Nature突破：竺淑佳/罗成团队发表抗抑郁药氯胺酮靶向人源NMDA受体的分子机制

来源：中科院神经所官微

2021年7月28日，《自然》期刊在线发表题为《氯胺酮作用于人源NMDA受体的结构基础》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心竺淑佳研究组与中科院上海药物研究所罗成研究组合作完成。该研究通过冷冻电镜解析了NMDA受体结合快速抗抑郁药氯胺酮的三维结构，确定了氯胺酮在NMDA受体上的结合位点，并进一步通过电生理功能实验和分子动力学模拟，阐明了氯胺酮与NMDA受体结合的分子基础。该研究为靶向NMDA受体设计新型抗抑郁药的研发提供了重要基础。

抑郁症影响了全球3亿多人口，传统的抗抑郁药多数作用于单胺能神经系统，需要持续用药数周甚至数月后才能起效，并且对三分之一的难治性抑郁症患者没有治疗效果。氯胺酮作为能快速起效的新型抗抑郁药，一剂亚麻醉剂量的用药几小时内就能显著改善患者的情绪低落，自我评价低等负面症状，甚至减弱患者自杀意念，尤其对难治性抑郁症有治疗效果，是抗抑郁领域近几十年来最重要的发现。但是，氯胺酮会造成分离性幻觉、成瘾等副作用，极大地限制了它的临床应用。因此，研发副作用更小且能快速起效的新型抗抑郁药，一直是全世界众多科学家努力的方向。

已有的研究显示，氯胺酮作为大脑内重要的谷氨酸门控离子通道NMDA受体的阻断剂，可通过抑制NMDA受体通道活性，参与到突触传递及突触可塑性信号通路的调控，进而恢复慢性压力导致的皮层与海马区域的突触损伤。因此，解析氯胺酮在NMDA受体上的结合位点，并阐明氯胺酮与NMDA受体之间如何相互作用，对基于氯胺酮/NMDA受体复合物结构设计新型抗抑郁药的研究具有重要意义。竺淑佳研究组长期从事NMDA受体结构与功能的系列研究，在NMDA受体家族不同亚型的三维结构、构象动力学、变构调节、药理学和门控开放机制等研究领域取得了系列重要发现（Nat Struct Mol Biol2013; PNAS 2014; Cell 2016; Cell Rep 2018; Neuron2021）。

在该研究中，竺淑佳团队聚焦在成年哺乳动物脑内表达最丰富的两种亚型GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B NMDA受体上，前期利用真核细胞表达系统进行了大量蛋白表达与纯化的条件摸索。在得到稳定的NMDA受体蛋白后，团队结合冷冻电镜技术解析了氯胺酮结合的人源GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B亚型NMDA受体的三维结构。在NMDA受体的跨膜区发现了氯胺酮的电子云密度图，进而确认了氯胺酮的结合位点在离子通道的门控与选择性过滤器中间的空腔内。空腔顶部和底部分别由极性氨基酸苏氨酸和天冬酰胺组成，空腔中部由疏水氨基酸颉氨酸和亮氨酸组成。竺淑佳团队通过点突变筛选及电生理实验鉴定了GluN1-N616及GluN2A-L642(同源GluN2B-L643)这两个关键氨基酸是参与氯胺酮结合的关键氨基酸。这两个位点的突变会显著影响氯胺酮抑制NMDA受体通道活性的效力，有力地证明了这两个关键氨基酸在氯胺酮抑制通道活性过程中发挥重要作用。为了进一步解析受体与氯胺酮之间的相互作用，合作团队药物所罗成研究组进行了分子动力学模拟。模拟结果发现GluN2A-L642对氯胺酮结合能的贡献最大，其疏水侧链可与氯胺酮形成疏水作用，同时发现了GluN1-N616会与氯胺酮形成氢键作用。

