促离子谷氨酸受体
16.1 简介
大脑中每十个突触中就有九个是兴奋性的 (Braitenberg 和 Schuz, 1998)。位于这些突触中的谷氨酸受体离子通道 (iGluR) 是大脑快速信号传导的基石。它们将突触末端释放的谷氨酸转化为宿主神经元的去极化。某些 iGluR 参与活动依赖性可塑性，被认为是学习和记忆的基础。 iGluRs 遍布整个神经系统，表明谷氨酸能系统与多种神经和发育障碍有关。
16.2 亚基多样性；基因/旁系同源物/直系同源物/亚型；选择性剪接；进化关系
神经元对兴奋性氨基酸及其衍生物的不同反应表明，大脑中应该存在这些物质的多种受体 。这一假设得到了分子克隆的证实 ，该克隆描绘了 iGluRs 的 AMPA、NMDA、KA和 delta 亚型。一个独立的代谢型谷氨酸受体家族通过第二信使作用于下游靶标。受体离子通道一直保留到蠕虫，谷氨酸受体样基因存在于细菌、植物和藻类中。哺乳动物有 18 种 iGluR 基因。有些基因可以形成功能性同源通道，但在体内，谷氨酸受体主要是异源复合物。每个亚家族的受体不会混合。AMPA 受体以其半选择性激动剂 alpha -amin o-3-h ydrox y-5-methylisoxazole-4-proprionic-acid 命名，由 GluA1-4 的亚基形成（基因名为 GRIA1-4）。N-甲基-D-天冬氨酸 (NMDA) 受体是专性异四聚体，由 GluN1 (GRIN1) 和 GluN2A-D (GRIN2A-D) 或 GluN3A-B (GRIN3A-B) 亚基中的任何选择形成。海人酸受体亚基
GluK1–3 可以形成通道，但在大脑中通常伴有 GluK4 或 GluK5
亚基（GRIK1–5）。除了作为离子通道的稀疏表达外，GluD1 和
GluD2（GRID1,2）亚基还充当突触形成的支架。
在昆虫中，谷氨酸受体模板用途广泛。iGluR 不仅参与中枢突触传递，还参与神经肌肉接头处的传递。
此外，一个约 60 个具有相同域结构的亚基的高度分化家族似乎是嗅觉受体（Benton 等人，2009 年）。这些基因中至少有一些可以产生具有与 AMPA 和 KA 受体类似孔的激动剂激活离子通道
（Abuin 等人，2011 年）。然而，考虑到 delta、
NMDA 和 KA亚型可以在没有离子传输的情况下传递信号（参见第 16.8.3 节），可以想象有些不是通道。
16.2.1 剪接变异和 RNA 编辑
可变剪接在整个 iGluR 超家族中产生多样性（有关全面分析，请参阅 Herbrechter 等人，2021 年）。在 AMPA 受体中，称为触发器的可变剪接盒构成结合域之间活性界面的一部分，从而控制受体动力学和调节。在 NMDA 受体中，GluN1 的第五个外显子
也控制变构调节。在 GluN1 亚基中，胞质结构域由两个可变剪接的外显子组装而成。在这些序列中，C0 和 C1 区段（分别为外显子 21 和 22）包含与钙调蛋白相关的基序，导致对开放概率的强烈明显抑制。海人酸受体的 GluK1c 同工型具有 RXR 基序并保留在 ER 中。GluN3A 和 GluD1 受体具有 C 端剪接变体，但它们的功能意义仍然未知。AMPA 和海人酸受体受到广泛且必要的 RNA 编辑的影响（Herbrechter 等人，2021 年）。在哺乳动物中保守的 RNA 编辑事件中，多达三分之一发生在 iGluR 超家族中。最突出的例子是 GluA2 亚基孔环中的 Q-R 开关，它通过 ADAR2 酶的腺嘌呤到咪啶碱基编辑发生（Rueter 等人，1995 年）。这种编辑在大脑中完成度约为 93%。
