NMDA受体的结构与药理学特性_韩太真
心理科学进展  2008，16（3）：464~474
Advances in Psychological Science
NMDA受体的结构与药理学特性
韩太真1李延海2
（1西安交通大学医学院生理与病理生理学系，西安 710061）
（2西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室，西安 710049）
摘要 NMDA受体是一类离子型谷氨酸受体，其功能主要参与发育过程中神经回路的细化及触发多种形式的突触可塑性。近年来的证据表明，组成NMDA受体的亚单位有着复杂的生理学和药理学特性；NMDA 受体的数量、分布和亚单位组成并非一成不变，而是在发育过程中、神经元活动时，以一种细胞特异性和突触特异性的方式变化着。这种NMDA受体的双向变化是突触可塑性重塑的基础，而其调节的异常又可导致神经-精神疾病的发生，如成瘾、精神分裂症等。
关键词  NMDA受体，突触可塑性，受体亚单位。
分类号 B845
1 前言
现代神经科学的研究资料已经证明，谷氨酸是哺乳动物及人类中枢神经系统内最重要的兴奋性神经递质。CNS内存在着与谷氨酸结合并发挥生理效应的两类受体，即离子型谷氨酸受体（ionotropic glutamate receptors, iGluRs）及代谢型谷氨酸受体。在iGluRs家族内，根据外源性激动剂的不同，又分为NMDA受体与非NMDA受体，其中主要是AMPA 受体。NMDA受体有复杂的分子结构和独特的药理学特性，尤其重要的是，它对钙离子具有高通透性，这使得NMDA受体在突触可塑性（synaptic plasticity）及兴奋毒性方面具有重要作用[1]。另外，由于NMDA受体参与了神经系统的多种重要生理功能，其异常又可引起中枢神经系统的功能紊乱，因此NMDA受体本身已成为某些神经精神性疾病的靶点。NMDA受体有多种亚型，由不同亚单位组成的受体亚型具有不同的生物物理和生物化学特性[2]。此外，NMDA受体上有多种配体结合的位点，它们以亚型选择的方式调制着受体的活动。最近关于NMDA受体结构和功能的研究表明，这些具有亚型选择性的配体结合位点包括谷氨酸结合位点、甘氨酸结合位点、离子通道的孔隙以及N末端的变构结合位点等。越来越多的研究表明，不同亚型的NMDA受体与不同的脑功能紊乱相关。因此，作用
收稿日期：2007-12-31
通讯作者：韩太真，E-mail: htzhen@mail.xjtu.edu 于NMDA受体亚型的选择物的探索也越来越受到重视。
2 NMDA受体的分子构型
NMDA受体是由不同亚基构成的异四聚体（heterotetramers），其组成亚基有三种，即NR1、NR2和NR3。NR1又有8种不同的亚单位（NR1-1a/ b-4a/b），它们来源于同一基因、由于剪切部位的不同而生成[1]；NR2有4种不同的亚单位，即NR2A~2D；NR3有两种亚单位，NR3A和NR3B；NR2和NR3分别由六种不同的基因所编码。在哺乳类动物的神经组织内，功能性NMDA受体至少含有一个NR1亚基和一个NR2亚基。到目前为止，NMDA受体的晶体结构还没有被确定，但一般认为，NMDA受体是由两个NR1亚单位和两个NR2亚单位构成的异四聚体，其中的两个NR1亚单位和NR2亚单位可以相同亦可不同。在表达NR3亚基的细胞，一般认为此亚基与NR1和NR2亚基组装在一起，形成NR1/NR2/ NR3的聚合体[1]。
2.1 NMDA受体亚单位的功能区
