發(fā)布時(shí)間：2021-06-28
6月28日，《神經(jīng)元》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《人源GluN1-GluN2A NMDA受體的門(mén)控機制和一個(gè)全新小分子結合位點(diǎn)》的研究性論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心的竺淑佳研究組完成。該研究解析了一系列人源NMDA（N-methyl-D-aspartic acid，即N-甲基-D-天冬氨酸）受體GluN1-GluN2A亞型與不同小分子化合物結合的高分辨率冷凍電鏡的結構，并探究了受體在不同小分子結合下的門(mén)控機制，同時(shí)也發(fā)現了一個(gè)全新的小分子結合位點(diǎn)。該研究豐富了NMDA受體的神經(jīng)藥理學(xué)特性，為深入理解NMDA受體結構和功能之間的聯(lián)系提供了新的分子機制。
NMDA受體作為一類(lèi)重要的興奮性離子型谷氨酸受體，在神經(jīng)系統發(fā)育形成與突觸可塑性中發(fā)揮重要功能。NMDA受體通常由兩個(gè)結合甘氨酸的必需亞基GluN1和兩個(gè)結合谷氨酸的可變GluN2亞基（2A-2D）組成異源四聚體離子通道蛋白。其功能異常與中樞神經(jīng)系統和精神疾?。ㄈ缫钟舭Y、精神分裂癥、帕金森病和阿爾茲海默癥等）有密切的關(guān)聯(lián)性。這些神經(jīng)和精神疾病給患者及病人家屬帶來(lái)極大的痛苦，是亟需解決的重要臨床難題。因此，深入研究NMDA受體在生理狀態(tài)下的構象與功能，并揭示全新的小分子結合位點(diǎn)，對于靶向NMDA受體功能異常的新藥研發(fā)是至關(guān)重要的。
本研究通過(guò)冷凍電鏡解析了一系列高分辨率的處于不同生理狀態(tài)下GluN1-GluN2A NMDA受體結構（下圖）。首先，研究者引入一對半胱氨酸交聯(lián)，使受體處于更激活狀態(tài)，并發(fā)現GluN1亞基和GluN2A亞基的配體結合域二聚體有向內旋轉的構象變化，驗證了之前的功能及動(dòng)力學(xué)模擬研究。
圖1 | 冷凍電鏡解析不同狀態(tài)下人源GluN1-GluN2A NMDA受體
同時(shí)，研究人員分別使用高親和力的GluN2A亞基的競爭性抑制劑CPP和GluN1亞基的競爭性抑制劑CGP-78608來(lái)模擬的受體抑制關(guān)閉的狀態(tài)。與激動(dòng)劑結合的受體結構對比發(fā)現，配體結合域整體處于被打開(kāi)的構象。隨著(zhù)配體結合域的構象打開(kāi)，鉸鏈區失去對門(mén)控通道結構域的牽引，進(jìn)而使得門(mén)控通道處于關(guān)閉狀態(tài)。為研究變構調節機制，研究人員進(jìn)一步使用GluN2A亞基特異的正性變構調節劑GNE-6901與GluN1-GluN2A蛋白結合。之前的研究發(fā)現該小分子通過(guò)作用在由GluN2A亞基組成的NMDA受體上，可以促進(jìn)CA1錐體神經(jīng)元的興奮性突觸后電位進(jìn)而改善腦部功能。冷凍電鏡解析的GNE-6901結合的NMDA受體結構分析發(fā)現，小分子結合在GluN1與GluN2A亞基配體結合域間二聚體中引起構象變化，使得受體的門(mén)控通道進(jìn)一步處于相對開(kāi)放的構象。
最后，研究人員在NMDA受體上首次發(fā)現一個(gè)全新的小分子結合位點(diǎn)。研究人員使用開(kāi)放通道抑制劑9-AA與受體結合并解析了三維結構，發(fā)現9-AA小分子處于受體跨膜區門(mén)控通道的連接域處，完全不同與此前功能實(shí)驗預測的傳統通道抑制劑結合位點(diǎn)。為了驗證小分子的作用機制，研究者通過(guò)電生理實(shí)驗證實(shí)了在GluN1和GluN2A的連接域處的一對谷氨酸的突變會(huì )影響小分子在受體上的作用，進(jìn)而給小分子在此處的結合提供了功能驗證。這項工作豐富了NMDA受體的結構和藥理學(xué)研究，完整闡釋了其作為離子通道的門(mén)控機制，為藥物設計、篩選及新藥研發(fā)提供了重要的理論依據（圖2）。
圖2 | GluN1-GluN2A NMDA受體的門(mén)控機制
該工作由中國科學(xué)院腦智卓越中心突觸蛋白結構和功能課題組的博士研究生王涵在竺淑佳研究員的指導下完成，實(shí)驗室研究生呂詩(shī)云，黃雪晶，研究實(shí)習員張金寶，潘祎杰作出重要貢獻。研究?jì)热菀驳玫椒▏屠韪叩葞煼秾W(xué)校Pierre Paoletti教授合作指導。中科院腦智卓越中心，浙江大學(xué)、生物物理所及上?？萍即髮W(xué)的冷凍電鏡平臺為本研究的數據采集提供大力支持。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院，上海市科委及歐洲研究委員會(huì )的資助。
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