學(xué)習(xí)和記憶是人類認(rèn)知和感知世界的高級腦功能，突觸可塑性的改變被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)。N-甲基-?-天冬氨酸（N-methyl-?-aspartate，簡稱為NMDA）受體是一類存在于突觸上的離子型谷氨酸門控通道家族，廣泛參與神經(jīng)發(fā)育、突觸可塑性、學(xué)習(xí)記憶、認(rèn)知及情緒等高級腦功能調(diào)控，被視為學(xué)習(xí)和記憶的關(guān)鍵“分子開關(guān)”。
NMDA 受體在負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)高級認(rèn)知功能的腦區(qū)（如大腦皮層和海馬）發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，受體通道對鈣離子具備高通透性，根據(jù)突觸活動(dòng)的強(qiáng)弱調(diào)控突觸連接的強(qiáng)度，并參與下游信號介導(dǎo)基因的表達(dá)和新突觸的形成。近年來的臨床醫(yī)學(xué)研究揭示 NMDA 受體功能障礙直接與一系列神經(jīng)及精神疾病密切相關(guān)，包括 NMDA 受體突變相關(guān)的罕見病、癲癇、精神分裂癥和自身免疫性腦炎等。因此，NMDA 受體一直是腦疾病領(lǐng)域藥物設(shè)計(jì)最熱門的靶點(diǎn)，已有靶向 NMDA 受體的分子（如氯胺酮、美金剛、右美沙芬）用于臨床治療抑郁癥和阿爾茨海默癥。
在哺乳動(dòng)物中，NMDA 受體由 7 個(gè)不同基因編碼形成 7 個(gè)不同亞基。有功能的 NMDA 受體通常由兩個(gè)必需的 GluN1 亞基和兩個(gè)可變的 GluN2/3（N2A-N2D，N3A-N3B）亞基組裝形成二異或三異四聚體（圖1）。過去十年內(nèi)，利用體外重組表達(dá)系統(tǒng)，NMDA 受體亞型的結(jié)構(gòu)與功能已被大量解析，其中竺淑佳團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域也取得了系列進(jìn)展（Cell 2016；Cell Rep 2018；Nature 2021；Neuron 2021；Nat Struct & Mol Biol 2023、2024）。
然而，大腦中內(nèi)源 NMDA 受體的亞基表達(dá)和受體組裝受到嚴(yán)格的大腦發(fā)育時(shí)空變化調(diào)控。腦內(nèi)調(diào)控學(xué)習(xí)與記憶的是哪些內(nèi)源 NMDA 受體，它們在大腦中的占比是怎樣的，它們的組裝形式和已知的異源重組受體是否存在差異，系列問題極大限制了對突觸分子功能的理解。
圖1. NMDA受體亞基時(shí)空表達(dá)和四聚體組裝的多樣性。功能性NMDA受體由兩個(gè)必需的GluN1亞基和兩個(gè)可變的GluN2或GluN3亞基組裝形成四聚體。在不同的發(fā)育階段，腦內(nèi)關(guān)鍵NMDA受體不同亞型的分布及功能存在多樣性。
2025年1月23日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）竺淑佳團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院上海藥物研究所李揚(yáng)團(tuán)隊(duì)合作，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Assembly and architecture of endogenous NMDA receptors in adult cerebral cortex and hippocampus（成年哺乳動(dòng)物大腦皮層和海馬內(nèi)源 NMDA 受體的組裝和結(jié)構(gòu)）的研究論文。
研究團(tuán)隊(duì)通過提取大鼠大腦皮層和海馬中的內(nèi)源 NMDA 受體并解析出 3 種主要亞型及比例，揭示內(nèi)源 NMDA 受體的原子分辨率三維結(jié)構(gòu)，突破了 NMDA 受體的分子結(jié)構(gòu)與功能研究局限于異源重組表達(dá)系統(tǒng)的瓶頸。該成果為開發(fā)靶向 NMDA 受體治療神經(jīng)或精神類疾病的新型藥物提供了重要的理論基礎(chǔ)。
為了從腦組織中分離出內(nèi)源 NMDA 受體，竺淑佳團(tuán)隊(duì)通過多年的技術(shù)積累，定制了靶向各個(gè) NMDA 受體亞基的構(gòu)象特異性單克隆抗體。團(tuán)隊(duì)通過異源重組表達(dá)的不同 NMDA 亞型蛋白逐一免疫小鼠，通過雜交瘤技術(shù)及活細(xì)胞染色篩選出了靶向 NMDA 受體各亞基的選擇性單抗（圖2）。借助這些實(shí)驗(yàn)室自制的超高親和力抗體工具（親和力在納摩爾數(shù)量級），研究團(tuán)隊(duì)成功從成年大鼠的大腦皮層和海馬中富集和分離出了豐度極低的內(nèi)源 NMDA 受體。
