解析人脑中天然GABAA受体的结构
解析人脑中的GABAA受体结构：一项突破性研究
学术背景
GABAA受体（γ-氨基丁酸A型受体）是大脑中最重要的抑制性神经递质受体之一，负责调控神经元的快速抑制性信号传递。这些受体不仅是治疗癫痫、焦虑、抑郁和失眠等疾病的关键药物靶点，还被广泛用于麻醉药物的作用机制研究。GABAA受体由19种不同的亚基组成，形成五聚体配体门控离子通道。尽管过去的研究通过重组表达和小鼠模型揭示了部分GABAA受体的结构和功能，但人类大脑中天然GABAA受体的亚基组成和三维结构仍然不明确。特别是，人类大脑中GABAA受体的亚基组合比啮齿类动物更为复杂，且其与辅助蛋白的相互作用尚未得到充分研究。
为了解决这一问题，研究人员从癫痫患者的手术切除脑组织中分离出含有α1亚基的GABAA受体，并利用冷冻电镜技术（cryo-EM）解析了12种天然GABAA受体的三维结构。这项研究不仅揭示了人类大脑中GABAA受体的多样性，还发现了抗癫痫药物在受体上的意外作用位点，为理解GABAA受体的信号传递和药物靶向治疗提供了重要的结构基础。
论文来源
这篇论文由Jia Zhou、Colleen M. Noviello、Jinfeng Teng、Haley Moore、Bradley Lega和Ryan E. Hibbs共同完成，研究团队来自加州大学圣地亚哥分校、德克萨斯大学西南医学中心等机构。论文于2024年发表在Nature期刊上，题为《Resolving native GABAA receptor structures from the human brain》。
研究流程与结果
1. 样本收集与处理
研究团队从81名癫痫患者的手术切除脑组织中获取了样本，这些样本主要来自颞叶和额叶。样本被分为两组：第一组包含45名患者的组织，第二组包含36名患者的组织。所有样本在切除后迅速冷冻保存，以确保蛋白质结构的完整性。
2. GABAA受体的纯化
研究人员使用一种高亲和力的抗体片段（Fab 1F4）靶向α1亚基，从脑组织中纯化出含有α1亚基的GABAA受体。纯化过程中，使用了去垢剂（lauryl maltose neopentyl glycol, LMNG）来维持受体与突触结合蛋白的相互作用。随后，纯化的受体被重构到脂质纳米盘中，以便进行冷冻电镜分析。
3. 冷冻电镜数据收集与处理
研究人员使用冷冻电镜技术对纯化的GABAA受体进行了高分辨率成像。通过二维和三维分类，他们成功解析了12种不同的GABAA受体亚基组合的三维结构。这些结构的整体分辨率在2.5至3.3 Å之间，足以区分不同亚基的细节。
4. 亚基组合的多样性
研究发现了多种GABAA受体的亚基组合，其中最常见的组合为β2–α1–β2–α1–γ2。此外，还发现了含有α2、α3、β1、β3和γ2亚基的多种组合。这些组合揭示了GABAA受体在人类大脑中的高度多样性，特别是β3亚基的参与，这在之前的研究中并未被充分报道。
5. 药物结合位点的发现
在解析结构的过程中，研究人员在多个亚基界面观察到了类似药物的密度。进一步的实验表明，抗癫痫药物拉莫三嗪（lamotrigine）和左乙拉西坦（levetiracetam）能够与GABAA受体结合，并调节其功能。特别是，拉莫三嗪的结合位点与苯二氮卓类药物的结合位点重叠，这为理解其抗癫痫机制提供了新的视角。
6. 辅助蛋白的相互作用
通过质谱分析和冷冻电镜数据，研究人员还发现了GABAA受体与辅助蛋白（如neuroligin 2和garlh4）的相互作用。这些辅助蛋白在调节GABAA受体的定位和功能中起重要作用，进一步揭示了受体在突触中的复杂调控机制。
研究结论与意义
这项研究首次系统地解析了人类大脑中天然GABAA受体的三维结构，揭示了其亚基组合的多样性和复杂性。研究不仅为理解GABAA受体的信号传递机制提供了结构基础，还发现了抗癫痫药物的新作用位点，为开发更精准的药物靶向治疗策略提供了重要依据。
此外，研究还揭示了GABAA受体与辅助蛋白的相互作用，为理解受体在突触中的功能调控提供了新的视角。这些发现不仅具有重要的科学价值，还为未来的药物研发和神经疾病治疗提供了新的方向。
研究亮点
- 首次解析人类大脑中天然GABAA受体的三维结构：研究揭示了12种不同的亚基组合，为理解GABAA受体的多样性提供了重要数据。
- 发现抗癫痫药物的新作用位点：拉莫三嗪和左乙拉西坦的结合位点揭示了这些药物的潜在作用机制。
- 揭示GABAA受体与辅助蛋白的相互作用：研究发现了neuroligin 2和garlh4等辅助蛋白在调节受体功能中的重要作用。
- 高分辨率冷冻电镜技术的应用：研究展示了冷冻电镜技术在解析复杂蛋白质结构中的强大能力。
其他有价值的信息
研究还发现，GABAA受体的亚基组合在不同患者之间存在一定差异，这可能与患者的性别、年龄、癫痫病程和药物治疗史有关。未来的研究可以进一步探讨这些因素对GABAA受体结构和功能的影响，为个性化治疗提供依据。
这项研究为理解GABAA受体的结构和功能提供了重要的突破，并为神经疾病的治疗开辟了新的研究方向。