——在谷氨酸受体空间结构方面取得重要研究进展

来自南京大学模式动物研究所的石云实验室发表了题为“GluA1 Signal peptide Determines the Spatial Assembly of Heteromeric AMpA Receptors”的研究论文，揭示了每个AMpA受体由两个GluA1和两个GluA2蛋白亚基构成，并且有着固定的空间排列，称作1-2-1-2构型。

这一研究成果公布在9月6日《美国科学院院刊》（pNAS）上，南京大学的博士后何雪妍和博士生李燕军是论文的共同第一作者，石云教授是通讯作者。

大脑内的神经细胞之间通过微小的特化结构——突触进行信号的交流。当一个神经细胞将它编码的信号传给下级神经细胞时，会在突触中释放化学信号谷氨酸。谷氨酸结合到突触后膜（下级神经细胞）上的谷氨酸受体从而将信号传递到下级神经细胞。突触后膜上的一种重要的谷氨酸受体被称为AMpA受体，主要由GluA1和GluA2两种不同的蛋白亚基组成。

为了揭示这种异源AMpA受体的分子构成以及空间结构，石云教授等人设计了一个巧妙的实验。他们以同源AMpA受体（GluA2四聚体）的晶体结构为模板，使用Cysteine Crosslinking的技术来探究各个蛋白亚基之间的接触面，从而揭示异源AMpA受体的空间排列。石云实验室的研究揭示了每个AMpA受体由两个GluA1和两个GluA2蛋白亚基构成，并且有着固定的空间排列，称作1-2-1-2构型。

而且，在进一步探讨这种空间结构是由哪个结构域决定时，研究人员发现了一个令人惊讶的结果：AMpA受体的空间排列是由“信号肽”序列决定的。当交换GluA1和GluA2的信号肽时，尽管成熟蛋白的氨基酸序列没有变化，GluA1和GluA2的空间位置会互相交换，从而形成2-1-2-1的空间排列方式（图1），更进一步的研究表明是GluA1的信号肽决定了AMpA受体的空间构型。信号肽是位于蛋白肽链前端的20-40个氨基酸序列，一般会在蛋白质成熟之前被切掉。经典理论告诉我们，蛋白质的初级结构（氨基酸序列）决定高级结构（空间结构）。石云研究室的研究结果显然与这一理论不同。


图一、信号肽对AMpA受体空间结构的影响（修改自论文中图片）。

这一研究结果不仅解析了脑内一种重要谷氨酸受体的分子结构，而且揭示了信号肽的一个全新功能。那么信号肽是如何决定蛋白质的空间结构呢？这项研究也为未来的研究提出了新的问题和挑战。

作者简介：

石云，博士 教授 生理学

2007, ph.D., Georgia State University
2008-2012, postdoctoral Scholar, University of California at San Francisco,
2013-，南京大学模式动物研究所，教授

研究兴趣：
1. 中枢神经系统突触生理。
2. 谷氨酸受体调节亚单位的生理功能以及在病理过程中的作用。
3. 谷氨酸受体的上膜转运和突触定位的机制。
4. 离子通道的结构和功能。

原文摘要：

GluA1 Signal peptide Determines the Spatial Assembly of Heteromeric AMpA Receptors

AMpA-type glutamate receptors (AMpARs) mediate fast excitatory neurotransmission and predominantly assemble as heterotetramers in the brain. Recently, the crystal structures of homotetrameric GluA2 demonstrated that AMpARs are assembled with two pairs of conformationally distinct subunits, in a dimer of dimers formation. However, the structure of heteromeric AMpARs remains unclear. Guided by the GluA2 structure, we performed cysteine mutant cross-linking experiments in full-length GluA1/A2, aiming to draw the heteromeric AMpAR architecture. We found that the amino-terminal domains determine the first level of heterodimer formation. When the dimers further assemble into tetramers, GluA1 and GluA2 subunits have preferred positions, possessing a 1–2–1–2 spatial assembly. By swapping the critical sequences, we surprisingly found that the spatial assembly pattern is controlled by the excisable signal peptides. Replacements with an unrelated GluK2 signal peptide demonstrated that GluA1 signal peptide plays a critical role in determining the spatial priority. Our study thus uncovers the spatial assembly of an important type of glutamate receptors in the brain and reveals a novel function of signal peptides.


（文章内容由南大模式所石云实验室提供，生物通整理）