白晨课题组JACS：利用计算模拟揭示离子通道蛋白甘氨酸受体激活机制

甘氨酸受体（glycine receptor, 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当前对其功能认知和药物设计的进展。

近期，白晨课题组利用计算模拟揭示了GlyR由于不同数量甘氨酸分子结合导致不同激活/脱敏行为的机理，探究氯离子胞外传导通道选择性的原因，预测并成功验证了重要突变位点。该研究不仅帮助深入理解可用于缓解慢性疼痛的潜在治疗靶点GlyR的激活机制，为GlyR相关疾病预测和诊断打下基础，也为开发更有效的治疗方案开辟了新途径。

图1. 不同甘氨酸结合模式对GlyR激活和脱敏行为的影响。

图2. 氯离子通过侧面和顶端路径传导的能量差异。

研究结果表明，随着甘氨酸结合数量的增加，激活能垒（∆G₁）降低，脱敏能垒（∆G₂）增加，且脱敏状态的能量逐渐低于关闭状态的能垒（∆G₃减小）。这些能垒的变化解释了为何增加甘氨酸浓度会增加GlyR激活时间且有利于GlyR稳定在脱敏状态而非关闭状态。此外，研究团队对侧边通道作为氯离子胞外主要传导路径的原因进行探究，他们通过构建氯离子在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，并结合静电势能面分析表明静电环境在此过程中起重要作用。

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。

基于以上GlyR激活机理的研究，白晨课题组对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，再利用生理实验验证计算的预测。电生理实验结果表明，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，且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），这证明了计算突变效应的可靠性。预测的新突变将有利于相关疾病的预防和诊断，与此同时，该研究提供了一种计算突变效应的新方法，可通过计算突变对激活过程最大能垒的影响来预测蛋白质突变效应，这将大幅减小突变实验的成本。该研究不仅在理论上扩展了对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，有助于未来针对中枢神经系统疾病的药物开发。

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。

这一成果得到了编辑和专家的一致认可，并发表于Journal of the American Chemical Society 期刊，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。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Exploring the Activation Process of the Glycine Receptor

Junfang Yan, Luonan Chen*, Arieh Warshel*, Chen Bai*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 26297–26312, DOI: 10.1021/jacs.4c08489