GluK1–3 中的同源位点也以相同的方式进行编辑。ADAR2 缺乏编辑会加剧神经退化，这可能是因为所有含 Gln 的 AMPA 受体都允许钙离子不受控制地进入。ADAR2 缺陷会导致活动相关的运动神经元丢失，这可能是导致某些患者出现肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 的原因（Hideyama 等，2010 年）。
16.3 结构/组织
大多数四聚体离子通道通过其细胞内表面的连接由细胞内刺激或电压传感器控制，而 iGluR 则由外部位点控制（图 16.1）。这种倒置拓扑结构将限制离子流的折返环置于通道的细胞内口。细胞外结构域是一对古老的“蛤壳”结合结构域，来自原核生物（Stern-Bach 等，1994 年）。最靠近膜的蛤壳结构域层结合激动剂，由两个不连续的多肽序列形成。这一观察结果促成了一项开创性的工作，即从大鼠 GluA2 中结晶出可溶形式的配体结合域 (LBD)（Armstrong 等人，1998 年），揭示了神经递质结合的化学性质（图 16.2）。随后对氨基末端结构域 (ATD) 的晶体学分析阐明了该结构域指导的亚基特异性组装，以及 NMDA 受体中的变构调节。
全长 iGluR 被证明更难结晶，起初，只有无活性形式的 AMPAR GluA2 可用（Sobolevsky 等人，2009 年）。与所有膜蛋白一样，低温电子显微镜的兴起导致了大量 iGluR 结构，代表了所有四个亚家族的代表（图 16.1C）。异源组合、活性（开放）形式、
与辅助亚基的复合物以及来自啮齿动物原生脑的样本均已在 3-4 Å 分辨率下被揭示。
这些结构包括每个亚基的两个细胞外结构域（ATD 和 LBD）和孔结构域。在许多低温电子显微镜重建中，粒子之间的变异性
意味着细胞外结构域被掩盖。AMPA 和海人酸受体具有
相似的延伸形式（Meyerson 等人，2014 年）。NMDA 受体更紧凑（Karakas
和 Furukawa，2014 年），每个亚基的 ATD 和 LBD 形成几乎连续的结构。delta 亚基具有延伸结构，但不会在层之间交换其二聚体（Burada 等人，2020a、2020b）。所有 iGluR 均从胞外域的双重对称性转变为膜域的近似四重对称性，
尽管异源复合物中亚基的交替排列在受体的整个垂直轴上施加了双重对称性。在大多数结构中，单个氨基末端和配体结合域与其分离的
图 16.1
受体结构。 (A) iGluR 的一级结构，显示从原核生物
GluR0 到哺乳动物 NMDA 受体的复杂性增加。可变剪接的外显子以黄色阴影表示。膜螺旋
片段（M1、M3、M4）和孔环（P 或 M2）为灰色。 S1 和 S2 片段通过 Gly-Thr 连接子在人工分离的配体结合域 (LBD) 构建体（用于晶体学和生物物理学）中连接。ATD，氨基末端结构域；L，GluA2 C 末端的长形式。（B）膜中单个亚基的拓扑结构（橙色带）。颜色与面板 A 相同，省略了交替外显子。D1 和 D2 分别是 LBD 的上叶和下叶。谷氨酸（标明 α 和 γ 羧基的方向）为黄色。（C）AMPA、NMDA 和海人酸异源受体结构和来自低温电子显微镜的 GluD1 同源物。海马中的 AMPA 受体与辅助蛋白 γ-8（黄色）和 CNIH2（粉色）复合。 ATD、LBD 和 AMPA、NMDA 和 KAR 通道层中四个亚基之间的共同界面以红色和青色方块表示，GluD1 的独特域结构如下所示，以珊瑚色和棕色表示。蛋白质数据库登录号如下：AMPAR，7LDD；KAR，7KS0；
NMDAR，6WHT；Delta，7KSP。
