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N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體作為突觸可塑性的關(guān)鍵分子，其功能受鎂離子的電壓依賴性阻斷與電壓非依賴的變構(gòu)調(diào)控，但具體分子機(jī)制未知。鎂離子是神經(jīng)系統(tǒng)中重要的二價(jià)陽離子，參與神經(jīng)發(fā)育、突觸可塑性與體內(nèi)穩(wěn)態(tài)維持。鎂離子最為人熟知的功能之一是作為NMDA受體的電壓依賴性阻斷劑。然而，鎂離子離子半徑小，冷凍電鏡分辨率不足以清晰捕捉其結(jié)合位點(diǎn)。因此，鎂離子在NMDA受體中的具體結(jié)合位點(diǎn)及其調(diào)控機(jī)制以及鎂離子阻斷而鈣離子通透的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)尚不清楚。

近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心竺淑佳團(tuán)隊(duì)揭示了鎂離子在NMDA受體中的多重作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了存在3個(gè)獨(dú)立的鎂離子結(jié)合位點(diǎn)。研究顯示，位點(diǎn)I位于選擇性過濾器，由天冬酰胺形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)通過配位鍵與鎂離子結(jié)合，負(fù)責(zé)經(jīng)典的電壓依賴性阻斷功能；位點(diǎn)II和III位于GluN2B亞基的N端結(jié)構(gòu)域，分別介導(dǎo)鎂離子的變構(gòu)增強(qiáng)與抑制作用。

該研究利用雙電極電壓鉗技術(shù)，記錄表達(dá)在爪蟾卵母細(xì)胞上的NMDA受體以及電流-電壓特性曲線。研究發(fā)現(xiàn)，在負(fù)電壓下，鎂離子對(duì)GluN1-N2A和GluN1-N2B兩種NMDA受體亞型的阻斷作用具有相似的親和力；而在正電壓下，鎂離子僅對(duì)GluN1-N2B受體的外向電流表現(xiàn)出顯著的增強(qiáng)作用。

為進(jìn)一步明確鎂離子調(diào)控GluN1-N2B的結(jié)構(gòu)機(jī)制，該研究純化了人源的GluN1-N2B受體蛋白，分別解析鎂離子或在二價(jià)離子螯合劑EDTA存在下的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。研究通過結(jié)構(gòu)比較、點(diǎn)突變和電生理功能驗(yàn)證，鑒定出3個(gè)不同的鎂離子結(jié)合位點(diǎn)。具體而言，位點(diǎn)I位于GluN1-N2B受體的選擇性過濾器處，天冬酰胺環(huán)的側(cè)鏈與鎂離子形成配位鍵，介導(dǎo)電壓依賴性阻斷效應(yīng)。位點(diǎn)II和位點(diǎn)III位于GluN2B亞基的N端結(jié)構(gòu)域的不同口袋。其中，位點(diǎn)II由3個(gè)酸性殘基組成。當(dāng)這些殘基同時(shí)突變時(shí)，GluN2B特異性鎂離子增強(qiáng)作用完全消失；而位點(diǎn)III與鋅離子結(jié)合口袋重疊，且該位點(diǎn)的突變提高了鎂離子的增強(qiáng)作用，證明該位點(diǎn)參與變構(gòu)抑制作用。

同時(shí)，該研究通過分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了鎂離子和鈣離子與NMDA受體殘基相互作用的差異。在3次獨(dú)立的模擬中，鎂離子始終與天冬酰胺殘基形成穩(wěn)定的相互作用，而鈣離子因范德華力半徑更大，主要與水分子形成配位鍵。上述差異導(dǎo)致鈣離子無法如同鎂離子一樣在天冬酰胺環(huán)形成的空間內(nèi)緊密結(jié)合，這對(duì)NMDA受體中鎂離子阻斷和鈣離子通透的選擇性差異提出了新認(rèn)識(shí)。

該研究揭示了鎂離子在NMDA受體中的多重調(diào)控機(jī)制，闡釋了鎂離子阻斷和鈣離子通透的差異性分子機(jī)制，為探討NMDA受體在興奮性突觸傳遞中的功能及其在突觸可塑性中的作用提供了新視角。

相關(guān)研究成果以《鎂離子對(duì)NMDA受體多重調(diào)控機(jī)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》為題，發(fā)表在《神經(jīng)元》（Neuron）上。研究工作得到科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

NMDA受體在突觸傳遞中的功能與鎂離子作用機(jī)制