上藥所揭示抗抑郁藥氯胺酮靶向人源NMDA受體的分子機制

　　2021年7月28日23時，《自然》期刊在線發表題為《氯胺酮作用于人源NMDA受體的結構基礎》的研究論文，該研究由中科院上海藥物所羅成課題組與中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）竺淑佳課題組合作完成。該研究通過冷凍電鏡解析了NMDA受體結合快速抗抑郁藥氯胺酮的三維結構，確定了氯胺酮在NMDA受體上的結合位點，并進一步通過分子動力學模擬分析了氯胺酮與受體的結合模式，結合電生理功能實驗，闡明了氯胺酮與NMDA受體結合的分子基礎。該研究為靶向NMDA受體設計新型抗抑郁藥的研發提供了重要基礎。

　　抑郁癥影響了全球3億多人口，每年有近80萬抑郁患者自殺。傳統的抗抑郁藥多數作用于單胺能神經系統，需要持續用藥數周甚至數月后才能起效，并且對三分之一的難治性抑郁癥患者沒有治療效果。氯胺酮作為能快速起效的新型抗抑郁藥，一劑亞麻醉劑量的用藥幾小時內就能顯著改善患者的情緒低落、自我評價低等負面癥狀，甚至減弱患者自殺意念，尤其對難治性抑郁癥有治療效果，是抗抑郁領域近幾十年來最重要的發現。但是，氯胺酮會造成分離性幻覺等副作用，并有作為娛樂性毒品被濫用的風險，極大地限制了它的臨床應用。因此，研發副作用更小且能快速起效的新型抗抑郁藥，一直是全世界眾多科學家努力的方向。

　　已有的研究顯示，氯胺酮作為大腦內重要的谷氨酸門控離子通道NMDA受體的阻斷劑，可通過抑制NMDA受體通道活性，參與到突觸傳遞及突觸可塑性信號通路的調控，進而恢復慢性壓力導致的皮層與海馬區域的突觸損傷。因此，解析氯胺酮在NMDA受體上的結合位點，并闡明氯胺酮與NMDA受體之間如何相互作用，對基于氯胺酮/NMDA受體復合物結構設計新型抗抑郁藥的研究具有重要意義。

　　在該研究中，竺淑佳團隊首先利用冷凍電鏡技術解析了氯胺酮結合的人源GluN1-GluN2A和GluN1-GluN2B亞型NMDA受體的三維結構，這兩種NMDA受體是成年哺乳動物腦內表達最豐富的亞型。在NMDA受體的跨膜區發現了氯胺酮的電子云密度圖，進而確認了氯胺酮的結合位點在離子通道的門控與選擇性過濾器中間的空腔內。空腔頂部和底部分別由極性氨基酸蘇氨酸和天冬酰胺組成，空腔中部由疏水氨基酸頡氨酸和亮氨酸組成。

　　為了進一步解析受體與氯胺酮之間的相互作用，羅成團隊通過分子動力學模擬分析了氯胺酮在空腔內的動態變化，發現氯胺酮在空腔內存在“upper（向上）“和”lower（向下）“兩種構象，而冷凍電鏡捕捉到了”upper“構象。進一步，研究人員通過結合自由能分析發現GluN2A-L642對氯胺酮結合能的貢獻最大，其疏水側鏈可與氯胺酮形成疏水作用，同時發現GluN1-N616會與氯胺酮形成氫鍵作用。進而，竺淑佳團隊通過點突變篩選及電生理實驗發現這兩個位點的突變會顯著影響氯胺酮抑制NMDA受體通道活性的效力，進一步證實了GluN1-N616及GluN2A-L642(同源GluN2B-L643)是參與氯胺酮結合的關鍵氨基酸，在氯胺酮抑制通道活性過程中發揮重要作用。

　　該研究通過電鏡“看到”并確認了氯胺酮在NMDA受體上的結合位點，并結合分子動力學模擬揭示了GluN1-N616的氫鍵作用和GluN2A-L642的疏水作用在氯胺酮穩定結合在NMDA受體的通道空腔內并阻斷通道的過程中起著關鍵作用。研究還進一步探討了手性異構體R-氯胺酮和S-氯胺酮在結合和分子機制上的相同點和差異點。這一系列發現為基于NMDA受體結構設計新型抗抑郁藥的研發提供了重要基礎。

　　中科院腦智卓越中心博士研究生張友誼、章彤彤與浙江理工大學副教授葉飛為該論文共同第一作者，中科院腦智卓越中心竺淑佳研究員與中科院上海藥物所羅成研究員為該論文的共同通訊作者。該工作得到了中科院生物物理所生物成像中心的大力支持，獲得國家自然科學基金委員會、中國科學院和上海市的資助。

　　圖注（A）結合氯胺酮的人源GluN1-GluN2A NMDA受體冷凍電鏡三維結構。（B）氯胺酮結合位點空腔里的關鍵氨基酸。（C）分子動力學模擬過程中氯胺酮周圍氨基酸的結合能貢獻和氫鍵形成的頻率。（D）野生型和關鍵位點突變的NMDA受體的氯胺酮劑量效應曲線。