同事并形成相似的界面。这些相似性增强了对孤立域进行生物物理研究以了解全长受体的价值。
细胞内结构域仍未解决；它们基本上是非结构化的。
AMPA、KA和 delta 亚型缺乏广泛的细胞内 C 末端，但 NMDA
受体具有大量细胞内结构域，包括钙调素结合位点。该细胞内区域显示出 NMDAR 亚型之间最大的差异。
图 16.2
谷氨酸结合域。（A）谷氨酸（黄色）结合 GluA2 的 LBD，上叶（紫色）和下叶（绿色）。LBD 的表面显示为灰色。GT 连接位点显示为黑色球体。（B）叶间结合腔中谷氨酸的特写视图。距离以埃为单位。水分子显示为红色球体。虚线表示普遍保守的精氨酸（A2 中的 485）与结合谷氨酸的 α 羧酸盐之间的氢键和盐桥。（C）原核生物（GluR0）、植物（AvGluR）和哺乳动物 LBD（A2、K2、D2、N）的 LBD 的顶视图（上排）和侧视图（下排）2) 环区（环 1 和环 2）随着进化距离的增加而变得越来越分支。所有 LBD 都与谷氨酸结合，除了 GluD2 不与谷氨酸结合，并以 D-丝氨酸结合配置显示。蛋白质数据库登录号如下：GluA2，1FTJ；GluR0，1LL5；GluN2，2A5S；GluD2，2V3U；GluK2，3G3F；
AvGluR，4I02。（D）图 C 中显示的六个 LBD 的叠加揭示了从细菌到哺乳动物受体的 LBD 几何形状的显著保守性。
细菌直系同源物概述了门控所需的受体核心。它们缺乏氨基末端结构域和最终跨膜结构域，因此具有细胞外 C 末端。
16.4 生理作用；表达模式
脑中 AMPA 受体的主要形式包含 GluA1 和 GluA2 亚基。还存在由 GluA1、GluA2 和 GluA3 组成的三异聚体形式 (Zhao 等，2019)。除了 GluA1 同聚体可能在可塑性过程中短暂到达膜 (Sanderson 等，2016) 外，GluA3 可能与 GluA1 结合形成钙通透性 AMPAR，至少在没有 GluA2 的情况下 (Sans 等，2003)。然而，由于历史上缺乏 GluA2 和 GluA3 之间的选择性抗体，因此很难对 GluA3 做出明确的陈述。 GluA4 是一种“快速”AMPA 亚基，在小脑中强烈表达，在听觉开始后出现在听觉神经元中（Taschenberger 和 von Gersdorff，2000 年）。它也在中间神经元、一些海马主细胞、伯格曼神经胶质细胞和星形胶质细胞中强烈表达。
海人酸受体亚基分布有些稀疏。GluK1 mRNA 存在于各种细胞核、海马和皮质中。GluK2 是从小脑克隆出来的，并在颗粒细胞层中表达（Egebjerg 等人，1991 年）。它也存在于海马中。 GluK5 亚基仅与 GluK1–3 形成异源受体，
在脑中广泛表达 (Herb 等人，1992)，令人惊讶的是，检测到的海人酸受体电流范围有限。另一方面，GluK4 似乎仅存在于海马的 CA3 区域 (Werner 等人，1991)。
虽然 GluN1 亚基在整个脑中表达，但四个 GluN2 亚基
显示出不同的空间和发育特征。GluN2B 和 GluN2D 亚基在胚胎阶段存在，而 GluN2A 和 GluN2C 出现较晚，后者在小脑中具有非常强的表达。N3A 的抗体染色显示出与 N1、N2A 和 N2B 大致相似的分布 (Wong 等人，2002)。已证明很难获得包含 GluN3 亚基的功能性受体的证据，但据报道，在幼年海马 (Grand 等人，2018 年) 和缰核 (Otsu 等人，2019 年) 中存在由 GluN1 和 GluN3 亚基形成的“兴奋性甘氨酸受体”。
