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王维维课题组在《神经元》首次报道异聚甘氨酸受体中α和β亚基的组成

已有 776 次阅读 2021-9-1 23:29 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

甘氨酸受体(Glycine Receptor)是一种主要的抑制性离子型受体,在中枢神经系统中广泛表达。甘氨酸受体功能缺陷与某些神经系统和精神疾病(如过度惊吓反应症,自闭症)密切相关。此外,甘氨酸受体还是潜在的炎症性疼痛的治疗靶点。甘氨酸受体有两种主要的类型——仅由α亚基组成的同聚体以及同时含有α和β亚基的异聚体。同聚甘氨酸受体主要存在于人的早期发育过程中,而异聚体才是存在于成人神经系统中的主要形式。


不仅如此,异聚甘氨酸受体与支架蛋白gephyrin相互作用进而密集聚集在突触后膜上,这与神经突触的可塑性密切相关。由于gephyrin仅与甘氨酸受体的β亚基特异性相互作用,使得异聚甘氨酸受体中β亚基的数量和空间排列成为研究突触可塑性亟待解决的问题。

北京时间2021年9月1日晚23时,美国德克萨斯州立大学西南医学中心的王维维课题组Neuron在线发表了题为“Characterization of the subunit composition and structure of adult human glycine receptors”的研究论文。


该研究通过生化实验和冷冻电镜结构确定了异聚甘氨酸受体是由4个α和1个β亚基组成,并探究了此亚基组成对异聚甘氨酸受体电生理特性的影响。此外,该研究进一步通过对β亚基嵌合体的生化及电生理功能进行表征,发现多于1个β亚基会导致异聚甘氨酸受体不能导通。此项工作确定了异聚甘氨酸受体中α和β亚基的组成,为进一步研究异聚甘氨酸受体在突触后膜中的分布和排列方式提供了重要的结构和功能基础。


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本研究首先应用生化和电生理等实验方法表征了异核表达和纯化的甘氨酸受体的功能,并发现其与体内甘氨酸受体功能一致。纯化后的甘氨酸受体被重组进入人工形成的磷脂双分子膜中,电生理研究发现其可以被甘氨酸(激动剂,agonism)激活以及被strychnine(拮抗剂,antagonism)抑制,并表现出异聚甘氨酸受体具有的特异单通道电导率。然后,本研究通过冷冻电镜解析了一系列不同状态下的高分辨率异聚甘氨酸受体的结构(下图)。

 

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首先,结构表明异聚甘氨酸受体由4个α亚基和1个β亚基组成。结合strychnine的受体处于关闭态(closed state),关闭态1的跨膜螺旋区是对称的,而关闭态2则是不对称的。结合甘氨酸的受体处于失活态(desensitized state)或者开放态(open state)。其次,结构显示位于亚基间的5个结合位点很类似,而且每一个结合位点都可以结合甘氨酸或strychnine。最后,结构显示M2螺旋上的不保守氨基酸残基导致了异聚甘氨酸受体的通道更窄,结合Picrotoxin(一种抑制剂)的能力更弱。

 

此外,本研究还通过β亚基嵌合体的表达和电生理实验确定了含有多于一个β亚基的异聚甘氨酸受体不能导通(下图A)。天然异聚甘氨酸受体仅能以4α:1β的方式组装,而β亚基嵌合体使得异聚甘氨酸受体可以以任意比例的α:β亚基进行组装。

 

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电生理实验表明随着β亚基嵌合体表达的增多,异聚甘氨酸受体介导的细胞电流会下降,而且β亚基嵌合体形成的同聚体完全不能导通。在不同的α:β亚基表达比例下,电生理实验显示它们有相同的picrotoxin抑制浓度。


以上说明只有4α:1β亚基组成的异聚甘氨酸受体可以在细胞膜上导通。4α:1β亚基的组成使异聚甘氨酸受体以下图B中表明的方式在神经突触后膜上聚集——Gephyrin在突触后膜上聚集,而异聚甘氨酸受体与它们结合而排列在突触后膜上。


这项工作解决了几十年来对异聚甘氨酸受体亚基组成的争论,并且首次表征了其特异性功能的结构基础,为进一步理解神经传导中更高阶的受体组织形式(higher-order assemblies)奠定了基础。

 

美国德克萨斯州立大学西南医学中心的博士后于海龙是本文的第一作者,王维维助理教授为通讯作者。同时该研究机构的白晓晨对本研究的冷冻电镜结构解析提供了巨大帮助。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.08.019




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