«Карта» высокого разрешения раскрывает структурную и функциональную сложность эндогенных рецепторов NMDA в мозге
В исследовании , опубликованном в журнале Cell , исследовательская группа под руководством Чжу Шуцзя из Центра передового опыта в области науки о мозге и технологий интеллекта Китайской академии наук (CAS) совместно с Ли Яном из Шанхайского института Materia Medica CAS проанализировала сборку и архитектуру эндогенных рецепторов N-метил-ᴅ-аспартата (eNMDAR) в коре головного мозга и гиппокампе взрослых млекопитающих.
Обучение и память являются фундаментальными функциями мозга, лежащими в основе человеческого познания и восприятия мира, которые опираются на синаптическую пластичность, зависящую от развития и активности. Рецепторы NMDA, члены семейства возбуждающих ионотропных глутаматных рецепторов, играют важную роль в этих процессах.
Они регулируют силу синаптических связей, играя важную роль в продвинутых функциях мозга. В высших структурах мозга, участвующих в познании, таких как кора головного мозга и гиппокамп, они особенно важны для когнитивной функции.
Рецепторы NMDA представляют собой гетеромерные тетрамеры, состоящие из двух обязательных субъединиц GluN1 и двух альтернативных субъединиц, GluN2 (от N2A до N2D) или GluN3 (N3A и N3B). За последнее десятилетие молекулярное понимание рецепторов NMDA ограничивалось исследованиями, проведенными в рекомбинантных системах сверхэкспрессии.
Во многом это связано с низкой распространенностью eNMDAR в мозге и отсутствием эффективных методов очистки, что затрудняет физиологические исследования этих рецепторов и их подтипового разнообразия.
В этом исследовании ученые сначала обогатили eNMDAR из мозговой ткани взрослых крыс дикого типа, используя высокоаффинное антитело, помеченное аффинной меткой. Во время обработки данных криоэлектронной микроскопии команда воспользовалась преимуществами модели на основе сверточной сети для отделения eNMDAR от гетерогенного пула эндогенных белков.
Объединив биохимические и алгоритмические методы очистки, они наконец-то расшифровали нативные рецепторы, опосредующие физиологическую синаптическую пластичность в мозге, с разрешением, близким к атомарному.
Исследователи выделили три основных подтипа eNMDAR: тригетеромерные рецепторы GluN1-N2A-N2B, дигетеромерные рецепторы GluN1-N2B и GluN1-N2A, составляющие 45%, 35% и 20% рецепторов NMDA в коре и гиппокампе соответственно.
Тригетеромерный тетрамер GluN1-N2A-N2B выявил функциональную интеграцию субъединиц GluN2A и GluN2B in vivo. Его структура показала отчетливую сборку и асимметричную архитектуру.
Конформационные вариации были выявлены в субъединице GluN2B между тригетеромерными GluN1-N2A-N2B и дигетеромерными GluN1-N2B рецепторами. Эти структурные различия субъединицы в разных подтипах рецепторов дали представление о функциональном разнообразии eNMDAR.
Эти результаты раскрыли молекулярную основу , с помощью которой eNMDAR точно настраивают возбуждающую синаптическую передачу и синаптическую пластичность у взрослых млекопитающих. Примечательно, что субъединичный состав eNMDAR претерпевает изменения на разных стадиях развития и в разных областях мозга.
Кроме того, исследователи разработали парадигму для картирования пространственно-временного атласа eNMDAR по всему мозгу, что позволит улучшить понимание процессов обучения и памяти, например, того, как синаптическая пластичность различается в зависимости от возраста.
Это исследование открывает путь к изучению патологических изменений в eNMDAR при различных моделях заболеваний.