GluD1 转录本在发育过程中达到峰值，并在成人大脑中广泛表达，据报道，由中脑多巴胺神经元 (Benamer 等人，2018 年) 和背缝 (Gantz 等人，2020 年) 的代谢型受体激活介导的敲除控制功能反应。 Delta 2 在小脑的浦肯野细胞中有很强的表达，它在平行纤维突触形成中起着关键作用，并且还可以产生缓慢的 mGluR 触发反应 (Ady 等人，2014)。
16.4.1 基础突触传递
谷氨酸受体参与突触电流，持续时间从毫秒到秒 (Logan 等人，2007；Silver 等人，1992)，有效的神经计算可能取决于这个动态范围。经典的兴奋性电流具有快速的 AMPAR 电流和较慢的 NMDAR 反应 (Hestrin 等人，1990)。在重复刺激下，大多数 AMPA 和海人酸受体会大大脱敏，但某些形式可以维持缓慢的累积反应 (图 16.3)。研究得最好的例子是苔藓纤维末端的慢速海人酸受体反应 (Castillo 等人，1997)。在亚细胞水平上，慢动力学的 AMPA 受体的镶嵌表达具有平坦的分布，并不是对电紧张距离的简单补偿 (Pampaloni 等人，2021)。NMDA 受体对激动剂的更高亲和力可能支持对谷氨酸溢出的更大反应。NMDA 尖峰和再生事件发生在基底树突中 (Nevian 等人，2007)。有证据表明，由不同亚基形成的 NMDA 受体在突触和突触周围部位存在功能分离。然而，大多数功能数据涉及的拮抗剂并不是特别有选择性的（例如 NVP-AAM077；Liu 等人，2004 年）。鉴于海马突触中具有不同特性的三异质 NMDA 受体丰富（Tovar 等人，2013 年），这些数据应谨慎解读。
细胞在 0.1 Hz 至 1000 Hz 范围内出现峰值，在这种情况下，iGluR 家族中生物物理特性的调整允许树突计算 (Branco 等人，2010) 和
亚型之间的相互作用 (Geiger 等人，1995)。随着发育，信号传导的增强与 AMPA 受体 (Joshi 等人，2004) 和 NMDA 受体亚基组成的变化有关，其中 GluN2A 亚基取代了 GluN2B (Flint 等人，1997)。
图 16.3
受体激活动力学。 (A) 左：AMPA 受体门控图。在静息状态 (橙色) 下，
孔关闭，LBD 空置。谷氨酸的结合独立激活每个亚基 (绿色)。
亚电导水平 (灰色) 发生在部分结合受体 (开口向下，g：单通道电导)。完全结合状态具有最大开放的孔 (绿色)。随着更多谷氨酸结合（箭头粗细表示假设的转换率），脱敏（红色）更加稳定。右图：NMDA 受体的类似方案，它们经过几个中间状态，只有在完全被谷氨酸和甘氨酸结合后才会打开。NMDA 受体不会强烈脱敏。（B）突触激活和经典的双组分兴奋性突触后电流 (EPSC)。电导变化 (G) 的快速 (AMPA) 和慢速 (NMDA) 成分以虚线显示。一个囊泡 (灰色) 引起的谷氨酸瞬变约为 1 mM，持续 1 毫秒。（C）在重复刺激的情况下，经典的快速 AMPA 和海人酸受体 (KAR) 反应（青色）遵循快速谷氨酸瞬变。超家族的所有成员也能产生缓慢积累的电流（虚线），持续时间长达数百毫秒，但这些电流的表达更具选择性。慢电流赋予其宿主突触特殊属性，包括短期增强和平台电位，并允许它们引发神经元尖峰和长期可塑性。
16.4.2 囊泡释放的控制
虽然 iGluR 最常与突触后膜相关，但“自身受体”的突触前定位，无论是在突触前末端、轴突本身还是在突触前神经元的体细胞位点，都会影响突触功能。