组成NMDA受体的所有亚基均具有类似的跨膜结构（图1），N末端位于细胞外，C末端位于细胞内，中间由3个跨膜片段（transmembrane segments, TM），即TM1、TM3和TM4，和一个位于TM3与TM4之间的发卡状环（TM2）构成，TM2是组成离子通道的主要部分。C末端的大小依赖于不同的亚基构成，它具有多个可与细胞内蛋白相互作用
ntd第16卷第3期                                  情绪记忆的神经基础                                          -465-
的结合位点[1]
。
图1  NMDA 受体的配体结合位点。多数NMDA 受体是一个四聚体，它由两个NR1亚单位和两个NR2亚单位以二聚体的二聚体组合方式构成。图中仅显示一个NR1/NR2组成的异二聚体。每个亚单位的细胞外区域有两个突出部分，即N 末端和激动剂结合区，亚单位的聚合既在激动剂结合区也在N 末端。NR2亚单位上有与谷氨酸结合的激动剂结合位点，NR1亚单位上有与甘氨酸或丝氨酸结合的激动剂结合位点。空心箭头指示竞争性激动剂或拮抗剂的结合部位，实心箭头指示变构调质（如锌离子）的调节位点。离子通道可被不同的通道阻滞剂所阻滞，如内源性镁离子、MK-801、美金刚及，它们均为非竞争性拮抗剂。细箭头指示有争议的调节位点。目前已知的具有亚型选择性的NMDA 受体拮抗剂是结合于NR2亚单位N 末端的锌离子（它以纳摩尔浓度作用于含有NR2A 亚单位的NMDA 受体）以及苄哌酚醇类物质（选择性阻断含有NR2B 亚单位的NMDA 受体）[3]
NMDA 受体的激活条件比较特殊，即它的激活需要同时结合两种激动剂，谷氨酸和甘氨酸（或D-丝氨酸）。甘氨酸的结合位点位于NR1或NR3亚单位，而谷氨酸的结合位点位于NR2亚单位[4]。离子型谷氨酸受体的跨膜区TM2和其四聚体结构的存在提示了离子型谷氨酸受体可能与钾通道具有同源性。由于在孔道区的NR2亚单位的氨基酸序列在进化上高度保守，因此不同NR2亚单位的NMDA 受体具有相似的通透特性（单通道电导、离子选择性等）和对通道阻断剂Mg 2+的亲和力。相比之下，含有NR3亚单位的NMDA 受体具有更低的单通道电导以及钙离子通透性和镁离子阻断特性，并且其
孔道与其他亚单位有明显的不同，最突出的不同是在Q/R/N 位点，这些位点的氨基酸序列在NR1亚单位
是天冬氨酸－丝氨酸；在NR2亚单位是天冬氨酸－天冬氨酸；而在NR3亚单位为甘氨酸－精氨酸。由于NR3亚单位上存在大量的带有正电荷的氨基酸残基，这使得含有NR3亚单位的NMDA 受体具有与含有其他亚单位受体不同的通透特性[5]。 2.2 NMDA 受体亚型的药理学研究进展
自Watkins 及其同事发现外源性NMDA 可以激活谷氨酸受体的一个亚类，即NMDA 受体以来，人们一直在寻强效并具选择性的NMDA 受体拮抗剂。在20世纪80年代，发现了NMDA 受体离子通
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道的广谱并具高亲和力的竞争性阻断剂。在20世纪90年代初期，NMDA受体亚单位被克隆出来，随后人们发现，NMDA受体存在多种亚单位，这加快了受体亚单位选择性阻断剂的发现。例如，苄哌酚醇（ifenprodil）可以选择性阻断含有NR2B亚单位的NMDA受体[6]，而纳摩尔级浓度的锌离子可以选择性阻断含有NR2A亚单位的NMDA受体[7]。但是，到目前为止，用于区分NMDA受体亚型的药物仍然非常少，且没有发现高选择性的能分别阻断含有NR2A、NR2C、NR2D和NR3亚单位的NMDA受体亚型拮抗剂。
2.2.1 NMDA受体亚型拮抗剂
最初发现的NMDA受体拮抗剂是一种竞争性拮抗剂，作用于NR2亚单位上的谷氨酸结合位点，此类拮抗
