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谷氨酸在神经系统中作用关键，其受体（mGluRs）功能复杂。为探究 mGluRs 激活机制，研究人员结合多种技术研究。发现激活含多松散耦合步骤，揭示多种影响因素。这为理解谷氨酸信号转导、开发药物提供依据。
在神经系统的复杂 “通讯网络” 中，谷氨酸作为重要的神经递质，通过两类关键受体 —— 离子型谷氨酸受体（iGluRs）和代谢型谷氨酸受体（mGluRs）来传递信号。mGluRs 属于 G 蛋白偶联受体（GPCRs）中的 C 类，以二聚体形式存在，包括同源二聚体和异源二聚体，在神经系统的突触传递和可塑性方面发挥着核心作用。它们如同精密的 “信号开关”，对谷氨酸的响应多样，具有不同的配体亲和力、功效和动力学特征。然而，这些受体的激活机制却如同隐藏在迷雾中的秘密，充满了未知。
此前的研究虽然揭示了 mGluRs 在配体结合时的一些主要构象变化，比如胞外配体结合域（LBD）像 “捕蝇草” 一样关闭，以及两个 LBD 之间的相对扭转运动等，但对于这些离散的结构域重排（如 LBD 关闭、亚基间扭转和富含半胱氨酸结构域（CRD）连接子重排）是如何相互耦合的，以及激动剂结合对这些平衡的影响，仍缺乏清晰的认识。而且，mGluRs 的同源二聚体和异源二聚体对谷氨酸的反应差异显著，这种差异如何从 LBD 重排延伸到调节 G 蛋白偶联，也一直是未解之谜。这些知识空白限制了我们对谷氨酸信号转导的深入理解，也阻碍了相关药物的研发。
为了揭开这些谜团，来自美国加利福尼亚大学伯克利分校等机构的研究人员开展了一项深入的研究。他们综合运用单分子 F?rster 共振能量转移（smFRET）、分子动力学（MD）模拟和氢氘交换质谱（HDX-MS）等先进技术，对 mGluRs 的变构调节分子机制展开了全面探索。该研究成果发表在《Nature Chemical Biology》上，为我们理解 mGluRs 的功能提供了全新的视角。
研究人员运用的主要技术方法包括：smFRET 技术，通过在 mGluR2 特定位置引入非天然氨基酸并结合点击化学添加染料，实现对受体构象变化的单分子水平监测；MD 模拟，从活性状态结构出发，对 mGluR2 的 LBD 二聚体进行模拟，以揭示维持活性构象的分子相互作用；HDX-MS 技术，通过检测蛋白质中酰胺质子与溶剂氘的交换情况，分析蛋白质结构区域的灵活性和构象变化 。
下面来看看具体的研究结果：
- LBD 关闭与 LBD 重定向的不完全耦合：研究人员利用 smFRET 监测 mGluR2 中 LBD 的关闭和扭转。发现随着谷氨酸浓度变化，LBD 关闭和扭转呈现不同的占据状态和动力学特征。在 10 μM 谷氨酸时，LBD 关闭和打开速度快，而 LBD 扭转转换慢。此外，正变构调节剂（PAM）或 Gi 异源三聚体可稳定 LBD 的高 FRET 扭转构象，表明 TMD 与 LBD 之间存在垂直耦合。
- 二聚化界面相互作用决定 mGluR 功效：MD 模拟显示，在配体结合、LBD 关闭状态下，存在一个从活性、关闭构象到松弛、关闭构象（R-C/C）的转变，这一过程涉及特定的跨亚基静电相互作用网络。smFRET 突变分析证实，破坏这些界面接触会减少受体占据活性构象的比例，说明该相互作用网络对稳定 LBD 扭转取向、调节激动剂功效至关重要。
- CRDs 控制向 G 蛋白偶联构象的转变：研究人员通过监测 CRD 连接子间的亚基间距离发现，CRD 在谷氨酸存在时会占据一个中等 FRET 状态，但其转变滞后于 LBD 重定向。高亲和力激动剂可增加受体采用 CRD 近端构象的比例，而 PAM 和 Gi 异源三聚体可诱导 CRD 形成更高 FRET 状态，代表 G 蛋白信号传导状态，表明 CRD 构象转变依赖于 LBD 的稳定扭转状态。
- TMD 对 LBD 的变构效应：HDX-MS 实验表明，谷氨酸存在时，mGluR2 LBD 的多个区域氢交换减慢，TMD 可稳定 LBD 上叶二聚化界面的螺旋。PAM（如 BINA）可通过约束 CRD 连接子稳定 LBD 的螺旋 F，增加谷氨酸与关闭的配体结合口袋的亲和力，说明 TMD 对 LBD 具有变构调节作用。
- 亚型特异性异源二聚体的协同效应：研究发现，不同的 mGluR2 异源二聚体（如与 mGluR3、mGluR4 或 mGluR7 形成的异源二聚体）在谷氨酸存在时，mGluR2 的 LBD 关闭动力学和占据状态存在差异。例如，mGluR3 和 mGluR4 会减慢 mGluR2 的关闭速率，而 mGluR2/7 在特定激动剂作用下会出现独特的构象变化，表明 “水平” LBD 相互作用在配体结合状态下选择性发生，且因异源二聚体不同而变化。
- mGluR 结构的多维景观：结合近期的 mGluR 结构和 smFRET 测量结果，研究人员提出了 mGluR 激活的共识模型。结构数据显示，mGluR 在 LBD 和 CRD 的重排之间存在松散耦合，且不同的异源二聚体结构捕获了不对称中间体，与动力学观察结果一致，进一步支持了研究结论。
在讨论部分，研究人员指出，mGluRs 对谷氨酸的多样反应源于 LBD 关闭的动力学和协同性差异。LBD 关闭与 LBD 下叶扭转、CRD 连接子接近之间的耦合松散，使得激活过程存在 “扭转门” 和 “激活门”，限制了信号启动，也为正变构调节提供了空间。
此外，研究还发现 TMD 无论是单独存在还是与变构调节剂结合，都会对 LBD 的构象产生变构反馈。这一现象与 A 类 GPCR 类似，表明膜环境和蛋白质结合伙伴可能共同调节 mGluR 信号转导。
总的来说，这项研究深入解析了 C 类 GPCR 激活中的结构域偶联机制，为理解谷氨酸信号转导提供了关键线索，也为开发针对 mGluRs 的变构调节剂提供了理论基础，有助于推动神经系统相关疾病治疗药物的研发，具有重要的科学意义和潜在的临床应用价值。
