Nature | 内源GABAA受体结构揭示独特组装模式
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γ-氨基丁酸A类受体（GABAA Rs）是大脑中抑制性神经递质GABA的受体，是各种临床药物的靶点，包括麻醉剂、镇静剂、催眠剂和抗抑郁药物等【1】。然而，GABAA受体是一种可以由19种不同亚基（α1–6, β1–3, γ1–3, ρ1–3, δ, ε, π 和 θ）组装成的五聚体，其组装形式的不同会使其具有不同的功能及不同的配体结合模式。目前对于GABAA受体的结构研究都是通过体外过表达，难以理解其在体内的组装形式和药物作用机理。
2023年9月20日，来自美国俄勒冈卫生与科学大学的Eric Gouaux组在Nature上发表了题为Cryo-EM structures reveal native GABAA receptor assemblies and pharmacology的文章，通过纯化并使用冷冻电镜解析了来自小鼠内源的GABAA受体，揭示了其在大脑中的三种主要组装形式，另外也发现了三种不同的配体小分子（APG、ZOL和DID）与GABAA受体的作用模式。
α1亚基在整个大脑中广泛表达，组成了60%～80% 的GABAA受体【2】。所以为了分离和纯化内源的GABAA受体，作者使用了可以特异性结合α1亚基的抗体片段Fab，从小鼠的大脑中纯化了含由α1亚基的内源GABAA受体（nα1-GABAA Rs）。通过冷冻电镜解析结构分析发现主要存在三类组装形式，分别为两个α1亚基（图1a），α1亚基相邻γ2亚基（图1b）和α1亚基远离γ2亚基（图1c）。这三类组装方式都遵循α*-β-α-β*-γ（*亚基表示与γ相邻的亚基）的组装方式，因此代表了内源GABAA受体的组装方式，而数量占比最多的组装方式为α1*-β2-α1-β2*-γ2，说明这是大脑中占比最多的GABAA受体组装方式。
图1 内源GABAA受体的冷冻电镜结构
APG是一种内源的神经类固醇（图2a），可以激活GABAA受体，具有临床上抗焦虑、镇静、催眠和麻醉性质。作者通过研究内源GABAA受体与APG的结构，发现2个APG可以结合在跨膜区，位于GABA结合位点下方约60Å的位置（图2b）。APG可以与周围的氨基酸残基产生相互作用（图2c）。另外结合APG的GABAA受体相比不结合的情况下，中央通道孔径发生了增大（图2d），可以一定程度解释APG激活GABAA受体的分子机制。
图2 内源GABAA受体与APG结合的结构
GABAA受体是一类安眠药的靶点，包括flurazepam（氟西泮）和zolpidem（ZOL，唑吡坦）。flurazepam代谢物DID和ZOL都以几十纳摩尔的结合能力与GABAA受体结合（图3a）。作者解析了DID和ZOL与GABAA受体的结构（图3b），发现两者位于α1-γ2胞外结构域的交界处。DID和ZOL可以周围残疾产生相互作用（图3c和3d），并导致胞外结构域与关闭状态（灰色）相比发生旋转（图3e），其中DID旋转角度较小（图3e白色）呈现为部分开放状态（图3f左），而ZOL旋转角度较大（彩色）呈现为脱敏状态（图3f右）。
图3 内源GABAA受体与安眠药DID和ZOL结合的结构
综上，作者通过分离纯化并解析内源GABAA受体的结构，发现了其最多的组装方式，并揭示了神经类固醇与安眠药物与受体的作用方式，为针对GABAA受体的各种药物提供药理基础及未来的优化设计空间。
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06556-w
参考文献
参考文献
【1】Olsen, R. W. & Sieghart, W. International Union of Pharmacology. LXX. Subtypes of γ-aminobutyric acid A receptors: classification on the basis of subunit composition, pharmacology, and function. Update. Pharmacol. Rev. 60, 243–260 (2008).
【2】Endo, S. & Olsen, R. W. Antibodies specific for α-subunit subtypes of GABA Areceptors reveal brain regional heterogeneity. J. Neurochem. 60, 1388–1398 (1993).
供稿 | 朱盎岐
审稿 | 李浩田
责编 | 囡囡
排版 | 可洲
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