解析人 α7 烟碱型乙酰胆碱受体变构激动作用的结构基础：解锁潜在药物靶点的新机制

在 α7 烟碱型乙酰胆碱受体（α7 nAChR）靶向药物研发面临困境时，研究人员开展了 α7 nAChR 受 ago - PAM（如 GAT107）调节机制的研究。通过冷冻电镜等技术，得到其与 GAT107 和 Ca2+复合物的结构，为药物设计提供依据，丰富了对相关离子通道的理解。

　　在神经科学和免疫学的交叉领域，α7 烟碱型乙酰胆碱受体（α7 nAChR）宛如一把神秘的钥匙，掌控着众多生理和病理过程的大门。它作为一种五聚体配体门控离子通道（pLGIC），在神经系统中广泛分布，不仅对神经元的正常功能维持至关重要，还参与了神经保护、认知功能以及奖赏通路的调控。一旦其功能失调，就如同钥匙出现故障，各种神经系统和精神疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、精神分裂症等，便会接踵而至。此外，α7 nAChR 在免疫系统中也发挥着关键作用，是胆碱能抗炎通路的重要组成部分，激活它能有效抑制巨噬细胞和小胶质细胞中促炎细胞因子的产生，为治疗炎症性疾病带来希望。

然而，在将 α7 nAChR 作为潜在药物靶点的探索之路上，布满了荆棘。传统的研发策略聚焦于寻找选择性 α7 nAChR 激动剂，但这些激动剂往往会使受体陷入非传导的脱敏状态，降低药物疗效。像化合物 encenicline（EVP - 6124），虽对 α7 nAChRs 具有高亲和力，却在 III 期临床试验中因严重的胃肠道副作用而折戟。此外，长期暴露于激动剂还会导致受体调节的代偿性变化。因此，正性变构调节剂（PAMs）逐渐进入研究人员的视野，其中 ago - PAMs（如 GAT107）因其独特的双重作用 —— 既能直接激活 α7 受体，又能变构调节受体，备受关注。尽管近年来 α7 nAChR 与激动剂或激动剂 / PAM 结合的结构和门控机制已有报道，但 ago - PAM 的结合位点及调节机制仍迷雾重重。

为了揭开这些谜团，中国科学技术大学等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们通过一系列实验研究，成功解析了人 α7 nAChR 与 ago - PAM（GAT107）和 Ca²⁺复合物在开放态和脱敏态的冷冻电镜结构。这一成果发表在《Cell Discovery》上，为理解 α7 nAChR 的调节机制提供了关键线索，也为开发更有效的治疗药物开辟了新方向。

研究人员主要运用了冷冻电镜（cryo - EM）、电生理学实验以及分子动力学（MD）模拟等关键技术。冷冻电镜用于解析受体复合物的结构；电生理学实验在不同细胞系中记录电流，研究受体功能；MD 模拟则从分子层面揭示分子间相互作用和动态变化。

1. α7 nAChR 与 GAT107 和 Ca²⁺复合物的结构
通过冷冻电镜技术，研究人员获得了 α7 nAChR 与 GAT107 和 Ca²⁺复合物的高分辨率结构。GAT107 作为 4BP - TQS 的活性异构体，对 α7 nAChR 具有高亲和力和选择性。在表达人 α7 nAChR 或 α7_EM nAChR 的 HEK293T 细胞中，记录到 GAT107 能引发显著的受体激活，且电流变化表明受体在长时间暴露于 GAT107 后会缓慢脱敏。在 LPS 刺激的小胶质 BV2 细胞实验中，GAT107 还能剂量依赖性地减少促炎分子 IL - 1β 的产生，显示出其在减轻神经炎症反应方面的潜力。

2. 细胞外结构域（ECD）和 ECD - 跨膜结构域（TMD）耦合区域的结构
ECD 在 GAT107 结合的开放态和脱敏态下，与 apo - α7 nAChR 的构象相似，但 loop C 有轻微闭合。在神经递质结合位点观察到一个未确定的微球密度，而在 ECD - TMD 耦合区域，明确存在 Ca²⁺的密度。通过对 α7 nAChR 及其突变体（D64N、E67Q 和 E195Q）的电生理学实验，验证了 Ca²⁺对 GAT107 诱导激活的影响，这些突变会改变受体对 GAT107 的电流响应和脱敏速率，进一步证实了该密度为钙离子。同时，在该区域还发现了一些关键的亚基间和亚基内相互作用的变化，这些变化影响着受体的功能状态。

3. GAT107 与 TMD 的结合
在脱敏态结构中，五个 GAT107 分子位于五聚体 TMD 内的疏水口袋中，其结合模式独特，与之前报道的 II 型 PAM（PNU - 120596）部分重叠但取向不同。通过对突变体（如 L243A 和 M276A）的钙通量测量，发现这些突变会显著降低受体对 GAT107 的响应效率，表明这些位点在 GAT107 结合和受体激活中起着重要作用。此外，分子动力学模拟显示 GAT107 在开放态结合不稳定，这解释了在开放态结构中难以观察到其密度的现象。

4. TMD 的结构及重排
与已报道的 α7 受体开放态结构（α7/epi/PNU 复合物）相比，GAT107 结合的开放态结构在整体通道孔相似的情况下，存在一些细节差异，如 M2、M3 和 M1 的部分螺旋发生了逆时针移位。在 GAT107 结合的脱敏态结构中，TMD 与 EVP 结合的脱敏态结构相似，但与 EVP/PNU 结合的结构相比，M276 的旋转导致通道孔在 9’L 位置的扩张情况不同，暗示 GAT107 与 PNU 的调节机制存在差异。进一步比较 GAT107 结合的开放态、脱敏态与 apo - α7 结构，发现 TMD 在结合 GAT107 和 Ca²⁺后发生了显著的重排，包括螺旋的旋转、平移和倾斜，这些变化导致了通道孔的扩张和收缩，从而影响受体的功能状态。

研究人员基于冷冻电镜结构和电生理学实验结果，提出了 α7 nAChR 受 GAT107 和 Ca²⁺调节的模型。在 GAT107 和 Ca²⁺存在时，Ca²⁺与 ECD - TMD 耦合区域的酸性残基（D64、E67 和 E195）相互作用，可能促进了维持静息状态的亚基间相互作用（K68 和 E195 之间）的减弱或破坏，从而推动受体的构象转变。GAT107 与受体跨膜螺旋以高度可变的方式相互作用，导致通道孔扩张，产生开放态。从开放态到脱敏态的转变伴随着 TMD 的重排，使通道孔收缩，尤其是下半部分，而 GAT107 分子位于亚基间的 TMD 中，维持上半部分通道孔相对扩张的构象。

这项研究不仅揭示了 α7 nAChR 受 GAT107 和 Ca²⁺调节的独特变构机制，为理解配体门控离子通道的功能调节提供了新视角，还为开发针对神经系统和炎症性疾病的新型药物提供了重要的结构基础。它有助于研究人员设计出更具针对性和有效性的药物，克服传统激动剂和 PAMs 在临床试验中遇到的问题，为相关疾病的治疗带来新的希望。同时，研究还发现 GAT107 对 LPS 刺激的小胶质细胞中 IL - 1β 释放的抑制作用，进一步支持了 α7 nAChR 在神经炎症性疾病治疗中的潜在应用。这一成果在生命科学和健康医学领域具有重要的理论和实践意义，为后续的研究和药物开发奠定了坚实的基础。