剂是具有一定构象并包含一个ω－磷酸基的氨基酸衍生物，其中之一是（R）-AP5。（R）-AP5与NMDA受体的亲和力远远高于其它离子型谷氨酸受体，因此到目前为止，此药物仍然是应用最广的NMDA受体拮抗剂。这类化合物也具有一定的亚型选择性，对不同亚型的亲和力排序为NR2A > NR2B > NR2C > NR2D，但它们与不同亚型亲和力的差异相对较小（小于10倍，表1），因此不能用来区分NMDA受体的亚型。亚型选择物的缺失可能是由于谷氨酸受体的NR2亚单位的氨基酸序列高度保守，尤其是各亚单位上与谷氨酸分子结合的10个氨基酸残基高度保守。然而，有研究应用三维模型的方法（three-dimensional models），揭示了不同NR2亚单位的激动剂结合位点边缘存在着几个不同的氨基酸残基。这就提示仅仅作用于谷氨酸结合位点的小分子化合物不可能具有对不同NR2亚单位的强效选择性，如分子量较小的化合物PMPA和(R)-AP5；而大分子化合物拮抗剂就可以通过空间效应展示较强的NR2亚单位选择性，如(R)-CPP和(R)-AP7，它们对NR2A的阻断作用远大于对NR2D （表1）[8]。Novartis公司研制的化合物NVP- AAM077是具有较强选择性的另一种竞争性拮抗剂，它选择性阻滞NR2A亚单位。最初的研究报道，该物质对NR2A亚单位的选择性较对NR2B亚单位强100倍[9]；但之后的研究表明，其对两种亚单位选择性的差异仅为10倍左右[10]。另外，此物质也是含有NR2C和NR2D亚单位的NMDA受体的强效拮抗剂[11]。总之，近年来对于NMDA受体亚型竞争性拮抗剂的研究与开发已取得一定进展（见表1）。除以上所述开发和研制出作用于谷氨酸结合位点的拮抗剂外，也已发现多种作用于甘氨酸结合位点的竞争性拮抗剂，但它们很少表现出明显的亚型选择性。这主要因为此类药物均作用于NR1亚单位的甘氨酸结合位点，而NR1亚单位组成NMDA受体所必需的。最近，含有GluR5亚单
位的海人藻酸受体的高选择性拮抗剂的发现[12]，将大大加快开发与研制出更具选择性的NMDA受体及其亚型拮抗剂的步伐，因为该受体具有与其他离子型谷氨酸受体相似的高保守性序列。
表1  NMDA受体竞争性拮抗剂的亚型选择性[3]
K i(μM)a
Agents Bingding
site
NR1/NR2A
NR1/NR2B NR1/NR2C NR1/NR2D Selectivity
Limitations (R)-AP5 NR2
ABD 0.3 0.5 1.6 3.7
2A≈2B>2C≈2D
(R)-AP7 NR2
ABD 0.5 4.0 6.0 17
2A>2B≈2C>2D
PMPA NR2
ABD
0.8 2.7 3.5 4.2
2A>2B≈2C≈2D
(R)-CPP NR2
ABD 0.04 0.3 0.6 2.0
2A>2B≈2C>2D
NVP-AAM077 NR2
ABD 0.006 0.06 0.01 0.04 2A≈2C>2B≈2D Poor
selectivity PPDA NR2
ABD
0.6 0.3 0.1 0.1
2D≈2C>2B≈2A (≤10-fold)
7-CKA NR1
ABD
0.6 0.2 0.1 0.6
2C≈2B>2A≈2D
5,7-DCKA NR1
ABD 0.03 0.05 0.2 0.09
2A≈2B≈2D>2C
CGP61594 NR1
ABD 0.4 0.04 0.2 0.3 2B>2A≈2C≈2D
a K values determined from the inhibition of NMDAR currents recorded in Xenopus oocytes.