使用基因敲除小鼠和精确的拮抗剂（如针对海因酸受体的 ACET），在某些突触前末端已鉴定出 NMDA 和海因酸受体。 NMDA 受体被认为可以与小脑细胞内钙库协同增强 GABA 释放，但缺乏钙流入篮状细胞轴突的证据，而篮状细胞轴突应该是此类 NMDA 受体所在的位置。增强释放所需的钙可能来自由躯体树突 NMDA 受体去极化的被动扩散激活的钙通道。通过 iGluRs 进入的钙也可以直接触发神经递质释放。在视网膜的相互突触中，谷氨酸释放会引发 GABAergic 反馈抑制，具有不同的时间过程。NMDA 受体产生缓慢的反馈，而钙渗透性 AMPA 受体提供更快的抑制（Chávez 等人，2006 年）。 16.4.3 突触形成
最初观察到的“静默突触”缺乏 AMPA 受体，激发了人们这样的想法：谷氨酸受体是突触成熟的核心 (Isaac 等人，1995)。突触形成中的作用集中在 ATD 与跨突触信号系统的相互作用上。浦肯野细胞 GluD2 与小脑颗粒细胞分泌的蛋白质 Cbln1 的相互作用对于成熟突触的形成至关重要 (Ito-Ishida 等人，2012)。突触前膜中的 Neurexins 与海马突触处分泌的 Clbn2 和突触后 GluD1 形成跨突触粘附复合物，从而调节 AMPA 和 NMDA 受体的积累。对于 GluA4，与 Pentraxins 的相互作用促进了突触形成 (Sia 等人，2007)。令人惊讶的是，Cbln 和 pentraxin 的外源性组合可广泛挽救整个神经系统中失败的突触传递 (Suzuki 等人，2020)。
16.4.4 突触可塑性：LTP 和 LTD
谷氨酸能突触的可塑性被广泛认为对于学习和记忆相关行为至关重要。这一体系的基石包括海马某些通路中长期增强 (LTP) 的绝对 NMDA 受体依赖性 (Collingridge 等人，1983) 和 NMDA 受体拮抗剂 APV 对某些学习形式的相对轻微的损害 (Morris，1989)。一个有吸引力的假设是，NMDAR 是 Hebb 检测记忆中同步活动原理的分子体现（Hebb，1949 年），该假设依赖于活动依赖性镁阻滞释放和随之而来的局部钙选择性内流（MacDermott 等人，1986 年）。反过来，AMPA 受体应该在突触处聚集。矛盾的是，许多研究（例如，使用荧光成像）测量的受体数量增加（例如，在 LTP 之后）似乎太小，无法完全解释 t 的两倍或三倍群体反应幅度（见下文）。由重复谷氨酸释放引起的“结构可塑性”这一总体概念为受体参与 LTP 和 LTD（长期抑郁）提供了间接途径。由此产生的树突棘大小或形状的改变在一定程度上与突触电位的大小相关。一些首批区域特异性敲除小鼠（其目的是从海马中删除 GluN1）表现出记忆缺陷，这进一步强调了 NMDAR-海马-LTP-空间记忆连接（Tsien 等人，1996 年）。不幸的是，这些小鼠中的 Cre 表达并不局限于海马，而是扩展到老年小鼠的皮层，并且可能导致皮层中 NMDA 受体的完全丧失。 Cre-CA3 小鼠（使用 CaMKII 启动子）在空间记忆存储方面没有缺陷
（Bannerman 等人，2012 年），但在处理空间信息方面确实存在问题。
激酶 CaMKII 和 PKC 是诱导 LTP 所必需的，可能也是其维持所必需的（Tao 等人，2021 年）。CaMKII 在单个树突棘水平上被激活
（Lee 等人，2009 年），通过与 NMDA 受体结合，并保持活性数分钟。
