Чарльз Зюкер: Талғам мен мидың нейробиологиясының зерттеушісі

Кіріспе

Америка биологы Чарльз С. Зукер – чилилік молекулалық генетик және нейробиолог. Зукер Колумбия университетінде биохимия және молекулалық биофизика кафедрасының профессоры және нейроғылым профессоры. 1989 жылдан бері ол Говард Хьюз Медициналық Институтының ғылыми қызметкері.

Білім беру және академиялық өмір

Цукер 1957 жылы Чилидің Арика қаласында дүниеге келген. Ол Арикадағы Сан-Маркос колледжіне, содан кейін Сантьягодағы Сан-Игнасио колледжіне оқыды. 1973 жылы Чилидегі Вальпараисо Католикалық университетінде биологияны оқу үшін Винья-дель-Марға көшіп барды, онда Роберто Гонсалес және Серхио Маршаллдың зертханаларында студенттік зерттеулер жүргізді. Содан кейін ол МТИ-де аспирантураға түсіп, Харви Лодишпен бірге докторлық дәрежесін алды. Цукер Джеральд Рубинмен бірге Калифорния университетінде, Берклиде докторантурадан кейінгі тағылымдамасын өтті. 1987 жылы Сан-Диегодағы Калифорния университетінде ассистент-профессор болып тағайындалды. 1989 жылы оған тұрақты профессорлық қызмет берілді және Говард Хьюз Медициналық Институтының зерттеушісі болып тағайындалды. 2009 жылы Колумбия университетіне ауысудан бұрын ол Калифорния университетінің, Сан-Диего, Медицина мектебінің Нейробиология кафедрасының Кевин және Тамара Кинселла профессоры және ерекше профессор болды. Калифорния университеті мен Колумбия университетіндегі академиялық қызметтерінен басқа, Цукер 2009 жылдан 2017 жылға дейін Дженелия зерттеу кампусының аға ғылыми қызметкері болды.

Мансап

Оның зертханасы, Ұлттық денсаулық институтындағы (NIH) Ник Рибамен бірлесіп, сүтқоректілердің дәм сезімін түсінуде революция жасады. 1990 жылдардың соңынан бастап Цукер мен Риба, сондай-ақ басқа зертханалар бірлесіп, бес негізгі дәмдік түрдің әрқайсысына жауап беретін рецепторларды және жасушаларды анықтап, сипаттады: тәтті, қышқыл, ащы, тұзды және умами. Олар жеке дәм рецепторларының жеке дәмдік қасиеттерді кодтайтынын және туа біткен мінез-құлықты (мысалы, тәттіге құштарлық және ащыдан жирену) іске қосуға бағдарланғанын көрсетті. 2003 жылы Цукер мен Риба алғаш рет жаңа рецептордың (RASSL) мақсатты экспрессиясын қолданып, мінез-құлық көрсететін тышқанның нейрондық тізбегін белсендірді және оның мінез-құлқын түбегейлі өзгертті: RASSL-ді тәтті немесе ащы дәм рецепторларының жасушаларында экспрессиялау арқылы олар жануарды әдетте дәмсіз RASSL лигандтарына тартымды немесе кері реакция тудыра алатын еді. Дәмнің шеткі және орталық деңгейде кодталуын зерттейтін және молекулалық генетиканы, физиологияны, бейнелеуді, жануарлардың мінез-құлқын және нейрондық тізбектерді оптикалық түрде басқаруды біріктіретін бірнеше маңызды зерттеулерде Цукер және оның әріптестері әртүрлі дәмдік стимулдарға жауап беретін тізбектерді анықтады және мидағы тәтті және ащы дәмді білдіретін нейрондарды манипуляциялау арқылы жануардың ішкі бейнесін, сезімдік қабылдауын және мінез-құлқын тікелей басқара алатынын көрсетті. Цукердің зертханасы сондай-ақ тәттінің ұнатуы (яғни қант пен жасанды тәттілендіргіштермен белсендірілетін дәм жүйесінің рөлі) мен қантқа құштарлық (яғни қантқа деген қатты тілек) арасындағы маңызды айырмашылықты анықтауға көмектесті. Олар тілден басқа, қанттың ішекте де әсер ететінін және миға қанттың бар екенін хабарлайтын жаңа нейрондық тізбекті белсендіретінін көрсетті. Бұл ішек-ми байланысы (ішек-ми осі деп те аталады) жасанды тәттілендіргіштермен белсендірілмейді және қантқа деген қалауды қоздыратын негізгі арна ретінде қызмет етеді. Сүтқоректілердің дәм сезімін зерттеуге кіріспес бұрын, оның зертханасы Drosophila melanogaster (жеміс шыбыңы) -ндағы сигналдарды беру жолдарына, соның ішінде көруге, механотрансдукцияға және термосессияға назар аударды.

