研究解析成年哺乳动物大脑皮层和海马内源NMDA受体的组装和结构
1月23日，中国科学院脑科学与智能技术卓越中心竺淑佳研究组和上海药物研究所李扬研究组合作，在《细胞》（Cell）上在线发表了题为《成年哺乳动物大脑皮层和海马内源NMDA受体的组装和结构》的研究论文。该团队通过提取大鼠大脑皮层和海马中的内源N-甲基-ᴅ-天冬氨酸（NMDA）受体，解析出3种主要亚型和比例，揭示了内源NMDA受体的原子分辨率三维结构，突破了NMDA受体的分子结构与功能研究局限于异源重组表达系统的瓶颈。这一成果为开发靶向NMDA受体治疗神经或精神类疾病的新型药物奠定了重要理论基础。
学习和记忆是人类认知与感知世界的高级脑功能，而突触可塑性的改变被认为是学习和记忆的物质基础。NMDA受体存在于突触上的离子型谷氨酸门控通道家族，广泛参与神经发育、突触可塑性、学习记忆、认知及情绪等高级脑功能调控，被视为学习和记忆的关键“分子开关”。NMDA受体在负责学习和记忆相关高级认知功能的脑区发挥重要作用；受体通道对钙离子具备高通透性，根据突触活动的强弱调控突触连接的强度，并参与下游信号介导基因的表达和新突触的形成。近年来的临床医学研究发现，NMDA受体功能障碍与一系列神经及精神疾病密切相关，包括NMDA受体突变相关的罕见病、癫痫、精神分裂症和自身免疫性脑炎等。因此，NMDA受体是脑疾病领域药物设计的热门靶点。目前，已有靶向NMDA受体的分子用于临床治疗抑郁症和阿尔茨海默症。
在哺乳动物中，NMDA受体由7个不同基因编码形成7个不同亚基。有功能的NMDA受体通常由两个必需的GluN1亚基和两个可变的GluN2/3亚基组装形成二异四聚体或三异四聚体。过去，利用体外重组表达系统，NMDA受体亚型的结构与功能已被大量解析。而大脑中内源NMDA受体的亚基表达和受体组装受到严格的大脑发育时空变化调控。脑内调控学习与记忆的是哪些内源NMDA受体、它们在大脑中的占比以及它们的组装形式和已知的异源重组受体是否存在差异等问题尚不清楚，这限制了科研人员对突触分子功能的认知。
为了从脑组织中分离出内源NMDA受体，竺淑佳团队通过多年的技术积累，定制了靶向各个NMDA受体亚基的构象特异性单克隆抗体。该团队通过异源重组表达的不同NMDA亚型蛋白逐一免疫小鼠，通过杂交瘤技术和活细胞染色筛选出靶向NMDA受体各亚基的选择性单抗。借助这些实验室自制的超高亲和力抗体工具，该团队在成年大鼠的大脑皮层和海马中富集和分离出丰度极低的内源NMDA受体。
该研究利用冷冻电镜技术，在皮层和海马中的内源NMDA受体解析出三种主要的受体亚型——GluN1-N2A-N2B三异四聚体、GluN1-N2B二异四聚体和GluN1-N2A二异四聚体，分别占45%、35%、20%的比例。研究发现了GluN1-N2A-N2B三异四聚体是内源丰度最高的亚型，强调了GluN2A和GluN2B亚基在生理状态同一受体中的功能整合。这更新了领域内三十年来认为发育关键期是从GluN1-2B转变为GluN1-2A的观点，应修正为从出生时GluN1-2B转变为成年的GluN1-2A-2B、GluN1-2B和GluN1-2A三种亚型共存的论点。
进一步，该研究通过结构对比发现了GluN2B亚基在GluN1-N2A-N2B三异四聚体和GluN1-N2B二异四聚体中的构象区别，揭示了同一亚基在不同受体中存在构象差异，以及这一差异决定不同亚型的生物物理学、药理学和通道开放属性。不同内源NMDA受体间的构象差异，为探讨内源NMDA受体的功能多样性以及不同受体的药理差异奠定了分子基础。这为设计具有亚基特异性且具有亚型偏好性的化合物提供了可能，有助于提高NMDA受体药物的靶向性。
研究工作得到科技创新-2030重大项目、国家自然科学基金、中国科学院相关项目等的支持。
NMDA受体亚基时空表达和四聚体组装的多样性
靶向NMDA受体亚基的高亲和力单抗的开发和内源NMDA受体的富集纯化策略
皮层和海马内源NMDA受体的主要亚型和不同亚基在单细胞转录组水平上的分布
内源NMDA受体亚型间的构象与药理学特性差异
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