發(fā)布時(shí)間：2023-03-24
2023年3月24日，《Nature Structural & Molecular Biology》期刊在線發(fā)表了中國(guó)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(jié)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(yàn)證等多維度技術(shù)，揭示了含GluN2D亞基NMDA受體的門(mén)控機(jī)制和功能特征，詮釋了含GluN2C亞基NMDA受體的不對(duì)稱幾何構(gòu)象及特異性變構(gòu)調(diào)節(jié)的機(jī)制。該研究對(duì)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(chǔ)(圖1)。
圖1.決定不同NMDA受體功能多樣性的分子基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)及決定功能多樣性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
NMDA受體是介導(dǎo)大腦突觸信號(hào)傳遞和突觸可塑性的離子通道，參與并調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、學(xué)習(xí)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(dá)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(chǔ)知之甚少。
GluN2D富集表達(dá)于下丘腦，杏仁核等與情緒調(diào)節(jié)密切相關(guān)的腦區(qū)。竺淑佳研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，GluN1-N2D受體具有一個(gè)比其他亞型更閉合的氨基端結(jié)構(gòu)域，從而使它具有較低的通道開(kāi)放概率。競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑R-CPP能夠通過(guò)撐開(kāi)谷氨酸結(jié)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(hào)外顯子可以使激動(dòng)劑結(jié)合結(jié)構(gòu)域扭轉(zhuǎn)，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(tuán)隊(duì)基于結(jié)構(gòu)在相互作用交界面引入一對(duì)二硫鍵，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)顯著性地提高了GluN1-N2D受體的通道活性（圖2a-2d）。以上發(fā)現(xiàn)揭示了GluN1-N2D亞型的門(mén)控機(jī)制以及決定其生物物理特征的分子基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，GluN1-N2C受體采取了與經(jīng)典NMDA受體所不同的特殊非對(duì)稱構(gòu)象，該特性也決定了小分子藥物PYD-106只能結(jié)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(tuán)隊(duì)還解析了在小腦顆粒細(xì)胞中高表達(dá)的GluN1-N2A-N2C受體的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，GluN1-N2A-N2C受體中的GluN2A和GluN2C亞基分別整合了對(duì)應(yīng)二異四聚體中的一個(gè)單體構(gòu)象（圖2g）。該研究首次揭示了GluN1-N2C受體的特殊非對(duì)稱幾何學(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(jī)制。
圖2. 含有GluN2D和GluN2C受體的三維結(jié)構(gòu)、門(mén)控機(jī)制和藥理學(xué)特性。a，GluN1-N2D受體的三維結(jié)構(gòu)。b, 甘氨酸、谷氨酸和競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑R-CPP在其結(jié)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(gòu)象和單通道性質(zhì)。e, GluN1-N2C受體的三維結(jié)構(gòu)。f, GluN1-N2C受體的非對(duì)稱性構(gòu)象及選擇性變構(gòu)抑制劑PYD-106的結(jié)合口袋。g, GluN1-N2A-N2C受體的組裝模式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
該研究由中國(guó)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(dá)與純化、結(jié)構(gòu)解析和功能研究。北京深勢(shì)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(jì)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(yàn)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(jié)構(gòu)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、上海市科委的資助。
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