humanen Zungengewebeproben limitieret ist, bleiben die meisten Hypothesen des alternativen Weges eher vage und basieren häufig auf analogen Experimenten mit Zellen anderer Organe, die ebenfalls extraorale Süßrezeptoren und kanonische Signalmoleküle exprimieren, wie beispielsweise Magen-Darm- oder Pankreaszellen. Da im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte perfundierte Echtzeitexperimente lebender HTC-8 Sphäroide zeigten, dass einzelne HTC-8-Zellen auf Süß, Bitter und KCl reagieren, könnten diese zu den neu beschriebenen breitempfindlichen Geschmackszellen gehören. Dies steht im Gegensatz zu der Annahme, dass verschiedene Geschmacksmodalitäten unterschiedliche Signalwege in unterschiedlichen Zelltypen verwenden. Eine vorläufige Transkriptomanalyse von HTC-8 Sphäroiden bestärkte ferner die Hypothese, dass Geschmack nicht ausschließlich über den kanonischen Signalweg übertragen wird. Hieraus folgernd könnte der Bittergeschmack von HTC-8-Sphäroiden über Familienmitgliedern des kanonischen Signalwegs vermittelt worden sein. Die Wahrnehmung von Zucker könnte hingegen den metabolisch alternativen Weg verwendet haben, da Sphäroide gegenüber dem künstlichen Süßstoff Acesulfam K nicht empfindlich waren und im 3D Verbund begannen verwandte Signalmoleküle des alternativen Signalwegs zu exprimieren. Obwohl das hier etablierte Modell Einschränkungen aufweist und weiterentwickelt werden muss, könnte es als vorläufige Testplattform dienen, um humane Daten zur Geschmacksphysiologie mit einem höheren Durchsatz als bei menschlichen Probanden zu generieren. Zusätzlich kann es für die Suche nach neuen Zuckerersatzstoffen genutzt werden, um dem ansteigendem Zuckerkonsum und den damit verbundenen Erkrankungen entgegen zu wirken.