學(xué)習和記憶是人類(lèi)認知和感知世界的高級腦功能，突觸可塑性的改變被認為是學(xué)習和記憶的物質(zhì)基礎。N-甲基-?-天冬氨酸（N-methyl-?-aspartate，簡(jiǎn)稱(chēng)為NMDA）受體是一類(lèi)存在于突觸上的離子型谷氨酸門(mén)控通道家族，廣泛參與神經(jīng)發(fā)育、突觸可塑性、學(xué)習記憶、認知及情緒等高級腦功能調控，被視為學(xué)習和記憶的關(guān)鍵“分子開(kāi)關(guān)”。
NMDA 受體在負責學(xué)習和記憶相關(guān)高級認知功能的腦區（如大腦皮層和海馬）發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，受體通道對鈣離子具備高通透性，根據突觸活動(dòng)的強弱調控突觸連接的強度，并參與下游信號介導基因的表達和新突觸的形成。近年來(lái)的臨床醫學(xué)研究揭示 NMDA 受體功能障礙直接與一系列神經(jīng)及精神疾病密切相關(guān)，包括 NMDA 受體突變相關(guān)的罕見(jiàn)病、癲癇、精神分裂癥和自身免疫性腦炎等。因此，NMDA 受體一直是腦疾病領(lǐng)域藥物設計最熱門(mén)的靶點(diǎn)，已有靶向 NMDA 受體的分子（如氯胺酮、美金剛、右美沙芬）用于臨床治療抑郁癥和阿爾茨海默癥。
在哺乳動(dòng)物中，NMDA 受體由 7 個(gè)不同基因編碼形成 7 個(gè)不同亞基。有功能的 NMDA 受體通常由兩個(gè)必需的 GluN1 亞基和兩個(gè)可變的 GluN2/3（N2A-N2D，N3A-N3B）亞基組裝形成二異或三異四聚體（圖1）。過(guò)去十年內，利用體外重組表達系統，NMDA 受體亞型的結構與功能已被大量解析，其中竺淑佳團隊在該領(lǐng)域也取得了系列進(jìn)展（Cell 2016；Cell Rep 2018；Nature 2021；Neuron 2021；Nat Struct & Mol Biol 2023、2024）。
然而，大腦中內源 NMDA 受體的亞基表達和受體組裝受到嚴格的大腦發(fā)育時(shí)空變化調控。腦內調控學(xué)習與記憶的是哪些內源 NMDA 受體，它們在大腦中的占比是怎樣的，它們的組裝形式和已知的異源重組受體是否存在差異，系列問(wèn)題極大限制了對突觸分子功能的理解。
圖1. NMDA受體亞基時(shí)空表達和四聚體組裝的多樣性。功能性NMDA受體由兩個(gè)必需的GluN1亞基和兩個(gè)可變的GluN2或GluN3亞基組裝形成四聚體。在不同的發(fā)育階段，腦內關(guān)鍵NMDA受體不同亞型的分布及功能存在多樣性。
2025年1月23日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）竺淑佳團隊和中國科學(xué)院上海藥物研究所李揚團隊合作，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Assembly and architecture of endogenous NMDA receptors in adult cerebral cortex and hippocampus（成年哺乳動(dòng)物大腦皮層和海馬內源 NMDA 受體的組裝和結構）的研究論文。
研究團隊通過(guò)提取大鼠大腦皮層和海馬中的內源 NMDA 受體并解析出 3 種主要亞型及比例，揭示內源 NMDA 受體的原子分辨率三維結構，突破了 NMDA 受體的分子結構與功能研究局限于異源重組表達系統的瓶頸。該成果為開(kāi)發(fā)靶向 NMDA 受體治療神經(jīng)或精神類(lèi)疾病的新型藥物提供了重要的理論基礎。
