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《自然》發表抗抑郁藥氯胺酮靶向人源NMDA受體的分子機制

發布時間:2021-07-28

  2021728日,《自然》期刊在線發表題為《氯胺酮作用于人源NMDA受體的結構基礎》的研究論文,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竺淑佳研究組與中科院上海藥物研究所羅成研究組合作完成。該研究通過冷凍電鏡解析了NMDA受體結合快速抗抑郁藥氯胺酮的三維結構,確定了氯胺酮在NMDA受體上的結合位點,并進一步通過電生理功能實驗和分子動力學模擬,闡明了氯胺酮與NMDA受體結合的分子基礎。該研究為靶向NMDA受體設計新型抗抑郁藥的研發提供了重要基礎。 

  抑郁癥影響了全球3億多人口,傳統的抗抑郁藥多數作用于單胺能神經系統,需要持續用藥數周甚至數月后才能起效,并且對三分之一的難治性抑郁癥患者沒有治療效果。氯胺酮作為能快速起效的新型抗抑郁藥,一劑亞麻醉劑量的用藥幾小時內就能顯著改善患者的情緒低落,自我評價低等負面癥狀,甚至減弱患者自殺意念,尤其對難治性抑郁癥有治療效果,是抗抑郁領域近幾十年來最重要的發現。但是,氯胺酮會造成分離性幻覺、成癮等副作用,極大地限制了它的臨床應用。因此,研發副作用更小且能快速起效的新型抗抑郁藥,一直是全世界眾多科學家努力的方向。 

  已有的研究顯示,氯胺酮作為大腦內重要的谷氨酸門控離子通道NMDA受體的阻斷劑,可通過抑制NMDA受體通道活性,參與到突觸傳遞及突觸可塑性信號通路的調控,進而恢復慢性壓力導致的皮層與海馬區域的突觸損傷。因此,解析氯胺酮在NMDA受體上的結合位點,并闡明氯胺酮與NMDA受體之間如何相互作用,對基于氯胺酮/NMDA受體復合物結構設計新型抗抑郁藥的研究具有重要意義。竺淑佳研究組長期從事NMDA受體結構與功能的系列研究,在NMDA受體家族不同亞型的三維結構、構象動力學、變構調節、藥理學和門控開放機制等研究領域取得了系列重要發現(Nat Struct Mol Biol2013; PNAS 2014; Cell 2016; Cell Rep 2018; Neuron 2021)。 

  在該研究中,竺淑佳團隊聚焦在成年哺乳動物腦內表達最豐富的兩種亞型GluN1-GluN2AGluN1-GluN2B NMDA受體上,前期利用真核細胞表達系統進行了大量蛋白表達與純化的條件摸索。在得到穩定的NMDA受體蛋白后,團隊結合冷凍電鏡技術解析了氯胺酮結合的人源GluN1-GluN2AGluN1-GluN2B亞型NMDA受體的三維結構。在NMDA受體的跨膜區發現了氯胺酮的電子云密度圖,進而確認了氯胺酮的結合位點在離子通道的門控與選擇性過濾器中間的空腔內??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。竺淑佳團隊通過點突變篩選及電生理實驗鑒定了GluN1-N616GluN2A-L642(同源GluN2B-L643)這兩個關鍵氨基酸是參與氯胺酮結合的關鍵氨基酸。這兩個位點的突變會顯著影響氯胺酮抑制NMDA受體通道活性的效力,有力地證明了這兩個關鍵氨基酸在氯胺酮抑制通道活性過程中發揮重要作用。為了進一步解析受體與氯胺酮之間的相互作用,合作團隊藥物所羅成研究組進行了分子動力學模擬。模擬結果發現GluN2A-L642對氯胺酮結合能的貢獻最大,其疏水側鏈可與氯胺酮形成疏水作用,同時發現了GluN1-N616會與氯胺酮形成氫鍵作用。 

  該研究通過電鏡“看到”并確認了氯胺酮在NMDA受體上的結合位點,并揭示了GluN1-N616的氫鍵作用和GluN2A-L642的疏水作用,在氯胺酮穩定結合在NMDA受體的通道空腔內并阻斷通道的過程中起著關鍵作用。研究還進一步探討了手性異構體R-氯胺酮和S-氯胺酮在結合和分子機制上的相同點和差異點。這一系列發現為基于NMDA受體結構設計新型抗抑郁藥的研發提供了重要基礎。 

  中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心博士研究生張友誼、章彤彤與浙江理工大學副教授葉飛為該論文共同第一作者,中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心竺淑佳研究員與中科院上海藥物研究所羅成研究員為該論文的共同通訊作者。腦智卓越中心研究生呂詩云、藥物所郭飛和杜道海副研究員參與了實驗,公安部第三研究所提供了實驗所需的化合物樣品。腦智卓越中心學術主任蒲慕明院士、孫怡迪博士和藥物所徐華強研究員給與了討論和建議。該工作得到了中科院生物物理所生物成像中心的大力支持,獲得國家自然科學基金委員會、中國科學院和上海市的資助。     

  圖注(A)結合氯胺酮的人源GluN1-GluN2A NMDA受體冷凍電鏡三維結構。(B)氯胺酮結合位點空腔里的關鍵氨基酸。(C)分子動力學模擬過程中氯胺酮周圍氨基酸的結合能貢獻和氫鍵形成的頻率。(D)野生型和關鍵位點突變的NMDA受體的氯胺酮劑量效應曲線。 

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