7月28日，《自然》在線(xiàn)發(fā)表題為《氯胺酮作用于人源NMDA受體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》的研究論文，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（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心研究員竺淑佳研究組與中科院上海藥物研究所研究員羅成研究組合作完成。研究通過(guò)冷凍電鏡解析了NMDA受體結(jié)合快速抗抑郁藥氯胺酮的三維結(jié)構(gòu)，確定了氯胺酮在NMDA受體上的結(jié)合位點(diǎn)，并進(jìn)一步通過(guò)電生理功能實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，闡明了氯胺酮與NMDA受體結(jié)合的分子基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)抗抑郁藥多數(shù)作用于單胺能神經(jīng)系統(tǒng)，需要持續(xù)用藥數(shù)周甚至數(shù)月后才能起效，并且對(duì)三分之一的難治性抑郁癥患者沒(méi)有治療效果。氯胺酮作為能快速起效的新型抗抑郁藥，一劑亞麻醉劑量用藥幾小時(shí)內(nèi)就能顯著改善患者的情緒低落，自我評(píng)價(jià)低等負(fù)面癥狀，甚至減弱患者自殺意念，尤其對(duì)難治性抑郁癥有治療效果。但是，氯胺酮可造成分離性幻覺(jué)、成癮等副作用，限制了其臨床應(yīng)用。因此，研發(fā)副作用更小且能快速起效的新型抗抑郁藥是未來(lái)的研究方向。

已有研究顯示，氯胺酮作為大腦內(nèi)重要的谷氨酸門(mén)控離子通道NMDA受體的阻斷劑，可通過(guò)抑制NMDA受體通道活性，參與突觸傳遞及突觸可塑性信號(hào)通路的調(diào)控，進(jìn)而恢復(fù)慢性壓力導(dǎo)致的皮層與海馬區(qū)域的突觸損傷。因此，解析氯胺酮在NMDA受體上的結(jié)合位點(diǎn)，并闡明氯胺酮與NMDA受體之間如何相互作用，對(duì)基于氯胺酮/NMDA受體復(fù)合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型抗抑郁藥的研究具有重要意義。竺淑佳研究組長(zhǎng)期從事NMDA受體結(jié)構(gòu)與功能的系列研究，在NMDA受體家族不同亞型的三維結(jié)構(gòu)、構(gòu)象動(dòng)力學(xué)、變構(gòu)調(diào)節(jié)、藥理學(xué)和門(mén)控開(kāi)放機(jī)制等領(lǐng)域取得系列成果（Nat Struct Mol Biol 2013; PNAS 2014; Cell 2016; Cell?Rep 2018; Neuron 2021）。

該研究中，科研人員聚焦在成年哺乳動(dòng)物腦內(nèi)表達(dá)最豐富的兩種亞型GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B NMDA受體上，前期利用真核細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了大量蛋白表達(dá)與純化的條件摸索。在得到穩(wěn)定的NMDA受體蛋白后，科研人員結(jié)合冷凍電鏡技術(shù)解析了氯胺酮結(jié)合的人源GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B亞型NMDA受體的三維結(jié)構(gòu)。在NMDA受體的跨膜區(qū)發(fā)現(xiàn)了氯胺酮的電子云密度圖，進(jìn)而確認(rèn)了氯胺酮的結(jié)合位點(diǎn)在離子通道的門(mén)控與選擇性過(guò)濾器中間的空腔內(nèi)?？涨豁敳亢偷撞糠謩e由極性氨基酸蘇氨酸和天冬酰胺組成，空腔中部由疏水氨基酸頡氨酸和亮氨酸組成?？蒲腥藛T通過(guò)點(diǎn)突變篩選及電生理實(shí)驗(yàn)鑒定了GluN1-N616及GluN2A-L642（同源GluN2B-L643）這兩個(gè)關(guān)鍵氨基酸是參與氯胺酮結(jié)合的關(guān)鍵氨基酸。這兩個(gè)位點(diǎn)的突變會(huì)顯著影響氯胺酮抑制NMDA受體通道活性的效力，證明這兩個(gè)關(guān)鍵氨基酸在氯胺酮抑制通道活性過(guò)程中發(fā)揮重要作用。為進(jìn)一步解析受體與氯胺酮之間的相互作用，科研人員進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GluN2A-L642對(duì)氯胺酮結(jié)合能的貢獻(xiàn)最大，其疏水側(cè)鏈可與氯胺酮形成疏水作用，并發(fā)現(xiàn)了GluN1-N616會(huì)與氯胺酮形成氫鍵作用。

該研究通過(guò)電鏡發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了氯胺酮在NMDA受體上的結(jié)合位點(diǎn)，揭示GluN1-N616的氫鍵作用和GluN2A-L642的疏水作用，在氯胺酮穩(wěn)定結(jié)合在NMDA受體的通道空腔內(nèi)并阻斷通道的過(guò)程中起關(guān)鍵作用。研究還進(jìn)一步探討了手性異構(gòu)體R-氯胺酮和S-氯胺酮在結(jié)合和分子機(jī)制上的異同。研究中的系列發(fā)現(xiàn)為基于NMDA受體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型抗抑郁藥的研發(fā)提供了基礎(chǔ)。

研究工作得到中科院生物物理研究所生物成像中心的支持，得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院和上海市的資助。

　　（A）結(jié)合氯胺酮的人源GluN1-GluN2A?NMDA受體冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)。（B）氯胺酮結(jié)合位點(diǎn)空腔里的關(guān)鍵氨基酸。（C）分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中氯胺酮周?chē)被岬慕Y(jié)合能貢獻(xiàn)和氫鍵形成的頻率。（D）野生型和關(guān)鍵位點(diǎn)突變的NMDA受體的氯胺酮?jiǎng)┝啃?yīng)曲線(xiàn)。

來(lái)源： 腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心