圖2. 靶向NMDA受體亞基的高親和力單抗的開發(fā)和內(nèi)源NMDA受體的富集純化策略。雜交瘤技術(shù)及活細(xì)胞熒光成像方法制備及鑒定結(jié)合不同NMDA受體亞型的單克隆抗體。利用納摩爾級別的GluN1單抗純化出皮層海馬中內(nèi)源NMDA受體，并加入構(gòu)象特異性和亞基選擇性的GluN2抗體進(jìn)行標(biāo)記及分析。
通過冷凍電鏡（cryo-EM）技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)從皮層和海馬中的內(nèi)源 NMDA 受體解析出了 3 種主要的受體亞型：GluN1-N2A-N2B 三異四聚體，GluN1-N2B 和 GluN1-N2A 二異四聚體，分別占據(jù) 45%、35% 和 20% 的比例（圖3）。該研究表明 GluN1-N2A-N2B 三異四聚體是內(nèi)源豐度最高的亞型，強(qiáng)調(diào)了 GluN2A 和 GluN2B 亞基在生理狀態(tài)同一受體中的功能整合。更新了領(lǐng)域內(nèi)三十年來認(rèn)為發(fā)育關(guān)鍵期（developmental switch）是從 GluN1-2B 轉(zhuǎn)變?yōu)?GluN1-2A 的觀點(diǎn)，應(yīng)修正為從出生時(shí) GluN1-2B 轉(zhuǎn)變?yōu)槌赡甑?GluN1-2A-2B、GluN1-2B 和 GluN1-2A 三種亞型共存的結(jié)論。
圖3. 皮層和海馬內(nèi)源NMDA受體的主要亞型和不同亞基在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組水平上的分布。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)對比，發(fā)現(xiàn)了 GluN2B 亞基在 GluN1-N2A-N2B 三異四聚體和 GluN1-N2B 二異四聚體中的構(gòu)象區(qū)別，揭示了同一亞基在不同受體中存在構(gòu)象差異，將決定不同亞型的生物物理學(xué)、藥理學(xué)和通道開放屬性（圖4）。不同內(nèi)源 NMDA 受體間的構(gòu)象差異，為理解內(nèi)源 NMDA 受體的功能多樣性，以及不同受體的藥理差異提供了分子基礎(chǔ)。該發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)具有亞基特異性且具有亞型偏好性的化合物提供了可能，有助于提高 NMDA 受體藥物的靶向性。
圖4. 內(nèi)源NMDA受體亞型間的構(gòu)象及藥理學(xué)特性差異
該研究范式突破了幾十年來 NMDA 受體的分子結(jié)構(gòu)局限于體外異源重組表達(dá)系統(tǒng)的瓶頸，首次在原子分辨率上“看到”調(diào)控哺乳動(dòng)物學(xué)習(xí)和記憶的“分子開關(guān)”的精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示了內(nèi)源 NMDA 受體的組裝和組成，不僅加深了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)?NMDA 受體介導(dǎo)的突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶等生理功能的理解，更為后續(xù)研究基于 NMDA 受體功能障礙相關(guān)腦疾病的機(jī)制和治療，揭示靶向 NMDA 受體臨床藥物的在體作用機(jī)制奠定了重要的理論依據(jù)。
中國科學(xué)院腦智卓越中心和上海藥物研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生張明為論文第一作者，中國科學(xué)院腦智卓越中心竺淑佳研究員和中國科學(xué)院上海藥物研究所李揚(yáng)研究員為論文共同通訊作者。竺淑佳團(tuán)隊(duì)的馮娟副研究員協(xié)助數(shù)據(jù)分析，謝春和宋楠制備并鑒定了亞基特異性抗體；北京蛋白質(zhì)組中心的王建研究員和金超智完成了質(zhì)譜鑒定；大連化物所趙群和張麗華研究員開展了交聯(lián)質(zhì)譜分析；腦智卓越中心孫怡迪研究員和王波爽開展了轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00033-9
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