2025年2月25日，《Neuron》期刊在线发表了题为《镁离子对NMDA受体多重调控机制的结构基础》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）竺淑佳团队完成。N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体作为突触可塑性的关键分子，其功能受镁离子（Mg²⁺）的电压依赖性阻断与电压非依赖的变构调控，但具体分子机制长期未明。研究团队系统揭示了Mg²⁺在NMDA受体中的多重作用机制，发现存在三个独立的Mg²⁺结合位点：位点Ⅰ位于选择性过滤器上——由天冬酰胺形成的环形结构，通过配位键与Mg²⁺结合，负责经典的电压依赖性阻断功能。位点Ⅱ和Ⅲ则位于GluN2B亚基的N端结构域（NTD），分别介导Mg²⁺的变构增强与抑制作用。该工作揭示了镁离子在NMDA受体中的多重调控机制，诠释了Mg²⁺阻断和Ca²⁺通透的差异性分子机制，为理解NMDA受体在兴奋性突触传递中的功能及其在突触可塑性中的作用提供了新的视角。

Mg²⁺是神经系统中一种重要的二价阳离子，广泛参与神经发育、突触可塑性以及体内稳态的维持，其胞外浓度约为1 mM。Mg²⁺最为人熟知的功能之一是作为NMDA受体的电压依赖性阻断剂。20世纪80年代初， 多伦多大学Macdonald等人发现NMDA受体的激活不仅依赖于配体（谷氨酸）结合，还表现出“不同寻常”的电压依赖性门控特性——这一现象在离子型谷氨酸受体家族中为NMDA受体所独有（图1A-B）。随后，法国Nowak和Acher、美国Mayer和Westbrook等人揭示了这一现象背后的机制：Mg²⁺对NMDA受体具有电压依赖性阻断作用（图1C）。在静息膜电位下，Mg²⁺会结合NMDA受体并阻断其电流；当膜电位去极化时，这种阻断作用会被解除。这种双信号协同调控机制，使NMDA受体能够作为突触可塑性的“coincidence detector”，在突触前神经递质释放与突触后去极化同步发生时才被激活，进而触发Ca²⁺依赖的胞内信号级联反应。这一特性奠定了NMDA受体在学习记忆、长时程增强及神经发育中的核心地位。

然而，由于Mg²⁺离子半径小，冷冻电镜的分辨率不足以清晰捕捉其结合位点。Mg²⁺在NMDA受体中的具体结合位点及其调控机制，以及Mg²⁺阻断而Ca²⁺通透的结构基础，一直未得到全面解析。研究团队首先利用双电极电压钳技术记录表达在爪蟾卵母细胞上的NMDA受体并记录电流-电压特性曲线。在负电压下Mg²⁺对GluN1-N2A和GluN1-N2B两种NMDA受体亚型的阻断作用具有相似的亲和力。然而，在正电压下，Mg²⁺仅对GluN1-N2B受体的外向电流表现出显著性的增强作用（图1D）。这一结果与90年代中期Wang和Paoletti等人在培养的神经元和脑片电生理记录中观察到的现象一致，即在去极化膜电位下，Mg²⁺显著增强了NMDA受体介导的外向电流。

图1. NMDA受体在突触传递中的功能与镁离子作用机制。A) 谷氨酸能突触传递的示意图。B) AMPA和NMDA受体介导的EPSC成分（摘自Hansen et al., 2018）。C) 谷氨酸激活受体的I-V curve（摘自Nowak et al., 1984）。D)电压依赖性Mg²⁺对GluN1-N2A和GluN1-N2B亚型的不同作用。

为了进一步明确Mg²⁺调控GluN1-N2B的结构机制，研究团队纯化了人源的GluN1-N2B受体蛋白，并分别解析了在Mg²⁺或在二价离子螯合剂EDTA存在下的高分辨率三维结构。通过结构比较、点突变和电生理功能验证，研究团队鉴定出三个不同的Mg²⁺结合位点（图2A）。具体而言，位点I位于GluN1-N2B受体的选择性过滤器处，天冬酰胺环的侧链与Mg²⁺形成配位键，介导了电压依赖性阻断效应。位点II和位点III位于GluN2B亚基的N端结构域上的不同口袋。其中，位点II由三个酸性残基组成，当这些残基同时突变时，GluN2B特异性Mg²⁺增强作用完全消失；而位点III与Zn²⁺结合口袋重叠，该位点的突变进一步提高了Mg²⁺的增强作用，证明该位点参与了变构抑制作用（图2B）。

图2. Mg²⁺调控NMDA受体门控的分子机制。A）Mg²⁺结合的人源GluN1-GluN2B受体三维结构。B) Mg²⁺不同作用位点的功能验证。在负电压下，位点I点突变显著减弱Mg²⁺的电压依赖性阻断效应。在正电压下，位点II位点突变消除了GluN2B特异性的Mg²⁺增强效应；位点III位点突变进一步提高Mg²⁺增强作用。

此外，研究团队通过分子动力学模拟揭示了Mg²⁺和Ca²⁺与NMDA受体残基相互作用的差异。在三次独立的模拟中，Mg²⁺始终与天冬酰胺残基形成稳定的相互作用，而Ca²⁺由于范德华力半径更大，主要与水分子形成配位键。这种差异导致Ca²⁺无法像Mg²⁺一样在天冬酰胺环形成的空间内紧密结合，从而为NMDA受体中对Mg²⁺阻断和Ca²⁺通透的选择性差异提供了新的认识。综上所述，研究团队通过整合单颗粒冷冻电镜、电压钳记录和分子动力学模拟等技术，揭示了Mg²⁺在NMDA受体中的多样化调控机制，阐明了GluN1-N2B受体通道对胞外Mg²⁺浓度的复杂响应特性(图3)。这一研究不仅深化了对Mg²⁺在NMDA受体中作用的理解，还为揭示其在突触可塑性中的关键调控机制提供了全方位的见解。

图3. Mg²⁺作用于GluN1-N2B受体的示意图。位点Ⅰ位于TMD区域内选择性滤器的顶端，在静息膜电位下通道被Mg²⁺阻断。这种阻断在膜去极化时得到解除，从而允许Ca²⁺流入神经元。位点Ⅱ和位点Ⅲ分别位于GluN2B-NTD的两侧，位点Ⅱ参与GluN2B-NTD驱动的变构增强，而位点Ⅲ参与变构抑制作用。

中国科学院脑智卓越中心和福建医科大学陈万金教授联合培养的博士生黄雪晶、中国科学院脑智卓越中心博士生孙小乐和深势科技王沁蕊为该论文共同第一作者。脑智卓越中心的张继林博士参与课题的初期设计，深势科技的温翰博士参与了分子动力学模拟工作。该工作获得了国家科技创新2030计划、国家自然科学基金、上海分院青攀人才计划和中国科学院青年交叉团队等项目资助。