中科院上海药物研究所2021年第5篇Nature：冷冻电镜再登顶刊！

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氯胺酮，是N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体的非竞争性通道阻滞剂。单次亚麻醉剂量的氯胺酮，在对其他抗抑郁药物有耐药性的患者中产生快速(数小时内)和持久的抗抑郁效果。氯胺酮是S-和R-氯胺酮对映体的外消旋混合物，其中S-氯胺酮异构体是更有效的抗抑郁剂。
在此，来自中国科学院大学&中国科学院上海药物研究所的罗成&中国科学院大学&中国科学院脑科学与智能技术卓越中心神经科学研究所的竺淑佳等研究者，描述了人GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B受体与S-氯胺酮、甘氨酸和谷氨酸复合物的冷冻电子显微镜结构。相关论文以题为“Structural basis of ketamine action on human NMDA receptors”于2021年07月28日发表在Nature上。
中科院上海药物研究所2021年第5篇Nature：冷冻电镜再登顶刊！
NMDA受体是谷氨酸门控钙渗透离子通道，在突触传递和可塑性中具有关键作用，对学习和记忆至关重要。功能性NMDA受体通常形成异四聚体复合物，由两个甘氨酸结合的GluN1亚基和两个谷氨酸结合的GluN2 (2A-2D)亚基组成。先前的研究表明，在体外，NMDA受体需要截断GluN1和GluN2亚基的C端结构域(CTDs)才能保持耐热性。
在此，为了捕获氯胺酮结合状态下的NMDA受体，研究者将纯化的蛋白与甘氨酸和谷氨酸(各1 mM)在S-氯胺酮(5 mM)的存在下预孵育，S-氯胺酮的效力是R-氯胺酮的3-5倍。接下来，将蛋白质玻璃化，并使用冷冻电镜收集结构数据集。在数据处理过程中没有应用对称性。最终的3D优化得到了GluN1 GluN2A和GluN1 GluN2B受体在名义上全局分辨率分别为3.5 Å和4.0 Å时的密度图(图1a, b等)。与之前报道的结构一致，人类GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B受体采用了典型的异四聚体结构，具有胞外N-端结构域(NTDs)和配体结合结构域(LBDs)，以及脂质双分子层中嵌入的跨膜结构域(TMD)(图1a, b)。GluN1-GluN2A受体的冷冻电镜图显示了甘氨酸和谷氨酸激动剂的EM密度。整个细胞外区域的EM密度分辨率超过了3Å，允许大部分氨基酸在NTDs、LBD和NTD LBD连接物以及糖基化修饰中放置。然而，GluN1-GluN2A受体TMD的总密度没有很好地解决，可能是因为GluN1-GluN2A受体的快速通道动力学相关的动态构象变化。相比之下，GluN1-GluN2B受体的TMD密度分辨率高得多，可以将大部分残基拟合到密度图中(图1e)。分子动力学模拟表明，S-氯胺酮在结合袋内两个不同的位置移动。GluN2A上的两个氨基酸-leucine 642(与GluN2B上的leucine 643同源)和GluN1上的天冬酰胺616，确定为与氯胺酮形成疏水和氢键相互作用的关键残基，这些残基的突变降低了氯胺酮阻断NMDA受体通道活性的能力。

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图1. 人GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B NMDA受体的S-氯胺酮结合冷冻电镜结构

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图2. GluN1-GluN2A受体的S-氯胺酮结合TMD的MD模拟

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图3. 氯胺酮抑制GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B NMDA受体的机制
综上所述，这些发现从结构上揭示了氯胺酮是如何与人类NMDA受体结合并起作用的，并为未来基于氯胺酮的抗抑郁药物的开发铺平了道路。
文献信息
Zhang, Y., Ye, F., Zhang, T. et al. Structural basis of ketamine action on human NMDA receptors. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03769-9

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03769-9#citeas

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