Cell：竺淑佳/李扬团队首次在原子分辨率上看清调控学习和记忆的“分子开关”NMDA受体的精细结构

学术 2025-01-25 10:00 上海

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

学习和记忆是人类认知和感知世界的高级脑功能，突触可塑性的改变被认为是学习和记忆的物质基础。N-甲基-ᴅ-天冬氨酸（N-methyl-ᴅ-aspartate，简称为NMDA）受体是一类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（如大脑皮层和海马）发挥着至关重要的作用，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揭示 NMDA 受体功能障碍直接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 受体一直是脑疾病领域药物设计最热门的靶点，已有靶向 NMDA 受体的分子（如氯胺酮、美金刚、右美沙芬）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（N2A-N2D，N3A-N3B）亚基组装形成二异或三异四聚体（图1）。过去十年内，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，其中竺淑佳团队在该领域也取得了系列进展（Cell 2016；Cell Rep 2018；Nature 2021；Neuron 2021；Nat Struct & Mol Biol 2023、2024）。

然而，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是怎样的，它们的组装形式和已知的异源重组受体是否存在差异，系列问题极大限制了对突触分子功能的理解。

图1. NMDA受体亚基时空表达和四聚体组装的多样性。功能性NMDA受体由两个必需的GluN1亚基和两个可变的GluN2或GluN3亚基组装形成四聚体。在不同的发育阶段，脑内关键NMDA受体不同亚型的分布及功能存在多样性。

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）竺淑佳团队和中国科学院上海药物研究所李扬团队合作，在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Assembly and architecture of endogenous NMDA receptors in adult cerebral cortex and hippocampus（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。

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。

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（图2）。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中富集和分离出了丰度极低的内源 NMDA 受体。

图2. 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。杂交瘤技术及活细胞荧光成像方法制备及鉴定结合不同NMDA受体亚型的单克隆抗体。利用纳摩尔级别的GluN1单抗纯化出皮层海马中内源NMDA受体，并加入构象特异性和亚基选择性的GluN2抗体进行标记及分析。

通过冷冻电镜（cryo-EM）技术，研究团队从皮层和海马中的内源 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（图3）。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。更新了领域内三十年来认为发育关键期（developmental switch）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 三种亚型共存的结论。

图3. 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。

研究团队进一步通过结构对比，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，将决定不同亚型的生物物理学、药理学和通道开放属性（图4）。不同内源 NMDA 受体间的构象差异，为理解内源 NMDA 受体的功能多样性，以及不同受体的药理差异提供了分子基础。该发现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。

图4. 内源NMDA受体亚型间的构象及药理学特性差异

该研究范式突破了几十年来 NMDA 受体的分子结构局限于体外异源重组表达系统的瓶颈，首次在原子分辨率上“看到”调控哺乳动物学习和记忆的“分子开关”的精细结构，揭示了内源 NMDA 受体的组装和组成，不仅加深了神经科学领域对 NMDA 受体介导的突触可塑性、学习和记忆等生理功能的理解，更为后续研究基于 NMDA 受体功能障碍相关脑疾病的机制和治疗，揭示靶向 NMDA 受体临床药物的在体作用机制奠定了重要的理论依据。

中国科学院脑智卓越中心和上海药物研究所联合培养博士研究生张明为论文第一作者，中国科学院脑智卓越中心竺淑佳研究员和中国科学院上海药物研究所李扬研究员为论文共同通讯作者。竺淑佳团队的冯娟副研究员协助数据分析，谢春和宋楠制备并鉴定了亚基特异性抗体；北京蛋白质组中心的王建研究员和金超智完成了质谱鉴定；大连化物所赵群和张丽华研究员开展了交联质谱分析；脑智卓越中心孙怡迪研究员和王波爽开展了转录组数据分析。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00033-9

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