青科沙龙第138期 | Cell-大脑中的天然NMDA受体：从原子结构到突触生理学

学习和记忆是人类认知和感知世界的重要脑功能，而突触可塑性的变化被认为是其物质基础。N-甲基-ᴅ-天冬氨酸（N-methyl-ᴅ-aspartate，简称NMDA）受体是一类存在于突触上的离子型谷氨酸门控通道，广泛参与神经发育、突触可塑性、学习与记忆、认知功能及情绪调控，常被视为学习和记忆的关键“分子开关”。NMDA受体在大脑皮层和海马等负责学习和记忆的脑区中发挥着至关重要的作用。其受体通道对钙离子具有高度通透性，根据突触活动的强弱调节突触连接的强度，并通过下游信号介导基因的表达和新突触的形成。近年来的临床研究表明，NMDA受体功能障碍与一系列神经及精神疾病密切相关，包括与NMDA受体突变相关的罕见疾病、癫痫、精神分裂症以及自身免疫性脑炎等。因此，NMDA受体一直是神经疾病药物设计的热点靶点，已有多种靶向NMDA受体的分子（如氯胺酮、美金刚、右美沙芬）被用于临床治疗抑郁症和阿尔茨海默症等疾病。 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（N2A-N2D，N3A-N3B）亚基组装形成二异或三异四聚体。在过去的十年中，利用体外重组表达系统，NMDA受体亚型的结构与功能已经得到了广泛的研究和解析。然而，大脑中内源性NMDA受体的亚基表达和受体组装受到大脑发育过程中的时空变化严格调控。目前，关于大脑中调控学习与记忆的内源性NMDA受体的类型、它们在大脑中的相对比例、这些受体的组装形式与已知的异源重组受体是否存在差异等问题，仍然是亟待解决的科学难题。

    2025年1月23日，中国科学院脑科学与智能技术卓越中心（神经科学研究所）竺淑佳研究组和上海药物研究所李扬研究组合作在Cell期刊在线发表了研究论文Assembly and architecture of endogenous NMDA receptors in adult cerebral cortex and hippocampus。研究团队通过提取大鼠大脑皮层和海马中的内源NMDA受体并解析出3种主要亚型及比例，揭示内源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。该成果为开发靶向NMDA受体治疗神经或精神类疾病的新型药物提供了重要的理论基础。 
 
  研究过程    
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。团队通过异源重组表达的不同NMDA亚型蛋白逐一免疫小鼠，通过杂交瘤技术及活细胞染色筛选出了靶向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（亲和力在纳摩尔数量级），研究团队成功从成年大鼠的大脑皮层和海马体组织中富集和分离出了丰度极低的内源NMDA受体。 通过冷冻电镜（cryo-EM）技术，团队从皮层和海马体组织中的内源NMDA受体解析出了3种主要的受体亚型：GluN1-N2A-N2B三异四聚体，GluN1-N2B和GluN1-N2A二异四聚体，分别占据45%，35%和20%的比例。该研究表明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。该发现更新了过去三十年来关于发育关键期（developmental switch）的观点，即从GluN1-N2B转变为GluN1-N2A的传统看法。新观点认为，发育过程中，GluN1-N2B受体转变为成年期共存的GluN1-N2A-2B、GluN1-N2B和GluN1-N2A三种亚型。 研究团队通过结构对比进一步揭示了GluN2B亚基在GluN1-N2A-N2B三异四聚体与GluN1-N2B二异四聚体中的构象差异，指出同一亚基在不同受体亚型中可能表现出不同的构象变化，从而决定了各亚型的生物物理特性、药理学特性和通道开放性质。不同内源性NMDA受体亚型间的构象差异为理解内源性NMDA受体功能的多样性，以及各受体亚型的药理差异提供了分子层面的依据。该发现为设计具有亚基特异性并具有亚型偏好性的化合物开辟了新的方向，有助于提升NMDA受体药物的靶向性。  

综上所述，该研究突破了几十年来NMDA受体分子结构局限于体外异源重组表达系统的瓶颈，首次在原子分辨率下揭示了调控哺乳动物学习和记忆的“分子开关”的精细结构，深入解析了内源性NMDA受体的组装与组成。该发现不仅加深了神经科学界对NMDA受体介导的突触可塑性、学习和记忆等生理功能的理解，还为基于NMDA受体功能障碍相关脑疾病的机制研究与治疗提供了新思路。同时，为靶向NMDA受体的临床药物的在体作用机制奠定了重要的理论基础。 
     原文链接   
 Assembly and architecture of endogenous NMDA receptors in adult cerebral cortex and hippocampus: Cell