体温条件下的神经元受体揭示其门控机制

神经元之间的大部分信息传递都是由递质谷氨酸引导的。温度会影响谷氨酸和神经元受体蛋白的结合，从而启动信号转移过程，这揭示了大脑最重要的过程之一的作用机制。

存在的问题

神经元是大脑细胞的基础，它们之间的信息交流对大脑神经的各个方面都尤为重要。大多数神经元之间的信息交流发生在突触连接处，其中大多数是“谷氨酸能”突触。这意味着神经元在突触前会释放递质谷氨酸，谷氨酸通过突触间隙与突触后神经元表面的受体(通常是离子谷氨酸受体，iGluRs)组合。离子谷氨酸受体是一种蛋白质复合物。当它与谷氨酸结合时，它的离子通道会打开，这样带有正电的离子(阳离子)就会流入。这个过程叫做门控，将谷氨酸信号转移到突触后的神经元。离子谷氨酸受体有多种亚型，其中α-甲基-5-羟基-4-异恶唑丙酸受体(AMPA受体，AMPAR)特别用于与谷氨酸结合后，在突触后的神经元中快速启动信号转导。但谷氨酸对AMPA受体门控的结构机制一直不清楚，使得大脑的基本功能之一的基本原理尚未得到理解。

研究表明

谷氨酸激活AMPA受体是一个非常快的过程，所以之前的研究使用药物来缓解这个过程。这些药物通常是正变构调理剂(PAMs)，它会阻挡一个叫做脱敏的过程。在这个过程中，即使谷氨酸与AMPA受体结合，AMPA受体的离子通道也会被关闭。脱敏是保护神经元免受过多阳离子流入的基本过程。然而，我们建议使用正变构调理剂的结构研究可能会揭示受体被谷氨酸激活而不是受体的脱敏过程。这让我们思考如何捕捉被谷氨酸激活的受体状态。

30多年前，研究表明，随着温度的升高，谷氨酸等配体分子与离子谷氨酸受体的融合会增强。这让我们想到，我们可以在没有正变构调理剂的情况下，利用人体一般所见的环境温度(生理温度)捕获被谷氨酸激活的AMPA受体。我们使用由GluA2蛋白亚基组成的蛋白质，并与典型的突触调节蛋白质γ结合AMPA受体来检验这个想法。GluA222通过记录暴露在谷氨酸中。–γ2复合物的离子电流，我们发现上升温度确实会增强谷氨酸对AMPA受体的激活(图1a)。然后，在生理温度下，我们制备了GluA2，用于制备有谷氨酸的冷冻电镜。–γ2复合物，然后快速冷冻(图1b)。这种策略使我们能够重建谷氨酸激活状态的结构。令人惊讶的是，它不同于受体和正变构调理剂的结合状态。

图1：AMPA亚型神经元受体在人体常见温度下的激活。递质谷氨酸(Glu)激活AMPA受体(AMPARs，神经细胞上的一种蛋白质受体亚型)，导致带正电的离子流入，并将谷氨酸信号转化为电化学变化。a，将温度从室温(25°C)升至生理温度(37)°C)和炎症温度(42)°C)，通过细胞膜上电流的增加，可以增加谷氨酸对AMPA受体的激活。b，AMPA受体在生理温度和炎症温度下，在快速冷冻(玻璃化)前，保持不激活。(Apo)或者用谷氨酸激活( Glu)，为了捕捉受体的门控状态。图片来源：蒙达尔(A. K. Mondal)等待/自然(知识共享署名4.0国际许可协议)

研究意义

我们的研究结果决定了如何启动神经元兴奋的结构基础。值得注意的是，这些结果表明，与药物结合的AMPA受体的激活状态可能并不意味着被谷氨酸激活。了解谷氨酸激活状态的结构，为基于结构设计治疗神经系统疾病的药物提供了一个关键的平台。

我们确认温度会改变AMPA受体的功能，这强调了一些与炎症有关的关键因素，包括受伤后的局部炎症和发热时的全身炎症。我们的研究结果也与AMPA受体和其他离子通道的实验设计有关。未来的关键研究领域是大脑中的GluA1–如何在生理温度下调整由GluA4亚基组成的AMPA受体被谷氨酸激活的机制?

目前，所有已获得的离子谷氨酸受体激活状态的结构都表明受体处于正变构调理剂的状态。这些结构是否代表生理门控制机制尚不清楚。这对未来几年该领域的研究将尤为重要。

我们希望用我们的方法进一步表达离子谷氨酸受体的功能，了解如何改变疾病突变AMPA受体的功能。-爱德华·C·特沃米(Edward C. Twomey)库马尔·蒙达尔·阿尼什·(Anish Kumar Mondal)约翰斯·霍普金斯大学在美国马里兰州巴尔的摩市工作。(Johns Hopkins University)。

专家观点

AMPA受体是中枢神经系统中突触传递的主要方式，也是各种神经发育和精神疾病的主要诱发因素。一直很难获得其活性开放孔道结构，迄今为止报道的唯一开放的AMPA受体结构包含了能够增加受体活性的药物试剂。因此，蒙达尔及其同事对五种没有这种药物试剂的AMPA受体结构的高分辨率结构的描述是一项杰出的成就。-加布里埃拉·波佩斯库(Gabriela Popescu)布法罗大学在美国纽约州布法罗市工作。(University at Buffalo)。

文章创作背景

温度下的神经元受体揭示其门控机制

这一发现得益于世界各地几十年来充满求知欲和不同角度的研究人员的科学研究和开放的国际科学交流。研究温度如何影响AMPA受体功能的想法，源于2019年我在哈佛医学院。(Harvard Medical School)博士后期的个人经历。我的创伤性脑损伤和硬膜下血肿(头骨和大脑之间的出血)是由滑雪事故引起的。因为我在哥伦比亚大学。(Columbia University)索博列夫斯基，亚历山大·索博列夫斯基(Alexander Sobolevsky)在实验室攻读博士学位时，我的研究工作是关于AMPA受体的。我开始考虑如何在大脑温度下改变AMPA受体的功能。这项研究是由美国纳税人资助的共同好奇心驱动的——爱德华·C·特沃米(E.C.T.)