NMDA 受体对 CaMKII 的特异性激活似乎足以稳定新近形成的树突棘（Hill 和 Zito，2013 年）——一种微观解剖水平上的赫布可塑性。小脑中的 LTD 需要 GluA2 亚基和 PKC 对该亚基上 Ser880 的磷酸化（Chung 等人，2003 年）。这种形式的 LTD 涉及 GluD2 亚基的信号传导作用，该作用与离子通量无关，但可能由 D-丝氨酸控制。邻近位点（GluA2 中的 Y876）的酪氨酸磷酸化能够阻断 LTD，因此，需要 PTPMEG（一种被 GluD2 的 C 端捕获的磷酸酶）来允许 LTD（Kohda 等人，2013 年）。
使用具有不同动力学的钙螯合剂透析突触后细胞导致以下观点：短暂、急剧的 Ca 流入产生 LTP，而较长、较弱的信号驱动 LTD。然而，钙离子释放（Neveu and Zucker，1996）会产生增强或抑制，与钙浓度和其他参数无关。此外，尽管 Ca2+ 起着核心作用，但 NMDA 受体的释放和随后的钙离子内流并不是唯一可能的可塑性信号。电压门控钙通道激活可能是尖峰时间依赖性可塑性的一部分，是 LTP 最生理相关的诱导方案之一，并且在 LTD 中观察到钙离子的储存释放。至少对于海马 CA1 锥体细胞而言，光学量子分析表明，释放概率的变化可以解释 LTP 和 LTDD 期间反应幅度的大部分变化（Enoki 等人，2009 年）。在这种情况下，经典 AMPA 受体对谷氨酸的亲和力较低，裂隙中神经递质浓度的峰值可能达到 AMPA 受体浓度反应曲线的中间范围（约 1 mM 谷氨酸；Clements 等人，1992 年）。因此，AMPA 受体可能被调整为以线性方式响应突触前可塑性。按照这种逻辑，输出降低的突触预计具有较高的初始释放概率 (Pr)，而增强的突触应具有较低的释放概率。这个强大的概念有一个弱点：它需要静止的突触后受体反应。这种假设是不可靠的，因为某些缓慢的 AMPA 受体被证明会在重复刺激下产生增强反应（Pampaloni 等人，2021 年）。 16.4.5 短期可塑性
短期可塑性是指一旦活动停滞，就会恢复到基础状态的内在可逆变化。增强作用可以通过低释放概率的终端中 Ca2+ 的积累来解释。囊泡耗竭是造成某些突触抑制的原因，但其他突触似乎不知疲倦 (Saviane 和 Silver，2006)。
在这里，受体脱敏是突触抑制的基础，允许增益控制，从而实现计算 (Rothman 等人，2009)。具有稳定脱敏的 AMPA 受体亚型足以引起短期抑制 (Rozov 等人，2001)。相反，AMPA 受体与辅助亚基以及海人酸受体复合，可以表现出不懈的活性，从而实现纯突触后短期增强机制 (Pampaloni 和 Plested，2021)。
16.4.6 体内平衡
突触强度从几小时到几天的调节是通过 AMPA 受体丰度的变化实现的，可能是由各种神经营养因子触发的（经 Turrigiano，2008 年审查）。鉴于 LTP 可能纯粹依赖于突触外膜中的 AMPA 受体丰度（Granger 等人，2012 年），该过程可以通过合成和输出更多或更少的受体来执行s 到达表面，这倾向于通过扩散到分布式突触来平衡。
16.4.7 脑外表达
谷氨酸受体在神经系统外的表达尚未成为深入研究的重点。AMPA 受体亚型在胰岛的 β 和 δ 细胞中表达，可以调节生长抑素的释放 (Muroyama 等人，2004)。AMPA 受体是胰腺癌中 CUX1 的靶点，高浓度的 AMPAR 拮抗剂可以改变体外肿瘤细胞的存活率 (Ripka 等人，2010)。有证据表明 NMDA 受体在胃中表达，胃上皮细胞可能调节表达 (Watanabe 等人，2008) 以应对肿瘤或幽门螺杆菌感染 (Seo 等人，2011；Sachs 等人，2011)。缺乏任何激动剂诱导激活这些 NMDA 受体的详细信息。海人酸受体在味蕾中表达 (Chaudhari 等人，1996；Chung 等人，2005)。