His lab, in collaboration with Nick Ryba at the NIH, have transformed our understanding of mammalian taste. Beginning in the late 1990s Zuker and Ryba, along with other labs, identified and characterized the receptors and the cells mediating each of the five basic taste modalities: sweet, sour, bitter, salty and umami. They then demonstrated that individual taste receptor cells are tuned to encode individual taste qualities, and are hardwired to trigger innate behaviors (like attraction to sweet and aversion to bitters). In 2003, Zuker and Ryba were the first to use targeted expression of a novel receptor (RASSL) to activate a neural circuit in a behaving mouse, and profoundly changed its behavior: By expressing RASSL in sweet or bitter taste receptor cells they could drive the animal to be attracted, or averse, to the otherwise tasteless RASSL ligand. In a set of milestone studies exploring the peripheral and central coding of taste, and combining molecular genetics, physiology, imaging, animal behavior, and optical control of neural circuits, Zuker and collaborators identified the circuits driving responses to the different taste stimuli, and showed that by manipulating the neurons representing sweet and bitter taste in the brain they could directly control an animal’s internal representation, sensory perception, and behavioral actions. Zuker’s laboratory has also helped uncover the fundamental difference between liking sweet (i. e. the role of the taste system, activated by both sugars and artificial sweeteners) and wanting sugar (i. e. the strong desire for sugar). They showed that, in addition to the tongue, sugar acts in the gut to activate a novel neural circuit that communicates to the brain the presence of sugar. This gut to brain communication axis (also known as the gut brain axis) is not activated by artificial sweeteners and functions as the principal conduit driving preference for sugar. Prior to working on mammalian taste, his lab focused on signal transduction pathways in Drosophila melanogaster (fruit fly), including vision, mechanotransduction and thermosensation.

Белгілі еңбектері

Tan H E, Sisti A, Jin H, Vignovich M, Villavicencio M, Tsang K, Goffer Y, Zuker C. S. Ішек-ми осі қантқа деген құштарлықты реттейді. Nature 580, 511–516 (2020). Zhang J, Jin H, Zhang W, Ding C, O'Keeffe S, Ye M, Zuker C. S. Тілден миға дейінгі қышқыл сезіну. Cell 179, 392–402 (2019). Wang L, Gillis Smith S, Peng Y, Zhang J, Chen X, Salzman CD, Ryba NJ, Zuker C. S. Сүтқоректілердің дәм жүйесіндегі мәнділік пен идентификацияның кодталуы. Nature 558, 127–131 (2018). Lee H, Macpherson LJ, Parada CA, Zuker C. S., Ryba N. J. Дәм жүйесін қайта құру. Nature 548, 330–333 (2017). Peng, Y., Gillis Smith, S., Jin, H., Tränkner, D., Ryba, N. J. және Zuker, C. S. Ояу мінез-құлықтағы жануарлардың миында тәтті және ащы дәм. Nature 527, 512–515 (2015). Barretto, R. P., Gillis Smith, S., Chandrashekar, J., Yarmolinsky, D. A., Schnitzer, M. J., Ryba, N. J. және Zuker, C. S. Дәм сапасының перифериядағы нейрондық бейнесі. Nature 517, 373–376 (2015). Chen, X., Gabitto, M., Peng, Y., Ryba, N. J. және Zuker, C. S. Сүтқоректілердің миындағы дәм қасиеттерінің густотоптық картасы. Science 333, 1262–1266 (2011). Chandrashekar, J., Kuhn, C., Oka, Y., Yarmolinsky, D. A., Hummler, E., Ryba, N. J. және Zuker, C. S. Егеуқұйрықтардағы натрий дәмінің жасушалары мен перифериялық бейнесі. Nature 464, 297–301 (2010). Huang, A. L., Chen, X., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Guo, W., Tränkner, D., Ryba, N. J. және Zuker C. S. Сүтқоректілердің қышқыл дәмін анықтау үшін жасушалар мен логика. Nature 442, 934–938 (2006). Mueller, K. L., Hoon, M. A., Erlenbach, I., Chandrashekar, J., Zuker, C. S. және Ryba, N. J. Горьке дәмнің рецепторлары және кодтау логикасы. Nature 434, 225–229 (2005). Zhao, G. Q., Zhang, Y., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Erlenbach, I., Ryba, NJ. және Zuker, C. S. Сүтқоректілердің тәтті және умами дәмінің рецепторлары. Cell 115, 255–266 (2003). Nelson, G., Chandrashekar, J., Hoon, M. A., Feng, L., Zhao, G., Ryba, N. J. және Zuker, C. S. Аминоқышқылдардың дәмді рецепторы. Nature 416, 199–202 (2002). Nelson, G., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Zhang, Y., Ryba, N. J. және Zuker, C. S. Сүтқоректілердің тәтті дәм рецепторлары. Cell 106, 381–390 (2001).

