Чарльз Зюкер: Исследования вкуса и нейронных цепей

Введение

Американский биолог

Чарльз С. Зукер – чилийский молекулярный генетик и нейробиолог. Зукер – профессор биохимии и молекулярной биофизики, а также профессор нейронаук в Колумбийском университете. С 1989 года он является исследователем Института медицинских исследований Говарда Хьюза.

Образование и академическая жизнь

Зукер родился в Арике, Чили, в 1957 году. Он учился в колледже Сан-Маркос в Арике, а затем в колледже Сан-Игнасио в Сантьяго. В 1973 году он переехал в Винья-дель-Мар, чтобы изучать биологию в Католическом университете Вальпараисо в Чили, где работал студентом-лаборантом в лабораториях Роберто Гонсалеса и Серхио Маршалла. После этого он поступил в аспирантуру в Массачусетский технологический институт (MIT), где получил степень доктора философии под руководством Харви Лодиша. Постдокторантуру Зукер проходил в Калифорнийском университете в Беркли с Джеральдом Рубином. В 1987 году он принял должность ассистент-профессора в Калифорнийском университете в Сан-Диего. В 1989 году ему была предоставлена бессрочная должность и он был назначен исследователем Медицинского института Говарда Хьюза. До перехода в Колумбийский университет в 2009 году он занимал должность имени Кевина и Тамары Кинселла по нейробиологии и был заслуженным профессором в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего. Помимо академических должностей в Калифорнийском университете и Колумбийском университете, Зукер был старшим научным сотрудником в Janelia Research Campus с 2009 по 2017 год.

Карьера

Его лаборатория, в сотрудничестве с Ником Рыбой из Национального института здоровья, кардинально изменила наше понимание вкуса у млекопитающих. Начиная с конца 1990-х годов, Цукер и Рыба, вместе с другими лабораториями, идентифицировали и охарактеризовали рецепторы и клетки, опосредующие каждую из пяти основных вкусовых модальностей: сладкий, кислый, горький, соленый и умами. Затем они показали, что отдельные вкусовые рецепторные клетки настроены на кодирование конкретных вкусовых качеств и жестко запрограммированы на запуск врожденных поведенческих реакций (например, влечение к сладкому и отвращение к горькому). В 2003 году Цукер и Рыба первыми использовали направленную экспрессию нового рецептора (RASSL) для активации нейронной цепи у мыши, что привело к существенному изменению ее поведения: экспрессируя RASSL в клетках рецепторов сладкого или горького вкуса, они могли вызвать у животного влечение или отвращение к лиганду RASSL, который в противном случае был бы безвкусным. В серии основополагающих исследований, посвященных периферическому и центральному кодированию вкуса, и объединяющих молекулярную генетику, физиологию, визуализацию, изучение поведения животных и оптический контроль нейронных цепей, Цукер и его коллеги идентифицировали цепи, управляющие реакциями на различные вкусовые стимулы, и показали, что, манипулируя нейронами, представляющими сладкий и горький вкус в мозге, они могут напрямую контролировать внутреннее представление животного, его сенсорное восприятие и поведенческие действия. Лаборатория Цукера также помогла выявить фундаментальную разницу между удовольствием от сладкого (то есть роль вкусовой системы, активируемой как сахаром, так и искусственными подсластителями) и тягой к сахару (то есть сильным желанием сахара). Они показали, что, помимо языка, сахар воздействует на кишечник, активируя новую нейронную цепь, которая передает мозгу информацию о присутствии сахара. Эта ось связи кишечника и мозга (также известная как ось "кишечник-мозг") не активируется искусственными подсластителями и функционирует как основной канал, определяющий предпочтение сахара. До работы над вкусом млекопитающих лаборатория Цукера была сосредоточена на путях передачи сигналов у Drosophila melanogaster (плодовой мушки), включая зрение, механотрансдукцию и термосенсацию.

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.

Известные работы

Tan H E, Sisti A, Jin H, Vignovich M, Villavicencio M, Tsang K, Goffer Y, Zuker C. S. Ось кишечник-мозг опосредует предпочтение сахара. Nature 580, 511–516 (2020). Zhang J, Jin H, Zhang W, Ding C, O'Keeffe S, Ye M, Zuker C. S. Восприятие кислого вкуса от языка к мозгу. Cell 179, 392–402 (2019). Wang L, Gillis Smith S, Peng Y, Zhang J, Chen X, Salzman CD, Ryba NJ, Zuker C. S. Кодирование валентности и идентичности в вкусовой системе млекопитающих. Nature 558, 127–131 (2018). Lee H, Macpherson LJ, Parada CA, Zuker C. S., Ryba N. J. Перестройка вкусовой системы. Nature 548, 330–333 (2017). Peng, Y., Gillis Smith, S., Jin, H., Tränkner, D., Ryba, N. J. и Zuker, C. S. Сладкий и горький вкус в мозге бодрствующих животных. Nature 527, 512–515 (2015). Barretto, R. P., Gillis Smith, S., Chandrashekar, J., Yarmolinsky, D. A., Schnitzer, M. J., Ryba, N. J. и Zuker, C. S. Нейронное представление качества вкуса на периферии. Nature 517, 373–376 (2015). Chen, X., Gabitto, M., Peng, Y., Ryba, N. J. и Zuker, C. S. Густотопическая карта вкусовых качеств в мозге млекопитающих. Science 333, 1262–1266 (2011). Chandrashekar, J., Kuhn, C., Oka, Y., Yarmolinsky, D. A., Hummler, E., Ryba, N. J. и Zuker, C. S. Клетки и периферическое представление вкуса натрия у мышей. Nature 464, 297–301 (2010). Huang, A. L., Chen, X., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Guo, W., Tränkner, D., Ryba, N. J. и Zuker C. S. Клетки и логика обнаружения кислого вкуса у млекопитающих. Nature 442, 934–938 (2006). Mueller, K. L., Hoon, M. A., Erlenbach, I., Chandrashekar, J., Zuker, C. S. и Ryba, N. J. Рецепторы и логика кодирования горького вкуса. Nature 434, 225–229 (2005). Zhao, G. Q., Zhang, Y., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Erlenbach, I., Ryba, NJ. и Zuker, C. S. Рецепторы сладкого и умами вкуса у млекопитающих. Cell 115, 255–266 (2003). Nelson, G., Chandrashekar, J., Hoon, M. A., Feng, L., Zhao, G., Ryba, N. J. и Zuker, C. S. Аминокислотный вкусовой рецептор. Nature 416, 199–202 (2002). Nelson, G., Hoon, M. A., Chandrashekar, J., Zhang, Y., Ryba, N. J. и Zuker, C. S. Рецепторы сладкого вкуса у млекопитающих. 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).