六年磨一剑，2个人一篇Nature，朱洪涛博士一作

终于把调节运动行为的受体搞清楚了！

甘氨酸受体(GlyRs)属于五聚体“Cys-loop”受体一族，是脊髓和脑干中分布广泛的一种调节运动行为的受体，可形成氯离子可渗透通道并能介导整个中枢神经系统的快速抑制信号。GlyRs的功能障碍将引起严重的神经系统疾病。因此，科学界对GlyRs进行了广泛的研究，但天然GlyR的化学计量及其组装机制仍不清楚。

为解决这一问题，中国留学生朱洪涛博士后（中国海洋大学本科，中国科学院生物物理研究所博士，师从朱平研究员）在美国生物学家Eric Gouaux课题组连续六年潜心研究GlyRs的结构和组装机制。六年磨一剑，年初朱洪涛与课题组同事以共同一作身份就GlyRs的研究在生物领域顶刊《Cell》发表题为“Mechanism of gating and partial agonist action in the glycine receptor”的文章，阐明了GlyRs的门控与部分激动剂作用机制。

随后朱洪涛与导师Eric Gouaux在最新一期的《Nature》正刊上发表了仅有两位作者的文章“Architecture and assembly mechanism of native glycine receptors”，报告了来自猪脊髓和脑干的天然GlyRs的近原子分辨率结构，首次揭示了异聚受体的结构和4α亚基：1β亚基的主要化学计量。在异聚五聚体中，β(+)/α(-)界面采用不同于α(+)/α(-)和α(+)/β(-)界面的结构。此外，β亚基含有一个独特的苯丙氨酸残基，该残基位于孔内并破坏典型的苦味毒素位点。这些结果解释了为什么包含β亚基会破坏受体对称性并改变离子通道药理学。该研究还发现了不完整的受体复合物，并通过阐明它们的结构，首次揭示了部分组装的α三聚体和α四聚体的结构。

【天然GlyRs的结构】

该研究利用strychnine affinity树脂从猪脑和脊髓中提取纯化天然的GlyRs样品。并通过质谱分析、蛋白质印迹分析、放射性配体结合测定以及竞争性结合实验数据说明该工作中的纯化方法产生的受体具有接近正常的配体结合特性。

天然异聚和同聚GlyRs的结构。

【亚基界面调节GlyRs特性】

异聚受体中的亚基界面采用相似的整体结构，但由于亚基特异性残基差异而存在小的变化。该研究观察到位于β(+)/α.A(-)界面的Loop C上αR119与βT228以及βY231形成氢键。然而，在α(+)/α(-)界面处，只在αR119和αT204之间存在一个明显的氢键；在α.D(+)/β(-)界面处没有观察到相互作用，这可能会削弱其强度。有趣的是，与R119相关的相互作用的中断是甘氨酸受体激活的必要步骤。在胞外域（ECD）和跨膜结构域（TMD）之间的区域中，在同聚和异聚GlyRs的α(+)/α(-)界面处观察到αR271和αQ226之间的氢键。将αR271替换Leu 或Gln与神经系统疾病过度惊吓反应症有关。该研究没有检测到与β亚基的相应相互作用。β(+)/α.A(-)界面与其他界面相比采用了不同的构象。在该界面的结合位点观察到额外的氢键，形成于βY231的羟基部分和甘氨酸的羧基之间。与其他亚基相比，β(+)/α.A(-)界面处的Loop C采用更开放的构象。结合袋在β(+)/α.A(-)界面处也更紧密地堆积。解释了为什么β(+)/α.A(-)界面具有更高的配体敏感性。

亚基间相互作用。

【中间体的组装】

该工作在二维分析中发现了三亚基和四亚基α同聚复合物，作者推测它们都是组装中间体。由于2D分类不足以挑选出并保留这些组装中间粒子，该研究直接使用原始粒子进行3D分类。为了消除模型偏差，使用异聚五聚体3D模型对同聚四聚体进行分类，使用同聚四聚体3D模型对同聚三聚体进行分类。经过广泛的3D分类，成功地解析了α三聚体和α四聚体组装中间体。

对于重组异聚GlyRs，观察到与天然GlyRs相同的4α:1β亚基化学计量和相同的亚基排列。基于该研究的稳定性数据、重组材料的2D和3D分析以及天然材料的3D重建，作者认为同聚α三聚体和四聚体代表组装过程中受体的未成熟状态，而不是蛋白质降解或变质的人工产物。β亚基的缺失增加了结构灵活性并改变了α四聚体中的亚基界面。在掺入第五个亚基α或β后，四聚 ECD经历大约2.8°的旋转，亚基质量中心之间的距离减小。从四聚体复合物到异聚GlyRs的构象变化大于到同聚受体的构象变化，说明异聚GlyRs采用更紧凑的构象。此外，Loop C顺时针旋转7.2°和3.4°分别形成异聚体和同聚体受体。通过确定代表每个3D类别的粒子分数的相对比例，作者深入了解了天然GlyRs的组装。

GlyRs组装的中间体和模型。

【结论】

该研究确定了天然GlyRs的结构，包括两个α三聚体和α四聚体组装中间体，以及两个完全组装的同聚和异聚五聚体。异聚GlyRs的主要 4α:1β 化学计量表明，孔6'位置的单个Phe足以使GlyRs对苦味毒素的敏感性失效。此外，该工作的分析提供了对受体功能的β(+)/α.A(-)界面结构的深入了解。通过探索GlyRs组装中间体的结构，发现同聚α四聚体采用松散堆积的构象，并且第五个亚基的掺入触发了该结构的旋转和更紧凑的受体的形成。此外，数据也显示GlyRs的寡聚化是顺序发生的，因此在初始二聚化后的每一步都添加一个亚基。因为所有组装中间体都是α同聚体，该研究推测可能存在游离α亚基不足，但β亚基充足的情况。因此，在组装的最后阶段，同聚四聚体吸收β亚基形成异聚五聚体的机会比插入第五个α亚基形成同聚五聚体的机会更高。

来源：高分子科学前沿

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