16.5 孔特性 (选择性、渗透性、门控)
谷氨酸受体的所有亚型都通过允许钠进入来使细胞去极化。AMPA 和海人酸受体是非选择性阳离子通道。单价阳离子 (Na+、K+、Cs+)
以相似的速率渗透，即使通过选择性过滤器，也可能被水合 (Biedermann 等人，2021)。钙渗透受 AMPA 受体中 GluA2 和海人酸受体中 GluK1-3 的 mRNA 编辑控制 (Burnashev 等人，1995)。腺苷脱氨为咪啶将带正电的精氨酸置于孔环的尖端，而不是基因组编码的谷氨酰胺。在未经编辑的通道中，钙的渗透性与单价离子 (PCa:PNa ~1) 大致相同 (Burnashev 等人，1992)，多胺阻断在正电位下相当 (Bowie 和 Mayer，1995)。编辑后的受体
不再被多胺阻断，并且几乎不能透过钙。含有全套孔精氨酸的受体
可以透过氟化物，但它们的电导率非常小。RNA 编辑通过调节化学计量来固定通道电导率的程度仍然开放。天然和重组 AMPA 受体显示 2Q:2R 比率，这是由于 GluA2 亚基的两个副本占主导地位（Yu 等人，
2021 年）。海人酸受体的情况似乎更加不稳定（Selvakumar 等人，2021 年）。
NMDA 受体对钙具有高度渗透性（PCa:PNa ~10）（MacDermott 等人，1986 年），
因此可以激活相邻的钙激活通道，例如 BK 钾通道（Gómez 等人，2021 年）。 NMDA 受体还具有亚基依赖性的 Ca2+ 渗透和传导特性，其中单个残基（GluN2A 中的 S632 和 GluN2D 中的 L657）发挥主导行为（Siegler Retchless 等人，2012 年）。
在该超家族的所有成员中，高度保守的 SYTANLAAF 基序在束交叉处形成一个门（图 16.4A）（第 16.7.3 节）。在孔区，异源受体的结构显示出与四重对称的细微偏差。谷氨酸受体亚基的一个关键特征是它们倾向于独立采用不同的结构来适应对称不匹配。随着对天然受体跨膜结构域的更详细观察的出现（Yu 等人，2021），亚基和辅助亚基的高阶组合如何结合起来改变孔隙变得清晰起来（Zhang 等人，2021a）。剩下的一个关键问题是脱敏状态孔隙与静息状态的差异程度。结构证据表明，任何差异都很小（Twomey 等人，2017b），而功能数据表明，在某些情况下，选择性过滤器与脱敏之间存在强耦合（Coombs 等人，2019；Poulsen 等人，2019）。
图 16.4
谷氨酸受体的门控。 (A) 普遍保守的 SYTANLAAF 基序横跨门控区域，在 GluN1N2B 结构上以球体表示（蛋白质数据库：6WHT；GluN1 为蓝色，GluN2B 为绿色）。
细胞外，GluN1 亚基含有 DRPEER 序列（玫瑰色），与钙结合有关。
(B) 静止和脱敏结构与 GSG1L（蛋白质数据库：5WEK 和 5VHZ，紫色半透明表面）有关，而活性开放结构与 Stargazin（蛋白质数据库：5WEO，棕色）有关。箭头显示近似域运动。 (C) 离子通道域与面板 B 中每个通道的 B 和 D 亚基有关。M3 螺旋是带有条形的轨迹，以指示开放状态下的扭结。箭头表示近似的 M3 运动。薄选择性过滤区域用半透明灰色条表示。虚线表示膜的近似范围。（D）与面板 C 相同，但从细胞外侧朝向膜。膜用虚线表示。箭头显示上部 M3 螺旋打开孔的近似运动。
16.6 药理学/阻滞剂
16.6.1 竞争性拮抗剂
NMDA 和非 NMDA 电流的首次分离是由
NMDA“谷氨酸位点”拮抗剂 D-APV（Evans 等人，1982 年）实现的，该拮抗剂可与 GluN2 结合。