Tan H E, Sisti A, Jin H, Vignovich M, Villavicencio M, Tsang K, Goffer Y, Zuker C. S. The gut–brain axis mediates sugar preference. Nature 580, 511 516 (2020). Zhang J, Jin H, Zhang W, Ding C, O'Keeffe S, Ye M, Zuker C. S. Sour Sensing from the Tongue to the Brain. Cell 179, 392 402 (2019). Wang L, Gillis Smith S, Peng Y, Zhang J, Chen X, Salzman CD, Ryba NJ, Zuker C. S. The coding of valence and identity in the mammalian taste system. Nature 558, 127 131 (2018). Lee H, Macpherson LJ, Parada CA, Zuker C. S., Ryba N. J. Rewiring the taste system. Nature 548, 330 333 (2017). Peng, Y., Gillis Smith, S., Jin, H., Tränkner, D., Ryba, N. J. and Zuker, C. S. Sweet and bitter taste in the brain of awake behaving animals. Nature 527, 512–515 (2015). Barretto, R. P., Gillis Smith, S., Chandrashekar, J., Yarmolinsky, D. A., Schnitzer, M. J., Ryba, N. J. and Zuker, C. S. The neural representation of taste quality at the periphery. Nature 517, 373–376 (2015). Chen, X., Gabitto, M., Peng, Y., Ryba, N. J. and Zuker, C. S. A gustotopic map of taste qualities in the mammalian brain. Science 333, 1262–1266 (2011). Chandrashekar, J., Kuhn, C., Oka, Y., Yarmolinsky, D. A., Hummler, E., Ryba, N. J. and Zuker, C. S. The cells and peripheral representation of sodium taste in mice. Nature 464, 297–301 (2010). Huang, A. L., Chen, X., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Guo, W., Tränkner, D., Ryba, N. J. and Zuker C. S. The cells and logic for mammalian sour taste detection. Nature 442, 934–938 (2006). Mueller, K. L., Hoon, M. A., Erlenbach, I., Chandrashekar, J., Zuker, C. S. and Ryba, N. J. The receptors and coding logic for bitter taste. Nature 434, 225–229 (2005). Zhao, G. Q., Zhang, Y., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Erlenbach, I., Ryba, NJ. and Zuker, C. S. The receptors for mammalian sweet and umami taste. Cell 115, 255–266 (2003). Nelson, G., Chandrashekar, J., Hoon, M. A., Feng, L., Zhao, G., Ryba, N. J. and Zuker, C. S. An amino acid taste receptor. Nature 416, 199–202 (2002). Nelson, G., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Zhang, Y., Ryba, N. J. and Zuker, C. S. Mammalian sweet taste receptors. Cell 106, 381–390 (2001).