GluD1：一個可與GABA結合的穀胺酸受體

 

GABA的3D分子模型。圖片來源：維基百科

一般來說，大腦中的大部分興奮性神經傳導是由離子型穀胺酸受體（iGluR）家族成員負責的。它們是一類重要的膜蛋白，具有以下特性：

1. iGluRs屬於穀胺酸受體的一種，穀胺酸是哺乳動物中主要的興奮性神經傳導物質。
2. 這些受體是配體門控型離子通道，當穀胺酸（配體）與受體結合時，會引起通道開啟，允許特定的離子（如鈉、鉀和鈣）流過細胞膜。
3.iGluRs有三大類亞型，分別是AMPA受體（α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異恐呼噁唑丙酸受體）、NMDA受體（N-甲基-D-天冬氨酸受體）和kainate受體。
4. iGluRs在神經傳導、神經可塑性、學習與記憶形成中扮演關鍵角色。NMDA受體於其在長期增強（LTP）中的作用特別著名，這是一種與學習和記憶關聯的突觸可塑性形式。
5. iGluRs的功能可以通過多種機制調節，包括磷酸化、蛋白質交互作用和基因表達調控。
6. iGluRs異常與多種神經退行性疾病（如阿茲海默症、帕金森症）、精神疾病（如抑鬱症、精神分裂症）和其他神經系統疾病相關。

這些特性使iGluRs成為神經科學研究的重要對象，並為開發針對神經相關疾病的治療方法提供了可能的途徑。

然而，GluD1作為這個家族的成員之一，其功能和特性卻與傳統iGluRs有所不同。

GluD1，全名為穀胺酸去極化受體1（Glutamate Delta-1 Receptor），是屬於離子型穀胺酸受體（iGluR）家族的一員。這個家族的受體在神經系統中扮演著關鍵角色，主要負責傳遞興奮性信號。

在先前的研究中，GluD1被認為與傳統的iGluR功能不同，它對穀胺酸不敏感且不直接參與典型的離子通道活動。而且，它存在於興奮性和抑制性突觸中；更特別的是，在小鼠海馬體的stratum lacunosum-moleculare (SLM) 區域，GluD1受體主要累積在抑制性突觸而非興奮性突觸。這使得GluD1在iGluR家族中顯得有些異常，引起了研究團隊進一步的興趣和研究。

在論文中，研究團隊採用了幾種方法來證明GluD1受體可以與GABA結合：

1. 電生理實驗：通過使用細胞外紀錄技術，研究人員測量了GABA對GluD1表達細胞的影響。他們觀察到在這些細胞中，GABA的應用會引起特定的電流變化，這表明GABA與GluD1受體的直接交互作用。
2. 藥理學方法：利用特定的藥物，可以抑制或增強GABA的效果，進一步支持了GABA和GluD1之間的相互作用。例如，使用GABA受體拮抗劑可以阻止GABA引起的電流變化。
3. 分子生物學實驗：作者可能進行了突變實驗，改變GluD1受體的特定胺基酸，以確定哪些部分對GABA的結合非常重要。這些實驗有助於確定GABA與GluD1結合的具體分子機制。
作者首先在GluD1受體中引入了“Lurcher” A654T突變（Ala654→Thr），這是一種使GluD2受體持續活化的突變。這種GluD1-A654T突變體在表現在非洲爪蟾卵母細胞（Xenopus oocytes）後，產生了小但可靠的持續內流電流。隨後，為了增強這些電流，作者又引入了另一個突變C645I（Cys645→Ile），使之與GluD2的M3孔道段匹配。這個雙重突變體（GluD1-A654T-C645I），被稱為GluD1-Lurcher，產生了更大的持續電流，並且這些電流可以被D-絲胺酸和甘胺酸增強。
另外，研究團隊在GluD1受體的配體結合域（LBD）上進行的突變實驗顯示，當這些位點突變後，對GABA的反應完全消失，這現使GluD1 LBD在感知GABA方面起著主要作用。
研究團隊還用了非Lurcher的GluD1突變體來研究GABA的結合和引起的構象變化。這些實驗顯示，GABA能夠與GluD1結合並引起結構上的變化。此外，當GluD1受體無法與配體結合時，未檢測到任何螢光信號，這表明在GluD1 LBD上的配體結合是關鍵的分子事件。
4. 結構生物學分析：利用X射線晶體學或冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術來解析GluD1受體的三維結構，並觀察GABA結合時的結構變化。這可以提供直接的結構證據表明GABA與GluD1受體的交互作用。
5. 生化實驗：使用標記的GABA或其他生化方法來直接證明GABA與GluD1受體的物理結合。研究團隊應用了一種稱為螢光共振能量轉移（FRET）的技術，來觀察GABA和GluD1之間的物理接觸和相互作用。
在螢光共振能量轉移實驗中，當GABA（作為配體）接近GluD1受體時，會引起螢光分子之間的能量轉移，從而發出可檢測的信號。這種信號顯示GABA已經與GluD1受體緊密結合。該方法提供了直接的實驗證據，支持GABA能夠與GluD1受體發生特異性的分子交互作用。
這些方法的結合使用為GluD1受體與GABA之間的交互作用提供了強有力的證據，從而改變了我們對於神經遞質受體交互作用的理解。

過去並不認為iGluRs（離子型穀胺酸受體）會與GABA（γ-氨基丁酸）結合。iGluRs通常被認為是專門響應穀胺酸的受體，而GABA是一種不同的神經傳導物質，主要在大腦中產生抑制性作用。穀胺酸和GABA的受體在功能和結構上被認為是相互獨立的。

穀氨酸作為主要的興奮性神經傳導物質，其受體iGluRs主要參與神經活動的促進和調節。相反，GABA是主要的抑制性神經傳導物質，其受體（例如GABA_A和GABA_B受體）主要參與減少神經活動和促進鎮靜。

發現穀胺酸受體GluD1會與GABA結合，為神經科學研究開啟了一個新的視野。這個研究成果挑戰了關於穀胺酸和GABA受體之間的傳統二分法，並為理解神經抑制性可塑性的機制提供了新的見解。這項發現對於神經科學和精神疾病的研究具有重要意義，因為GluD1突變與自閉症、精神分裂症和重度憂鬱症的易感性有關。

參考文獻：

Laura Piot et al. ,GluD1 binds GABA and controls inhibitory plasticity. Science 382, 1389-1394(2023). DOI:10.1126/science.adf3406