3月24日，Nature Structural & Molecular Biology在線發表了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心竺淑佳研究組撰寫的題為Distinct structure and gating mechanism in diverse NMDA receptors with GluN2C and GluN2D subunits的研究論文。該研究結合單顆粒冷凍電鏡、質脂體單通道記錄、電壓鉗記錄、分子動力學模擬、質譜分析、生化驗證等多維度技術，揭示了含GluN2D亞基NMDA受體的門控機制和功能特征，詮釋了含GluN2C亞基NMDA受體的不對稱幾何構象及特異性變構調節的機制。該研究為深度理解NMDA受體不同亞型的功能多樣性及開發亞型選擇性的小分子藥物奠定了理論基礎（圖1）。 

　　NMDA受體是介導大腦突觸信號傳遞和突觸可塑性的離子通道，參與并調控神經系統的發育、學習和記憶，同時，其功能異常與諸多神經或精神疾病的發生發展密切相關，是藥物研發的重要靶點。哺乳動物大腦中的不同亞型NMDA受體，其表達分布和生物物理學性質具有多樣性。含有GluN2A或GluN2B亞基的受體具有較高的通道開放概率和較低的激動劑親和力。相反，含有GluN2C或GluN2D亞基的受體具有較低的通道開放概率和較高的激動劑親和力。然而，決定這些功能多樣性的分子基礎知之甚少。 

　　GluN2D富集表達于下丘腦、杏仁核等與情緒調節密切相關的腦區。竺淑佳研究組發現，GluN1-N2D受體具有一個比其他亞型更閉合的氨基端結構域，從而使它具有較低的通道開放概率。競爭性拮抗劑R-CPP能夠通過撐開谷氨酸結合口袋，進而抑制離子通道的開放。GluN1上的可變剪接5號外顯子可以使激動劑結合結構域扭轉，從而提高離子通道的開放活性。鑒于GluN1-N2D受體的離子通道開放概率與GluN1-N2A受體相差50倍，研究基于結構在相互作用交界面引入一對二硫鍵，發現交聯顯著性地提高了GluN1-N2D受體的通道活性（圖2a-d）。上述成果揭示了GluN1-N2D亞型的門控機制以及決定其生物物理特征的分子基礎。 

　　研究進一步發現，GluN1-N2C受體采取了與經典NMDA受體所不同的特殊非對稱構象。該特性決定了小分子藥物PYD-106只能結合相同基因編碼的兩個GluN2C中的一個亞基（圖2e、f）。此外，研究還解析了在小腦顆粒細胞中高表達的GluN1-N2A-N2C受體的結構。進一步分析發現，GluN1-N2A-N2C受體中的GluN2A和GluN2C亞基分別整合了對應二異四聚體中的一個單體構象（圖2g）。該研究首次揭示了GluN1-N2C受體的特殊非對稱幾何學特性，闡釋了小分子PYD-106選擇性作用于GluN1-N2C受體的機制。 

　　研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會、中科院、上海市科學技術委員會的支持。 

　　圖1.決定不同NMDA受體功能多樣性的分子基礎。a、不同NMDA亞型在不同發育階段的全腦分布（引自Paoletti et al., 2013）；b-c、不同NMDA受體亞型的三維結構及決定功能多樣性的結構基礎。 　　  

　　圖2.含有GluN2D和GluN2C受體的三維結構、門控機制和藥理學特性。a、GluN1-N2D受體的三維結構；b、甘氨酸、谷氨酸和競爭性抑制劑R-CPP在其結合口袋中的電子密度云；c-d、GluN1^E698C-N2D突變型受體在二硫鍵交聯和非交聯狀態下的三維構象和單通道性質；e、GluN1-N2C受體的三維結構；f、GluN1-N2C受體的非對稱性構象及選擇性變構抑制劑PYD-106的結合口袋；g、GluN1-N2A-N2C受體的組裝模式和拓撲結構。