2.2.2 NMDA受体通道阻断剂
多种有机化合物通过阻滞受体的离子通道发挥了拮抗NMDA受体功能的作用，这些化合物属于NMDA受体的非竞争性拮抗剂，其效应的产生往往需要NMDA受体提前被激活[13]。另外，这些化合物尽管结构不同，但它们均带有正电荷，因而其通
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道阻滞效应具有电压依赖性的特点，且不能区分NMDA受体的不同亚型，例如麻醉剂苯环己（PCP）和以及临床上应用的美金刚和金刚烷胺（表2）。而高选择性NMDA受体阻断剂dizolcipine（MK-801），对含有NR1/NR2A和NR1/ NR2B亚单位的NMDA受体的阻滞作用强于含有NR1/NR2C和NR1/NR2D亚单位的NMDA受体，但其亲和力的差异也相对较小，约为10倍（表2）。此外，多胺类衍生物也具有类似的受体通道阻滞作用，如蜘蛛毒argiotoxin-636和N1－丹酰（基）－精胺。这些通道阻断剂对含有NR1/NR2A或NR1/ NR2B亚单位的NMDA受体有更强的阻滞作用，较对含有
NR1/NR2C或NR1/NR2D亚单位的NMDA 受体的阻滞作用强50倍之多[14, 15]。由于目前发现的通道阻断剂对含有NR2A或NR2B亚单位的NMDA 受体具有选择性阻断作用，因此也是一类非常重要的NMDA受体阻断剂。然而到目前为止，这些选择性通道阻断剂的结构决定簇尚未被确定[14,16]。
表2 NMDA受体通道阻断剂的亚型选择性[3]。
IC50(μM)at –60 or –70 mV a
Agents NR1/NR2A
NR1/NR2B
NR1/NR2C NR1/NR2D Selectivity
Limitations
IC50 values determined from the inhibition of NMDAR currents recorded in Xenopus oocytes.
2.2.3 NMDA受体的N末端拮抗剂
到目前为止，已知的具有与NMDA受体亚型高度选择性结合的有机化合物是苄哌酚醇（ifenprodil）及其衍生物。此类物质对含有NR2B亚单位的NMDA受体具有很强的阻断作用。由于此类物质具有重要的临床应用前景，因此在过去的10年内，相继发现了一些比苄哌酚醇更具亲和力及选择性的药物（表3）[17]。然而，由于这类分子的结合部位既不在激动剂结合区也不在离子通道内部，而是在NMDA受体NR2B亚单位的N末端区域，因此这些药物的阻滞作用是非电压依赖性及非竞争性的[18]。另外，由于所有NMDA受体均有一个N末端LIVBP （亮氨酸，异亮氨酸，氨酸结合蛋白）样区域，因此认为亚型选择性拮抗剂作用于LIVBP样区域以外的区域，从而成为亚单位的变构抑制剂，如锌离子。由于锌离子聚集于谷氨酸能突触的囊泡内，因此它
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可能是一个内源性NMDA受体的变构调质。锌离子可以以纳摩尔的浓度结合于含有NR2A亚单位的NMDA受体的N末端[19]，也可以结合于含有NR2B 亚单位的NMDA受体N末端，但与后者的亲和力低于与前者约100倍，并且不能结合于含有NR2C 和NR2D亚单位的NMDA受体的N末端[20]。但是，这种变构抑制剂通过作用于NMDA受体的N末端来选择性消除某一亚型的作用是非常局限的；它们不能完全阻断受体的效应（即使在饱和浓度下也不能完全阻断），仅是一种部分抑制剂。此现象在锌离子作用于含有NR1/NR2A亚单位的NMDA受体时尤其明显，它的最大抑制率约为70％。苄哌酚醇及其衍生物，对含有NR1/NR2B亚单位的NMDA 受体的抑制作用最大为90％[7]。由于少量或部分的NMDA受体被激活对某
