Nature | 于杰等揭示海马体中AMPAR复合物的组成以及特异性拮抗剂的抑制机理

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中枢神经系统的正常功能是兴奋神经元和抑制神经元共同发挥作用的。GABA和甘氨酸是主要的传导抑制信号的神经递质，而谷氨酸是主要的传导兴奋信号的神经递质。这些神经递质结合的受体高度聚集在突触后膜上， 介导了大脑和脊髓的神经信号传导。AMPAR （AMPA-selective glutamate receptor）和其他的谷氨酸受体， 是神经系统内主要的传递兴奋信号的介质。AMPAR 是受配体调控的阳离子通道。当突触前膜释放谷氨酸，AMPAR被谷氨酸激活开放离子通道, 钠离子和钙离子进入细胞内膜，引起了细胞膜的去极化，从而传递兴奋信号。

海马体是人类及脊椎动物脑中的重要部分，担当着关于短期记忆、长期记忆，以及空间定位的作用。许多神经性退行性疾病都与海马体有关， 例如阿尔茨海默病。长久以来的研究证明AMPAR在海马体的神经回路信号传递中起到了非常关键的作用。

AMPAR 是由四个亚型GluA1，GluA2，GluA3和GluA4组成的四聚体。它是由N 末端区域 （ATD），配体结合区域 (LBD) 还有跨膜区 (TMD) 组成。离子通道位于跨膜区， 允许阳离子通过。AMPAR在体内不是单一存在的，被许多的辅助亚基包围，调控AMPAR的功能，运输和表达。AMPAR的组成在不同的大脑区域内是不同的。研究表明，GluA1和GluA2是海马体中最丰富的亚基， 而TARP-γ8，CNIH2和SynDIG4是海马体中AMPAR的主要辅助蛋白。

为了研究海马体中表达哪些AMPAR复合物亚型，哪些辅助蛋白共同和AMPAR 组装在一起，以及辅助蛋白特异性拮抗剂如何抑制天然状态的AMPAR，2021年5月12日，美国俄勒冈健康科学大学Eric Gouaux 课题组的于杰等人于Nature在线发表题为Hippocampal AMPA receptor assemblies and mechanism of allosteric inhibition的研究论文。研究团队通过单分子荧光成像技术，电生理实验和冷冻电镜等手段第一次揭示了海马体中AMPAR复合物的组成，和辅助蛋白的组成，以及特异性拮抗剂的抑制机理。

研究团队解剖了200只老鼠的脑子，并从400片海马体中利用GluA2特异性的单克隆抗体提取了海马体中的天然状态下的AMPAR复合物。研究团队收集了大量的冷冻电镜收据，通过计算分析，揭示了海马体中存在四种主要的复合物，其中GluA1 和GluA2是组成复合物最主要的亚基。同时也通过单分子荧光成像技术证明了这一结论。研究团队通过对LBD-TMD区域进行分离聚焦处理，得到了高分辨率的GluA1-GluA2-TARP-γ8-CNIH2的复合物结构，发现TARP-γ8和CNIH2分别位于B’/D’和A’/C’ 位置，并分析了TARP-γ8和CNIH2是如何和AMPAR相互作用来调控AMPAR的功能 （图 1）。

图1：GluA1-GluA2-TARP-γ8-CNIH2的复合物的结构和组成

JNJ是AMPAR 的一种非竞争性拮抗剂，特异性的作用在含有 TRAP- γ8的AMPAR。与用于治疗神经系统疾病（例如癫痫）的经典拮抗剂相比，它被认为具有最低的副作用及造成最小的运动障碍。研究团队解析了在JNJ存在下的海马体AMPAR复合物的结构，并通过大量的电生理实验，揭示了JNJ是如何结合在TARP-γ8—AMPAR的交界面并使AMPAR处于关闭状态的抑制机理，从而证明了利用天然状态的神经递质受体作为药物靶点设计小分子的可行性。最后，研究团队还发现第三个辅助亚基SynDIG4也存在于海马体AMPAR复合物中，并预测了它调控AMPAR功能的可能的机制 (图 2)。

图2：海马体AMPAR复合物组成的卡通示意图

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03540-0