《Nature》谷氨酸在生理温度下对 AMPA 亚型离子型谷氨酸受体（iGluRs）的门控机制研究及其意义

《Nature》：Glutamate gating of AMPA-subtype iGluRs at physiological temperatures

在探究离子型谷氨酸受体（iGluRs）结构力学机制的问题上，研究人员开展了关于谷氨酸对 α- 氨基 - 3 - 羟基 - 5 - 甲基 - 4 - 异恶唑丙酸亚型 iGluR（AMPAR）门控机制的研究。结果发现生理温度可增强 AMPAR 激活，明确了其门控机制，为治疗设计提供了基础。

　　

在神经科学的微观世界里，离子型谷氨酸受体（iGluRs）如同神经信号传递链条上的关键齿轮，它是一种四聚体配体门控离子通道，在介导大多数兴奋性神经传递过程中发挥着核心作用。当谷氨酸这位 “信使” 与 iGluRs 结合时，iGluRs 的离子通道便会开启，阳离子得以涌入突触后神经元，进而启动信号转导。然而，全长 iGluRs 中谷氨酸的门控过程究竟遵循怎样的结构力学原理，这一问题却如迷雾般笼罩着科研人员。由于缺乏对这一机制的清晰认知，不仅基础神经科学研究受到阻碍，开发与之相关的治疗方案也面临重重困难。为了驱散这片迷雾，来自约翰霍普金斯大学医学院、德克萨斯大学健康科学中心休斯顿分校等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于 α- 氨基 - 3 - 羟基 - 5 - 甲基 - 4 - 异恶唑丙酸亚型 iGluR（AMPAR），试图揭开谷氨酸对其门控机制的神秘面纱。最终，他们的研究成果发表在《Nature》杂志上，为该领域带来了新的曙光。

在这项研究中，研究人员主要运用了电生理学和冷冻电镜（cryo-EM）技术。电生理学实验选用人类胚胎肾 293T 细胞，通过记录不同温度下的单通道电流，探究温度对 AMPAR 功能的影响。冷冻电镜技术则用于捕捉不同温度下 AMPAR 的结构状态，解析其在谷氨酸作用下的门控机制。

研究人员首先对 AMPAR 在生理温度下的功能进行了研究。他们采用 GluA₂–γ₂构建体（该构建体模拟突触 AMPAR 功能）进行温度阶跃实验（25℃到 30℃到 37℃再到 42℃），并记录单通道电流。结果发现，随着温度升高，谷氨酸激活的单位通道电流变得更加频繁且幅值增大。在不同温度下，AMPAR 的亚电导水平也有所变化，从室温（25℃）的两个主要电导水平，到生理温度（37℃）时出现四个电导水平，且在高温（42℃）下更高电导水平的占有率增加。同时，随着温度升高，平均关闭和开放 dwell 时间均减少，但关闭时间减少更为明显，这使得通道开放概率增加。由此可见，AMPAR 门控在生理温度下得到增强。

接着，研究人员利用冷冻电镜技术对谷氨酸门控进行研究。他们在冷冻电镜样品制备过程中，将温度提高到生理温度（37℃）和高温（42℃），并添加谷氨酸。结果成功捕捉到了谷氨酸激活状态的 AMPAR 结构，且发现生理温度能够改变 AMPAR 的激活概率。在 37℃和 42℃数据集里，分别有 19% 和 31% 的粒子属于激活状态，与之前电生理学实验得到的开放概率数据相呼应。

随后，研究人员深入探究谷氨酸激活机制。他们通过结合激活状态数据重建出一致性激活图谱，发现激活状态下，所有四个 LBD 均与谷氨酸结合，且四个 TARPγ₂分子与之结合。受体整体呈二重对称，LBD 形成两个局部二聚体，其间的盐桥相互作用形成激活桥，激活桥对于维持通道开放至关重要。激活桥的存在使得 LBD–TMD 连接子受到张力，从而打开离子通道。离子通道的开放还涉及 M3-S2 连接子和 SYTANLAAF 基序，该基序中的 S615 和 A622 位点分别形成 S 铰链和 Lurcher 铰链，四个 M3 螺旋通过这两个铰链发生转动，使得离子通道处于开放状态。

为了明确谷氨酸门控与正变构调节剂（PAMs）存在时的门控是否存在差异，研究人员进行了对比研究。他们将谷氨酸激活状态与存在环噻嗪（CTZ）和谷氨酸时的 PAM 激活状态（GluA₂–γ₂）进行比较，发现两者虽都呈二重对称且四个 LBD 均与谷氨酸结合，但离子通道存在差异。PAM 激活状态下，离子通道在 Q/R 位点更为狭窄，M3 螺旋的铰链位置与谷氨酸激活状态不同，且 A 铰链的存在是使用 CTZ 的 PAM 激活研究中的共同特征。

最后，研究人员对谷氨酸门控机制进行了深入剖析。他们通过分析不同状态下 AMPAR 的结构变化，发现门控状态之间离子通道孔的主要差异存在于 Q/R 位点和离子通道门。在激活过程中，LBD 的构象变化导致局部二聚体对之间的协同运动，进而使离子通道打开；而在脱敏过程中，LBD 虽仍与谷氨酸结合，但 D2-D2 接触使得 M3-S2 连接子的张力松弛，离子通道关闭，Q/R 位点也变窄。

综合上述研究结果，研究人员明确了谷氨酸对 AMPAR 的门控机制。生理温度可增强 AMPAR 的激活，这一发现强调了调节大脑温度在维持正常神经功能中的重要性，同时也为研究 iGluR 功能时考虑温度因素提供了依据。此外，研究揭示的谷氨酸激活机制为开发基于 iGluRs 的治疗方案奠定了基础，有助于推动神经科学领域的发展，为治疗相关神经系统疾病带来新的希望。然而，研究也指出，天然 AMPAR 与实验所用的 GluA₂–γ₂构建体存在差异，其温度敏感性和激活概率的调节机制仍有待进一步探索。未来，科研人员将朝着这些未知领域继续前行，不断拓展对 iGluRs 的认知边界。