JACS | 白晨团队通过计算模拟揭示神经系统中重要氯离子通道蛋白glycine receptor激活机制
2024年9月，晨伫科技白晨团队在JACS杂志在线发表了题为 “Exploring the Activation Process of the Glycine Receptor”的研究论文。这项研究不仅帮助我们深入理解可用于缓解慢性疼痛的潜在治疗靶点glycine receptor（GlyR）的激活机制，预测并验证了重要突变位点，也为开发更有效的治疗方案开辟了新途径。
简介
GlyR属于五聚体配体门控离子通道家族，是一种位于中枢神经系统中重要的氯离子通道型蛋白，通过甘氨酸传导神经信号。GlyR功能异常会导致癫痫、慢性疼痛和过度惊骇等疾病。
研究表明GlyR可以抑制脊髓背角中的疼痛信号，有望作为新靶点治疗慢性疼痛，解决当前镇痛药(如阿片类药物)效果有限且成瘾性高的缺点。然而，由于GlyR的激活过程十分复杂，目前对其激活机制的了解尚显不足，这在很大程度上限制了我们对其功能认知和药物设计的进展。
在这项工作中，研究团队利用计算生物学模型，研究不同激动剂结合数量对GlyR激活和脱敏行为的影响，并从能量上探究侧面路径作为氯离子主要传导路径的原因。
图1.不同甘氨酸结合模式对GlyR激活和脱敏行为的影响。（a）7种甘氨酸分子结合模式。（b）蛋白质构象能耦合不同结合模式下甘氨酸结合能的能量变化。（c）不同甘氨酸结合模式导致的∆G变化。∆G1：激活能垒，∆G2：脱敏能垒，∆G3：闭合状态与脱敏状态的能量差。
通过分子层面的模拟和能量分析，研究团队揭示了增加分子结合数量有助于GlyR激活和抑制GlyR脱敏，并且解释了为何增加甘氨酸浓度使脱敏状态成为主要状态。
图2.氯离子通过侧面和顶端路径传导的能量差异。（a）顶端和侧面路径在GlyR上的分布。（b）顶端和侧面路径的通道孔径尺寸变化。（c）和（d）氯离子在顶端和侧面路径上传导的自由能景图。（e）和（f）图（c），(d)中对应的最小能量路径的自由能曲线。
为了探究顶端和侧面路径传导氯离子的能量差异，研究团队构建了离子通过侧面和顶端路径传导的自由能景图，发现氯离子在侧面路径传导时能垒更低，之后的静电势能面分析表明静电环境起重要作用。
图3.对GlyR位于甘氨酸结合位点、氯离子传导路径和关键loop区域上的残基进行突变效应分析。
随后，研究团队还对GlyR位于甘氨酸结合位点、氯离子传导路径和关键loop区域上的残基进行突变效应分析，这有助于识别影响GlyR激活过程的关键残基，并为未来的突变效应研究提供了方向。
图4.电生理验证实验。
图5.电生理实验的电流密度与计算结果的能垒的比较。
研发团队结合电生理实验验证了计算的预测，研究表明，对所有可被甘氨酸激活的突变体，突变方向的预测完全准确。
最后，计算结果与实验结果还呈现了很好的负相关性（皮尔逊相关系数为-0.77）。
总而言之，这项研究不仅在理论上扩展了我们对GlyR激活机理的认识，而且在实际应用上，为GlyR药物的设计和开发提供了宝贵的信息和启发。
随着对GlyR激活机制的深入了解，我们有理由相信，未来将有更多针对中枢神经系统疾病的创新疗法问世，为患者带来新的希望。
香港中文大学（深圳）、浙江大学、晨伫生物科技和中国科学院分子细胞科学卓越创新中心是本论文的共同合作单位。
感兴趣的读者可阅读研究论文原文：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c08489#
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