研究揭示人源NMDA受体的门控机制和全新小分子结合位点

6月29日，《神经元》在线发表了研究性论文《人源GluN1-GluN2A NMDA受体的门控机制和一个全新小分子结合位点》。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室竺淑佳研究组完成。该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）受体GluN1-GluN2A亚型与不同小分子化合物结合的高分辨率冷冻电镜的结构，探究了受体在不同小分子结合下的门控机制，并发现了一个全新的小分子结合位点。该研究丰富了NMDA受体的神经药理学特性，为深入理解NMDA受体结构和功能之间的联系提供了新的分子机制。

NMDA受体作为一类重要的兴奋性离子型谷氨酸受体，在神经系统发育形成与突触可塑性中发挥重要功能。NMDA受体通常由两个结合甘氨酸的必需亚基GluN1和两个结合谷氨酸的可变GluN2亚基（2A-2D）组成异源四聚体离子通道蛋白，其功能异常与中枢神经系统和精神疾病（如抑郁症、精神分裂症、帕金森病和阿尔兹海默症等）有密切的关联性。这些神经与精神疾病给患者及家属带来痛苦，是亟须解决的重要临床难题。因此，深入研究NMDA受体在生理状态下的构象与功能，并揭示全新的小分子结合位点，对于靶向NMDA受体功能异常的新药研发具有重要意义。

研究通过冷冻电镜解析了一系列高分辨率的处于不同生理状态下GluN1-GluN2A NMDA受体结构（图1）。科研人员引入一对半胱氨酸交联，使受体处于更激活状态，并发现GluN1亚基和GluN2A亚基的配体结合域二聚体有向内旋转的构象变化，验证了之前的功能及动力学模拟研究。

研究人员分别使用高亲和力的GluN2A亚基的竞争性抑制剂CPP和GluN1亚基的竞争性抑制剂CGP-78608，来模拟的受体抑制关闭的状态。与激动剂结合的受体结构对比发现，配体结合域整体处于被打开的构象。随着配体结合域的构象打开，铰链区失去对门控通道结构域的牵引，进而使得门控通道处于关闭状态。为探究变构调节机制，研究人员进一步使用GluN2A亚基特异的正性变构调节剂GNE-6901与GluN1-GluN2A蛋白结合。此前研究发现，该小分子通过作用在由GluN2A亚基组成的NMDA受体上，可以促进CA1锥体神经元的兴奋性突触后电位进而改善脑部功能。冷冻电镜解析的GNE-6901结合的NMDA受体结构分析发现，小分子结合在GluN1与GluN2A亚基配体结合域间二聚体中引起构象变化，使得受体的门控通道进一步处于相对开放的构象。

研究在NMDA受体上首次发现一个全新的小分子结合位点。研究人员使用开放通道抑制剂9-AA与受体结合并解析了三维结构，发现9-AA小分子处于受体跨膜区门控通道的连接域处，完全不同与此前功能实验预测的传统通道抑制剂结合位点。为了验证小分子的作用机制，科研人员通过电生理实验证实了在GluN1和GluN2A的连接域处的一对谷氨酸的突变会影响小分子在受体上的作用，进而给小分子在此处的结合提供了功能验证。该工作丰富了NMDA受体的结构和药理学研究，完整阐释了其作为离子通道的门控机制，为药物设计、筛选及新药研发提供了重要的理论依据（图2）。(生物谷Bioon.com）