發(fā)布時(shí)間：2023-03-24
2023年3月24日，《Nature Structural & Molecular Biology》期刊在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(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）竺淑佳研究組題為《Distinct structure and gating mechanism in diverse NMDA receptors with GluN2C and GluN2D subunits》的研究論文。該研究結合單顆粒冷凍電鏡、質(zhì)脂體單通道記錄、電壓鉗記錄、分子動(dòng)力學(xué)模擬、質(zhì)譜分析、生化驗證等多維度技術(shù)，揭示了含GluN2D亞基NMDA受體的門(mén)控機制和功能特征，詮釋了含GluN2C亞基NMDA受體的不對稱(chēng)幾何構象及特異性變構調節的機制。該研究對深度理解NMDA受體不同亞型的功能多樣性及開(kāi)發(fā)亞型選擇性的小分子藥物提供了理論基礎(圖1)。
圖1.決定不同NMDA受體功能多樣性的分子基礎。a,不同NMDA亞型在不同發(fā)育階段的全腦分布(引自Paoletti et al., 2013)。b,c,不同NMDA受體亞型的三維結構及決定功能多樣性的結構基礎。
NMDA受體是介導大腦突觸信號傳遞和突觸可塑性的離子通道，參與并調控神經(jīng)系統的發(fā)育、學(xué)習和記憶。其功能異常與諸多神經(jīng)或精神疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，是藥物研發(fā)的重要靶點(diǎn)。哺乳動(dòng)物大腦中的不同亞型NMDA受體，其表達分布和生物物理學(xué)性質(zhì)具有多樣性。含有GluN2A或GluN2B亞基的受體具有較高的通道開(kāi)放概率和較低的激動(dòng)劑親和力。相反，含有GluN2C 或GluN2D亞基的受體具有較低的通道開(kāi)放概率和較高的激動(dòng)劑親和力。但是，決定這些功能多樣性的分子基礎知之甚少。
GluN2D富集表達于下丘腦，杏仁核等與情緒調節密切相關(guān)的腦區。竺淑佳研究團隊發(fā)現，GluN1-N2D受體具有一個(gè)比其他亞型更閉合的氨基端結構域，從而使它具有較低的通道開(kāi)放概率。競爭性拮抗劑R-CPP能夠通過(guò)撐開(kāi)谷氨酸結合口袋，進(jìn)而抑制離子通道的開(kāi)放。GluN1上的可變剪接5號外顯子可以使激動(dòng)劑結合結構域扭轉，從而提高離子通道的開(kāi)放活性。鑒于GluN1-N2D受體的離子通道開(kāi)放概率與GluN1-N2A受體相差50倍，研究團隊基于結構在相互作用交界面引入一對二硫鍵，發(fā)現交聯(lián)顯著(zhù)性地提高了GluN1-N2D受體的通道活性（圖2a-2d）。以上發(fā)現揭示了GluN1-N2D亞型的門(mén)控機制以及決定其生物物理特征的分子基礎。
研究團隊進(jìn)一步發(fā)現，GluN1-N2C受體采取了與經(jīng)典NMDA受體所不同的特殊非對稱(chēng)構象，該特性也決定了小分子藥物PYD-106只能結合相同基因編碼的兩個(gè)GluN2C中的一個(gè)亞基（圖2e,2f）。此外，研究團隊還解析了在小腦顆粒細胞中高表達的GluN1-N2A-N2C受體的結構。進(jìn)一步分析發(fā)現，GluN1-N2A-N2C受體中的GluN2A和GluN2C亞基分別整合了對應二異四聚體中的一個(gè)單體構象（圖2g）。該研究首次揭示了GluN1-N2C受體的特殊非對稱(chēng)幾何學(xué)特性，深度闡明了小分子PYD-106選擇性作用于GluN1-N2C受體的機制。
圖2. 含有GluN2D和GluN2C受體的三維結構、門(mén)控機制和藥理學(xué)特性。a，GluN1-N2D受體的三維結構。b, 甘氨酸、谷氨酸和競爭性抑制劑R-CPP在其結合口袋中的電子密度云。c, d, GluN1E698C-N2D突變型受體在二硫鍵交聯(lián)和非交聯(lián)狀態(tài)下的三維構象和單通道性質(zhì)。e, GluN1-N2C受體的三維結構。f, GluN1-N2C受體的非對稱(chēng)性構象及選擇性變構抑制劑PYD-106的結合口袋。g, GluN1-N2A-N2C受體的組裝模式和拓撲結構。
該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心博士生張繼林、上海藥物研究所博士生張明分別完成GluN2D和GluN2C受體的表達與純化、結構解析和功能研究。北京深勢科技有限公司的王沁蕊、溫翰和王宇航博士完成了分子動(dòng)力學(xué)模擬和能量計算。大連化物所的王方軍研究員和劉益哲博士完成了質(zhì)譜分析。腦智卓越中心姚奮永、宋楠和寇增偉提供了電生理記錄和生化實(shí)驗的協(xié)助。藥物所的李楊研究員和郭飛副研究員提供了GluN2C結構解析的幫助。竺淑佳研究員是本文唯一通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、上海市科委的資助。
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