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人源NMDA受體的門控機制和全新小分子結合位點

發布時間:2021-06-28

  628日,《神經元》期刊在線發表了題為《人源GluN1-GluN2A NMDA受體的門控機制和一個全新小分子結合位點》的研究性論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心的竺淑佳研究組完成。該研究解析了一系列人源NMDAN-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合的高分辨率冷凍電鏡的結構,并探究了受體在不同小分子結合下的門控機制,同時也發現了一個全新的小分子結合位點。該研究豐富了NMDA受體的神經藥理學特性,為深入理解NMDA受體結構和功能之間的聯系提供了新的分子機制。 

  NMDA受體作為一類重要的興奮性離子型谷氨酸受體,在神經系統發育形成與突觸可塑性中發揮重要功能。NMDA受體通常由兩個結合甘氨酸的必需亞基GluN1和兩個結合谷氨酸的可變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系統和精神疾?。ㄈ缫钟舭Y、精神分裂癥、帕金森病和阿爾茲海默癥等)有密切的關聯性。這些神經和精神疾病給患者及病人家屬帶來極大的痛苦,是亟需解決的重要臨床難題。因此,深入研究NMDA受體在生理狀態下的構象與功能,并揭示全新的小分子結合位點,對于靶向NMDA受體功能異常的新藥研發是至關重要的。 

  本研究通過冷凍電鏡解析了一系列高分辨率處于不同生理狀態下GluN1-GluN2A NMDA受體結構(下圖)。首先,研究者引入一對半胱氨酸交聯,使受體處于更激活狀態,并發現GluN1亞基和GluN2A亞基的配體結合域二聚體有向內旋轉的構象變化,驗證了之前的功能及動力學模擬研究。 

   

  1 | 冷凍電鏡解析不同狀態下人源GluN1-GluN2A NMDA受體 

  同時,研究人員分別使用高親和力的GluN2A亞基的競爭性抑制劑CPPGluN1亞基的競爭性抑制劑CGP-78608來模擬的受體抑制關閉的狀態。與激動劑結合的受體結構對比發現,配體結合域整體處于被打開的構象。隨著配體結合域的構象打開,鉸鏈區失去對門控通道結構域的牽引,進而使得門控通道處于關閉狀態。為研究變構調節機制,研究人員進一步使用GluN2A亞基特異的正性變構調節劑GNE-6901GluN1-GluN2A蛋白結合。之前的研究發現該小分子通過作用在由GluN2A亞基組成的NMDA受體上,可以促進CA1錐體神經元的興奮性突觸后電位進而改善腦部功能。冷凍電鏡解析的GNE-6901結合的NMDA受體結構分析發現,小分子結合在GluN1GluN2A亞基配體結合域間二聚體中引起構象變化,使得受體的門控通道進一步處于相對開放的構象。 

  最后,研究人員在NMDA受體上首次發現一個全新的小分子結合位點。研究人員使用開放通道抑制劑9-AA與受體結合并解析了三維結構,發現9-AA小分子處于受體跨膜區門控通道的連接域處,完全不同與此前功能實驗預測的傳統通道抑制劑結合位點。為了驗證小分子的作用機制,研究者通過電生理實驗證實了在GluN1GluN2A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,進而給小分子在此處的結合提供了功能驗證。這項工作豐富了NMDA受體的結構和藥理學研究,完整闡釋了其作為離子通道的門控機制,為藥物設計、篩選及新藥研發提供了重要的理論依據(圖2)。     

   

  2 | GluN1-GluN2A NMDA受體的門控機制 

  該工作由中國科學院腦智卓越中心突觸蛋白結構和功能課題組的博士研究生王涵在竺淑佳研究員的指導下完成,實驗室研究生呂詩云,黃雪晶,研究實習員張金寶,潘祎杰作出重要貢獻。研究內容也得到法國巴黎高等師范學校Pierre  Paoletti教授合作指導。中科院腦智卓越中心,浙江大學、生物物理所及上??萍即髮W的冷凍電鏡平臺為本研究的數據采集提供大力支持。該研究得到國家自然科學基金委、科技部、中國科學院,上海市科委及歐洲研究委員會的資助。 

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