6月29日，《神經(jīng)元》在線發(fā)表了研究性論文《人源GluN1-GluN2A NMDA受體的門控機(jī)制和一個全新小分子結(jié)合位點》。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）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室竺淑佳研究組完成。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(jié)合的高分辨率冷凍電鏡的結(jié)構(gòu)，探究了受體在不同小分子結(jié)合下的門控機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了一個全新的小分子結(jié)合位點。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(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系提供了新的分子機(jī)制。

NMDA受體作為一類重要的興奮性離子型谷氨酸受體，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育形成與突觸可塑性中發(fā)揮重要功能。NMDA受體通常由兩個結(jié)合甘氨酸的必需亞基GluN1和兩個結(jié)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(tǒng)和精神疾病（如抑郁癥、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)與精神疾病給患者及家屬帶來痛苦，是亟須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(gòu)象與功能，并揭示全新的小分子結(jié)合位點，對于靶向NMDA受體功能異常的新藥研發(fā)具有重要意義。

研究通過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(jié)構(gòu)（圖1）?？蒲腥藛T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(xiàn)GluN1亞基和GluN2A亞基的配體結(jié)合域二聚體有向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)象變化，驗證了之前的功能及動力學(xué)模擬研究。

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，來模擬的受體抑制關(guān)閉的狀態(tài)。與激動劑結(jié)合的受體結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，配體結(jié)合域整體處于被打開的構(gòu)象。隨著配體結(jié)合域的構(gòu)象打開，鉸鏈區(qū)失去對門控通道結(jié)構(gòu)域的牽引，進(jìn)而使得門控通道處于關(guān)閉狀態(tài)。為探究變構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制，研究人員進(jìn)一步使用GluN2A亞基特異的正性變構(gòu)調(diào)節(jié)劑GNE-6901與GluN1-GluN2A蛋白結(jié)合。此前研究發(fā)現(xiàn)，該小分子通過作用在由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(jié)合的NMDA受體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，小分子結(jié)合在GluN1與GluN2A亞基配體結(jié)合域間二聚體中引起構(gòu)象變化，使得受體的門控通道進(jìn)一步處于相對開放的構(gòu)象。

研究在NMDA受體上首次發(fā)現(xiàn)一個全新的小分子結(jié)合位點。研究人員使用開放通道抑制劑9-AA與受體結(jié)合并解析了三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)9-AA小分子處于受體跨膜區(qū)門控通道的連接域處，完全不同與此前功能實驗預(yù)測的傳統(tǒng)通道抑制劑結(jié)合位點。為了驗證小分子的作用機(jī)制，科研人員通過電生理實驗證實了在GluN1和GluN2A的連接域處的一對谷氨酸的突變會影響小分子在受體上的作用，進(jìn)而給小分子在此處的結(jié)合提供了功能驗證。該工作豐富了NMDA受體的結(jié)構(gòu)和藥理學(xué)研究，完整闡釋了其作為離子通道的門控機(jī)制，為藥物設(shè)計、篩選及新藥研發(fā)提供了重要的理論依據(jù)（圖2）。

腦智卓越中心、浙江大學(xué)、中科院生物物理研究所及上?？萍即髮W(xué)的冷凍電鏡平臺為該研究的數(shù)據(jù)采集提供支持。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部、中科院、上海市科學(xué)技術(shù)委員會及歐洲研究委員會的資助。

圖1.冷凍電鏡解析不同狀態(tài)下人源GluN1-GluN2A NMDA受體

圖2.GluN1-GluN2A NMDA受體的門控機(jī)制