JACS | 白晨團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算模擬揭示神經(jīng)系統(tǒng)中重要氯離子通道蛋白glycine receptor激活機(jī)制
2024年9月，晨佇科技白晨團(tuán)隊(duì)在JACS雜志在線發(fā)表了題為 “Exploring the Activation Process of the Glycine Receptor”的研究論文。這項(xiàng)研究不僅幫助我們深入理解可用于緩解慢性疼痛的潛在治療靶點(diǎn)glycine receptor（GlyR）的激活機(jī)制，預(yù)測(cè)并驗(yàn)證了重要突變位點(diǎn)，也為開(kāi)發(fā)更有效的治療方案開(kāi)辟了新途徑。
簡(jiǎn)介
GlyR屬于五聚體配體門控離子通道家族，是一種位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的氯離子通道型蛋白，通過(guò)甘氨酸傳導(dǎo)神經(jīng)信號(hào)。GlyR功能異常會(huì)導(dǎo)致癲癇、慢性疼痛和過(guò)度驚駭?shù)燃膊 ?/span>
研究表明GlyR可以抑制脊髓背角中的疼痛信號(hào)，有望作為新靶點(diǎn)治療慢性疼痛，解決當(dāng)前鎮(zhèn)痛藥(如阿片類藥物)效果有限且成癮性高的缺點(diǎn)。然而，由于GlyR的激活過(guò)程十分復(fù)雜，目前對(duì)其激活機(jī)制的了解尚顯不足，這在很大程度上限制了我們對(duì)其功能認(rèn)知和藥物設(shè)計(jì)的進(jìn)展。
在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算生物學(xué)模型，研究不同激動(dòng)劑結(jié)合數(shù)量對(duì)GlyR激活和脫敏行為的影響，并從能量上探究側(cè)面路徑作為氯離子主要傳導(dǎo)路徑的原因。
圖1.不同甘氨酸結(jié)合模式對(duì)GlyR激活和脫敏行為的影響。（a）7種甘氨酸分子結(jié)合模式。（b）蛋白質(zhì)構(gòu)象能耦合不同結(jié)合模式下甘氨酸結(jié)合能的能量變化。（c）不同甘氨酸結(jié)合模式導(dǎo)致的?G變化。?G1：激活能壘，?G2：脫敏能壘，?G3：閉合狀態(tài)與脫敏狀態(tài)的能量差。
通過(guò)分子層面的模擬和能量分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了增加分子結(jié)合數(shù)量有助于GlyR激活和抑制GlyR脫敏，并且解釋了為何增加甘氨酸濃度使脫敏狀態(tài)成為主要狀態(tài)。
圖2.氯離子通過(guò)側(cè)面和頂端路徑傳導(dǎo)的能量差異。（a）頂端和側(cè)面路徑在GlyR上的分布。（b）頂端和側(cè)面路徑的通道孔徑尺寸變化。（c）和（d）氯離子在頂端和側(cè)面路徑上傳導(dǎo)的自由能景圖。（e）和（f）圖（c），(d)中對(duì)應(yīng)的最小能量路徑的自由能曲線。
為了探究頂端和側(cè)面路徑傳導(dǎo)氯離子的能量差異，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了離子通過(guò)側(cè)面和頂端路徑傳導(dǎo)的自由能景圖，發(fā)現(xiàn)氯離子在側(cè)面路徑傳導(dǎo)時(shí)能壘更低，之后的靜電勢(shì)能面分析表明靜電環(huán)境起重要作用。
圖3.對(duì)GlyR位于甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)、氯離子傳導(dǎo)路徑和關(guān)鍵loop區(qū)域上的殘基進(jìn)行突變效應(yīng)分析。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)GlyR位于甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)、氯離子傳導(dǎo)路徑和關(guān)鍵loop區(qū)域上的殘基進(jìn)行突變效應(yīng)分析，這有助于識(shí)別影響GlyR激活過(guò)程的關(guān)鍵殘基，并為未來(lái)的突變效應(yīng)研究提供了方向。
圖4.電生理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
圖5.電生理實(shí)驗(yàn)的電流密度與計(jì)算結(jié)果的能壘的比較。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合電生理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算的預(yù)測(cè)，研究表明，對(duì)所有可被甘氨酸激活的突變體，突變方向的預(yù)測(cè)完全準(zhǔn)確。
最后，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還呈現(xiàn)了很好的負(fù)相關(guān)性（皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.77）。
總而言之，這項(xiàng)研究不僅在理論上擴(kuò)展了我們對(duì)GlyR激活機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而且在實(shí)際應(yīng)用上，為GlyR藥物的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了寶貴的信息和啟發(fā)。
隨著對(duì)GlyR激活機(jī)制的深入了解，我們有理由相信，未來(lái)將有更多針對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的創(chuàng)新療法問(wèn)世，為患者帶來(lái)新的希望。
香港中文大學(xué)（深圳）、浙江大學(xué)、晨佇生物科技和中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心是本論文的共同合作單位。
感興趣的讀者可閱讀研究論文原文：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c08489#
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