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叶升实验室解析人源α5β3 GABAA受体结构--浙江大学第一个以单颗粒冷冻电镜技术得到的蛋白质原子分辨率结构 [来源]:ZJU News          [作者]:           [日期]:2018-09-11          [访问次数]:3343    

     2018年8月23日,叶升实验室与浙江大学冷冻电镜中心联合解析了浙江大学第一个以单颗粒冷冻电镜技术得到的蛋白质原子分辨率结构,并在Cell Research杂志在线发表题为“Cryo-EM structure of the human α5β3 GABAAreceptor”的研究论文。该文解析了人源α5β3 GABAA受体在3.51 Å分辨率、开放状态下的冷冻电镜三维结构,揭示了异源五聚α5β3 GABAA受体特殊的亚基组装形式,以及γ-氨基丁酸(GABA)激活GABAA氯离子通道开放的机制。这个结构的解析是后续对GABAA受体开展大量生物物理学和药理学研究的基础,能够为药物开发和临床治疗提供重要的信息。

     GABA是中枢神经系统中介导抑制性突触传递的一种主要的神经递质。GABA激活GABAA受体打开氯离子选择性孔道,引起神经元超极化从而抑制神经信号传递,因此对于控制神经系统的兴奋性至关重要。GABAA受体功能失调会导致许多神经系统疾病的发生,如癫痫和精神障碍。GABAA受体的重要性更体现在它是许多临床一线药物的作用靶点。此外,上百个不同结构的重要先导化合物通过激活、抑制或调控GABAA受体发挥作用,显示了巨大的应用潜力。比如,广谱性抗抑郁药苯二氮卓类药物,是通过加强GABA对GABAA受体的作用,从而中度抑制神经元敏感性,来消除患者的焦虑。而许多麻醉剂,如异丙酚(Propofol)、安氟醚(Enflurane)、依托咪酯(Etomidate)等,能够直接诱导GABAA受体的开放从而引起更强的抑制作用,导致全身麻醉。最神奇的是致幻药物,如一种遍布全球,表面鲜红并有白、黄色颗粒状鳞片的叫毒蝇伞(Amanita Muscaria)的蘑菇,一般成人食用一朵之后便会引起幻觉和感到灵魂出窍。毒蝇伞的幻觉毒性效果主要来自于蝇蕈醇(Muscimol),蝇蕈醇是GABAA受体的激动剂,通过结合在GABAA受体的GABA结合位点而起作用。为什么一个结合在GABA位点的药物能够致幻,至今仍然是一个谜。更有意思的是,1977年,丹麦Lundbeck公司化学家根据蝇蕈醇的化学结构合成了一系列类似物,其中一个化合物,加波沙朵(Gaboxadol),同样结合在GABAA受体的GABA结合位点,然而临床发现具有催眠作用,同时不产生依赖性,不会被滥用。2016年,Lundbeck公司更是启动了加波沙朵作为Angelman综合征(Angelman syndrome)和脆性X染色体综合征(Fragile X syndrome),两种罕见神经系统疾病的二期临床实验。GABAA受体结构的解析,为未来进一步开展药物和GABAA受体之间的相互作用研究,开发更有效、更安全的药物,打下了坚实的基础。

     图1:作用在GABAA受体上的一些重要化合物

  

     GABAA受体属于Cys-loop配体门控离子通道超家族的异源五聚体,共有19个亚基(a1-6, b1-3, g1-3, d, e, q, p, r1-3)。不同亚基的组成和排列使得神经元上存在大量具有不同的生物物理学和药理学性质GABAA受体。尽管在过去二十年对GABAA受体亚基的排列组合进行了大量的研究,但是受体亚基的排列原理依然未知。2014年,同源五聚的GABAA受体结构第一次得到解析,揭示了GABAA受体处于脱敏状态下的构象(Miller & Aricescu, Nature, 2014)。然而,由于GABA是结合在b亚基和a亚基的相互作用面从而引起GABAA受体开放,因此,GABA如何选择性地结合、以及这个结合如何激活配体门控氯离子通道的机制至今仍然不清楚,需要异源五聚的GABAA受体结构才能够回答这些问题。

     在人脑神经元中存在着多种不同组合的GABAA受体。其中,只包括a和b亚基的异源五聚GABAA受体在突触外大量存在,主要介导神经元的紧张性抑制(tonic inhibition),对于学习和记忆具有特殊重要的作用。此外,这些只包括a和b亚基的GABAA受体同时又是一类最简单的能够被GABA门控的GABAA受体,是研究GABA激活机制的理想模型。本研究以异源α5β3GABAA受体为研究对象,采用单颗粒冷冻电镜技术,在原子分辨率水平上揭示α5β3 GABAA受体的三维结构。我们发现,α5β3 GABAA受体的亚基组合形式是一个a5和四个b3亚基的组合。此外,我们还看到了GABA是如何结合在b亚基和a亚基的相互作用面上。相应的,我们发现结合了GABA的α5β3 GABAA受体通道处于开放状态。通过比较本结构与之前解析的同源五聚的GABAA受体结构,我们初步揭示了GABAA受体的配体门控机制。

     本文由浙江大学叶升实验室与浙江大学冷冻电镜中心、加州大学洛杉矶分校周正洪实验室以及中国科学技术大学毕国强实验室共同完成,叶升实验室博士生刘斯,徐令怡,关凤慧为共同第一作者。叶升教授、张小康副教授和周正洪教授为共同通讯作者。此项研究受到科技部重大科学研究计划、基金委杰出青年基金、重点基金和面上项目的资助。

      图2:α5β3 GABAA受体的主视和俯视图、复合物组装模式、GABA与受体相互作用图、以及与脱敏状态(左)相对应的开放状态(右)通道剖面图。 

  

      原文链接:https://www.nature.com/articles/s41422-018-0077-8

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