些脑功能是必须的，因此这种不完全性阻断剂的药理学特性在临床药物选择中也具有一定的优势。
2.2.4 NMDA受体潜在递质结合位点
除以上所述的结合位点外，神经递质等活性物质还可能作用于另外一些位点来调节NMDA受体的活动，这些位点包括NR1的N末端（图1，位点2）以及激动剂结合区二聚体的表面（图1，位点3）。在AMPA受体，此部位可以结合带正电的变构调质，如环噻嗪和茴拉西坦[21]。这些物质分别通过稳定激动剂结合区的界面和阻断激动剂结合区的变构来减少AMPA受体的脱敏及通道的失活。由于NMDA 受体和AMPA受体激动剂结合区的结构具有很强的保守性，因此NMDA受体二聚体的激动剂结合区界面也可能存在一个变构调节位点。另外，由于NMDA受体很少显示脱敏特性，因此在失活动力学过程中，筛选方式的改变可用于鉴定NMDA受体激动剂结合区的二聚体界面的变构调质（allosteric modulators）。另外一个可能调节NMDA受体功能的位点可能存在于激动剂结合区及跨膜片段之间（图1，位点4）。在AMPA受体，这个区域存在着GYKI类（非竞争性的AMPA受体拮抗剂）拮抗剂，此类拮抗剂为AMPA受体选择性的非竞争性拮抗剂，因此有必要探索是否有作用于NMDA受体该同源区域的类似拮抗剂[22]。
2.3三异聚体NMDA受体的药理学特性
前面讲述的NMDA受体是指由NR1/NR2两种亚单位组成的异四聚体，它在哺乳CNS内分布最广。这种NMDA受体的组成除NR1外，NR2亚单位既可以仅有一种，也可以有两种。由两种NR2亚单位与NR1亚
单位组成的NMDA受体，分布于脑内的多个区域，如存在于前脑的NR1/NR2A/NR2B 组合方式及存在于小脑的NR1/NR2A/NR2C组合方式。然而，直到最近，Hatton和Paoletti联合应用基因突变和药理学方法的研究表明[23]，含有NR1/ NR2A/NR2B的NMDA受体仍然保持其对纳摩尔锌离子浓度以及苄哌酚醇敏感的特性，但是其最大抑制效率仅为20％；而含有NR1/NR2A/NR2C亚单位的NMDA受体依然可以被锌离子部分阻断[23]。此三亚基聚合体对具有亚型选择性的调质中等敏感，因此，以目前所知的药理学工具是不可能完全阻断含有NR2A或NR2B亚单位的NMDA受体，如锌离子和苄哌酚醇。此限制使得人们很难区分NMDA 受体功能与单个亚型之间功能的关系，目前仍然不清楚是否能够发现区分二亚基和三亚基受体的拮抗剂。在体实验表明，NR3亚单位可以与NR1和NR2亚单位结合形成NR1/NR2/NR3的三（种）亚基复合体，对此类三亚基复合体的功能特性的研究更为困难。
2.4 NMDA受体是某些神经系统疾病的靶点
由于NMDA受体与许多脑功能紊乱性疾病有关，因此NMDA受体已经成为许多疾病的靶点[24]。首先，NMDA受体在兴奋毒过程中具有重要作用，此过程是由于谷氨酸过量释放引起NMDA受体被过度激活，细胞内钙离子聚集，最终导致神经元死亡。脑缺血（如中风或脑外伤）、神经退行性疾病（如帕金森病和亨廷顿病）以及癫痫等，均可以使得突触前谷氨酸大量释放，引起兴奋毒的产生。上世纪80年代和90年代发现的NMDA受体拮抗剂，理论上均可以用来这些疾病，但由于其无法接受的副作用（如幻觉、记忆和运动缺失）而不能应用于临床。通过提高拮抗剂对不同亚单位的选择性可以大大降低其副
作用，因此，以NMDA受体不同亚单位作为靶点的拮抗剂是目前研究与开发的重要目标。
2.4.1 NR2B亚单位为靶点
如前所述，第一代NMDA受体拮抗剂由于其严重的副作用不能应用于临床，人们致力于发现选择性作用于NMDA受体亚型的拮抗剂。目前已发现的低副作用的NMDA受体拮抗剂是苄哌酚醇的衍生物，它们作用于含有NR2B亚单位的NMDA受体N 末端。在实验动物模型上已证实，NR2B选择性拮

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