该研究通过电镜“看到”并确认了氯胺酮在NMDA受体上的结合位点，并揭示了GluN1-N616的氢键作用和GluN2A-L642的疏水作用，在氯胺酮稳定结合在NMDA受体的通道空腔内并阻断通道的过程中起着关键作用。研究还进一步探讨了手性异构体R-氯胺酮和S-氯胺酮在结合和分子机制上的相同点和差异点。这一系列发现为基于NMDA受体结构设计新型抗抑郁药的研发提供了重要基础。 

同行点评

【张明杰院士】

祝贺竺淑佳团队在NMDA受体如何结合氯胺酮（Ketamine）这一举世瞩目的研究课题取得突破性的成就。

由于氯胺酮可通过直接抑制NMDA受体而很快地、有效地缓解由于抑郁而引起的一系列症状（包括自杀倾向），这个药物近来已经被批准用于治疗抑郁症。可是氯胺酮的成瘾及麻醉性等副作用极大地限制了氯胺酮作为广泛用于治疗抑郁的首选药物。在竺淑佳团队刚刚发表的文章中，他们利用冷冻电镜方法揭示了氯胺酮如何结合人脑中的最主要的两类NMDA受体的原子结构。氯胺酮通过结合受体跨膜区离子通道上面一个疏水的口袋，进而阻断离子通道的通透性。重要的是文中的复合物结构给出了一个非常直接的氯胺酮如何和离子通道中关键氨基酸互相作用的机制，并提供了如何通过这些结构信息来设计新的化合物，让这些化合物能够达到更有选择性，更有效的抑制NMDA受体的活性，而同时能降低药物类似成瘾等的副作用。所以竺淑佳团队的这一突破性的工作有着极其重要的科学意义和临床价值。

值得一提的是，这一突破是竺淑佳团队多年来专心系统地研究NMDA受体的作用机制的结晶。她实验室上个月在神经元（Neuron）发表了一篇研究论文，该论文系统地阐述了NMDA受体的活性如何受配体及各种小分子调节。除了极大地推进我们对NMDA受体工作机制的科学认知，竺淑佳实验室近年来一系列的研究也提示我们也许可以通过多靶点来调控NMDA受体进而取得具有更佳临床表现的治疗抑郁的药物组合。

【段树民院士】

抑郁焦虑已经成为威胁人类身心健康重要的疾病，目前的治疗手段都不理想，今年发现了氯胺酮快速抗抑郁作用，为人们燃起了新的希望，但是氯胺酮有很大的副作用。我们知道氯胺酮是脑内重要的神经递质受体NMDA受体的抑制剂，有意思的是NMDA受体有很多种抑制剂，但只有氯胺酮具有快速的、高效的抗抑郁作用。 

竺淑佳团队及其合作者利用冷冻电镜技术解析了氯胺酮结合NMDA受体的结构，并利用分子动力学模拟找到了多个结合位点，这些重要发现对发展新的快速高效、低副作用的抗抑郁药将具有重要的指导意义。值得注意的是在氯胺酮快速抗抑郁机制研究方面，我国科学家这几年有持续的高质量工作产出，显示我国在这一领域的研究走在了国际前沿。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心博士研究生张友谊、章彤彤与浙江理工大学副教授叶飞为该论文共同第一作者，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心竺淑佳研究员与中科院上海药物研究所罗成研究员为该论文的共同通讯作者。脑智卓越中心研究生吕诗云、药物所郭飞和杜道海副研究员参与了实验，公安部第三研究所提供了实验所需的化合物样品。脑智卓越中心学术主任蒲慕明院士、孙怡迪博士和药物所徐华强研究员给与了讨论和建议。该工作得到了中科院生物物理所生物成像中心的大力支持，获得国家自然科学基金委员会、中国科学院和上海市的资助。　　 

图注（A）结合氯胺酮的人源GluN1-GluN2A NMDA受体冷冻电镜三维结构。（B）氯胺酮结合位点空腔里的关键氨基酸。（C）分子动力学模拟过程中氯胺酮周围氨基酸的结合能贡献和氢键形成的频率。（D）野生型和关键位点突变的NMDA受体的氯胺酮剂量效应曲线。