為了從腦組織中分離出內源 NMDA 受體，竺淑佳團隊通過(guò)多年的技術(shù)積累，定制了靶向各個(gè) NMDA 受體亞基的構象特異性單克隆抗體。團隊通過(guò)異源重組表達的不同 NMDA 亞型蛋白逐一免疫小鼠，通過(guò)雜交瘤技術(shù)及活細胞染色篩選出了靶向 NMDA 受體各亞基的選擇性單抗（圖2）。借助這些實(shí)驗室自制的超高親和力抗體工具（親和力在納摩爾數量級），研究團隊成功從成年大鼠的大腦皮層和海馬中富集和分離出了豐度極低的內源 NMDA 受體。
圖2. 靶向NMDA受體亞基的高親和力單抗的開(kāi)發(fā)和內源NMDA受體的富集純化策略。雜交瘤技術(shù)及活細胞熒光成像方法制備及鑒定結合不同NMDA受體亞型的單克隆抗體。利用納摩爾級別的GluN1單抗純化出皮層海馬中內源NMDA受體，并加入構象特異性和亞基選擇性的GluN2抗體進(jìn)行標記及分析。
通過(guò)冷凍電鏡（cryo-EM）技術(shù)，研究團隊從皮層和海馬中的內源 NMDA 受體解析出了 3 種主要的受體亞型：GluN1-N2A-N2B 三異四聚體，GluN1-N2B 和 GluN1-N2A 二異四聚體，分別占據 45%、35% 和 20% 的比例（圖3）。該研究表明 GluN1-N2A-N2B 三異四聚體是內源豐度最高的亞型，強調了 GluN2A 和 GluN2B 亞基在生理狀態(tài)同一受體中的功能整合。更新了領(lǐng)域內三十年來(lái)認為發(fā)育關(guān)鍵期（developmental switch）是從 GluN1-2B 轉變?yōu)?GluN1-2A 的觀(guān)點(diǎn)，應修正為從出生時(shí) GluN1-2B 轉變?yōu)槌赡甑?GluN1-2A-2B、GluN1-2B 和 GluN1-2A 三種亞型共存的結論。
圖3. 皮層和海馬內源NMDA受體的主要亞型和不同亞基在單細胞轉錄組水平上的分布。
研究團隊進(jìn)一步通過(guò)結構對比，發(fā)現了 GluN2B 亞基在 GluN1-N2A-N2B 三異四聚體和 GluN1-N2B 二異四聚體中的構象區別，揭示了同一亞基在不同受體中存在構象差異，將決定不同亞型的生物物理學(xué)、藥理學(xué)和通道開(kāi)放屬性（圖4）。不同內源 NMDA 受體間的構象差異，為理解內源 NMDA 受體的功能多樣性，以及不同受體的藥理差異提供了分子基礎。該發(fā)現為設計具有亞基特異性且具有亞型偏好性的化合物提供了可能，有助于提高 NMDA 受體藥物的靶向性。
圖4. 內源NMDA受體亞型間的構象及藥理學(xué)特性差異
該研究范式突破了幾十年來(lái) NMDA 受體的分子結構局限于體外異源重組表達系統的瓶頸，首次在原子分辨率上“看到”調控哺乳動(dòng)物學(xué)習和記憶的“分子開(kāi)關(guān)”的精細結構，揭示了內源 NMDA 受體的組裝和組成，不僅加深了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域對 NMDA 受體介導的突觸可塑性、學(xué)習和記憶等生理功能的理解，更為后續研究基于 NMDA 受體功能障礙相關(guān)腦疾病的機制和治療，揭示靶向 NMDA 受體臨床藥物的在體作用機制奠定了重要的理論依據。
中國科學(xué)院腦智卓越中心和上海藥物研究所聯(lián)合培養博士研究生張明為論文第一作者，中國科學(xué)院腦智卓越中心竺淑佳研究員和中國科學(xué)院上海藥物研究所李揚研究員為論文共同通訊作者。竺淑佳團隊的馮娟副研究員協(xié)助數據分析，謝春和宋楠制備并鑒定了亞基特異性抗體；北京蛋白質(zhì)組中心的王建研究員和金超智完成了質(zhì)譜鑒定；大連化物所趙群和張麗華研究員開(kāi)展了交聯(lián)質(zhì)譜分析；腦智卓越中心孫怡迪研究員和王波爽開(kāi)展了轉錄組數據分析。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00033-9
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