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

穀胺酸（glutamic acid）與小麥（wheat）

穀氨酸。圖片來源：Wiki

穀胺酸（glutamic acid）是在 1866由德國化學家 Karl Heinrich Ritthausen（1826-1912）用硫酸（sulfuric acid）處理麵筋  （wheat gluten，法文與拉丁文都寫作gluten；原意是黏膠）後得到的。因此，它被命名為 glutamic acid。而中文譯名穀胺酸，應該也是因為這個胺基酸是由穀物得到的。

雖然是非必需胺基酸（也就是說我們自己可以合成），穀氨酸在代謝上非常重要，透過轉胺反應（transamination），穀胺酸可以變成α-酮戊二酸（α-ketoglutarate），而跟穀胺酸一起進行轉氨反應的分子，如果是丙酮酸則會生成丙胺酸（alanine），若是草酰乙酸（oxaloacetate）則生成天冬胺酸（aspartate），這些胺基酸也都是對我們很重要的化合物喔！

除此之外，穀胺酸也是脊椎動物很重要的神經傳導物質，它有興奮的效果；所以穀胺酸也是腦中含量最高的分子之一。由穀胺酸還可以合成有抑制作用的 γ-胺基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）。

穀胺酸也是植物氮同化吸收路徑（nitrogen assimilation）中的重要成員。植物可以銨（ammonium）或硝酸根（nitrate）的形式吸收氮，進入體內後先轉為銨，再經過穀胺醯胺合成酶（glutamine synthetase，GS）與穀胺酸合成酶（glutamate synthase，GOGAT）將銨的氮轉入碳骨架，產生穀胺酸。穀胺酸接著還會經過天門冬醯胺合成酶（asparagin synthetase，AS）產生天門冬醯胺（asparagine），用以運輸或儲存。由於銨會擾亂粒線體的氫離子濃度梯度，影響電子傳遞鏈運作，所以只要一生成銨就會很快的轉為穀胺酸。因此，穀胺酸與穀胺醯胺加起來，可是地球上含量最高的胺基酸呢！

穀胺酸最為人所知的大概就是味精（穀胺酸鈉，monosodium glutamate）了。1908年東京帝國大學（Tokyo Imperial University）的池田菊苗（Kikunae Ikeda）博士，將昆布湯蒸發後得到棕色的結晶。當他用舌頭去嚐嚐這結晶時，他發現在很多食物（尤其是海草）裡面都嚐過這味道。池田博士將這個味道命名為「鮮味」（unami），並將製造這個結晶的方法申請專利；這個結晶就是味精。

參考資料：

Wikipedia. glutamic acid.

Moura A, Savageau MA, Alves R (2013) Relative Amino Acid Composition Signatures of Organisms and Environments. PLoS ONE 8(10): e77319. doi:10.1371/journal.pone.0077319

嚴重酒精成癮與神經傳導物質GABA有關

過去的許多研究已經發現，並不是每個人都對成癮性物質（如煙、酒、毒品）有興趣。有的人接觸一次以後就敬謝不敏，有的人則不僅是「一試成主顧」，而且還欲罷不能。由於人們在對於成癮性物質的反應差距如此之大，因此科學家們一直認為，酒精成癮--尤其是嚴重的酒精成癮--一定跟遺傳有關；而到目前為止，也找到了幾個基因，但是這些基因如何操控酒精成癮的機制，仍然不清楚。

圖片來源：維基百科

最近，在美國Scripps研究所的研究團隊發現，有一個基因Nf1 (neurofibromatosis type 1)，與酒精成癮有關。研究結果顯示，Nf1透過調整γ-氨基丁酸（GABA，gamma-aminobutyric acid）的分泌，使個體在初次接觸酒精之後的重複接觸，是否會漸次地提高飲用酒精的量；而這個行為與酒精成癮相關。

研究團隊使用部分剔除Nf1的小鼠，來測試接觸酒精之後的行為。結果發現，部分剔除Nf1的小鼠，在飲酒之後，中央杏仁核（central amygdala）的GABA濃度並未上昇，而過後這些小鼠對於酒精也並不特別感興趣。

相對的是，表現正常量的Nf1的小鼠，在飲酒之後，中央杏仁核的GABA濃度上昇，而當研究人員重複給予酒精時，這些小鼠的飲酒量也漸次增加。

研究團隊在檢視人類的Nf1基因時，也在9,000個人裡面發現，人類對酒精成癮的行為，似乎也跟Nf1基因相關。

但是，在小鼠的實驗中，野生種（即未剔除Nf1基因的小鼠）會對酒精成癮，這部分跟人的成癮性行為要怎麼解釋呢？若以小鼠的例子看來，似乎人人都可以成為酒鬼；但是以人來說，只有5%的人視酒如命，另外12%的人經常飲酒，而其他的人並不常喝酒，或根本滴酒不沾。所以，Nf1在小鼠上的結果，是否能用來解釋人類的成癮性行為，這就有待後續研究了。

參考文獻：

2014/8/27. Alcohol-dependence gene linked to neurotransmitter. Science Daily.