后来，“非 NMDA”家族（实际上是 AMPA 和海人酸受体）的拮抗剂，包括 CNQX 和 NBQX（Honoré 等人，1988 年；Sheardown 等人，1990 年）作为补充工具出现。喹喔啉二酮的进一步衍生化无法成功区分 AMPA 和海人酸受体。同样，GluN1 和 GluN3 受体的结合位点太相似，无法形成强选择性拮抗剂。相比之下，高选择性海因酸受体拮抗剂（包括 UBP-302 和 UBP-310）已在已知 Willardiine 配体的支架上构建。这项工作是由海因酸受体 LBD 的结构推动的，这使得合理探索谷氨酸结合位点两侧的空隙成为可能（Mayer 等人，2006 年）。根据辅助亚基的存在与否，AMPA 受体的竞争性拮抗剂可以转化为弱部分激动剂（Menuz 等人，2007 年）或变得无效（Pampaloni 和 Plested，2021 年综述）。 16.6.2 非竞争性拮抗剂和变构调节剂
GYKI 53666 和相关药物在连接区 LBD 外部结合（见图 16.5）（Yelshanskaya 等人，2016 年；Balannik 等人，2005 年），从而实现对 AMPA 受体的选择性阻断。这些非竞争性拮抗剂的衍生物产生了药物 perampanel（见第 16.10 节）。选择性针对 GluN2C 和 GluN2D 亚基的非竞争性 NMDA 受体拮抗剂，如 QZN46（Hansen 和 Traynelis，2011 年），也可以在 LBD 和 TMD 之间的连接处结合。
NMDA 受体氨基末端结构域包含多个调节结合位点。
氨基末端结构域不能直接与通道相互作用，但可以通过改变 LBD 的四级排列或激动剂亲和力来发挥其作用。
存在于谷氨酸能突触子集的突触小泡中的锌，通过稳定 GluN2A
ATD 的封闭形式，以高亲和力抑制 GluN2A
亚基 (Paoletti 等人，2000 年)。艾芬地尔非常强烈地促进分离的 GluN1 和 GluN2B
ATD 的异二聚化 (Karakas 等人，2011 年)，结合在靠近多胺结合和增强受体 (Mony 等人，2011 年) 的界面位点 (图 16.5)。
AMPA 和海人酸受体相对不受 pH 变化的影响，但质子强烈抑制生理范围内的 NMDA 受体门控（Traynelis 和 Cull-Candy，1991 年）。由于囊泡的酸性，这种抑制可能在谷氨酸释放时在体内自发发生。NMDAR 中的主要质子结合位点似乎位于通道和配体结合域之间（Low 等人，2000 年）（图 16.5）。芋螺毒素调节 NMDA 和 AMPA 受体门控。特别是，芋螺毒素与 AMPA 受体稳定结合，通过阻断脱敏而具有高度神经毒性（Walker 等人，2009 年），即使它本身不会促进高活性（Baranovic 等人，2022 年）。这些观察结果反映了基因敲入小鼠中脱敏阻断突变的影响（Christie 等人，2010 年）。环噻嗪和相关化合物通过结合 AMPA 受体亚基之间的二聚体界面来阻断脱敏，
如果位置 754 是丝氨酸（就像在翻转异构体中一样；Partin 等人，1995 年）。基于相同原理的针对海人酸受体的脱敏阻断药物也已开发出来（Larsen 等人，2017 年）。
离子型谷氨酸受体 251 图 16.5 调节剂结合位点。内源性（左）和外源性（右）调节剂和拮抗剂，其结合位点相对于 AMPA 受体 GluA2 的长轴大致相同，与竞争性拮抗剂 ZK200775 结合（蛋白质数据库：3KG2）。 nnQX，喹喔啉二酮竞争性拮抗剂家族。CTZ，环噻嗪。（左上）谷氨酸受体超家族中 LBD 二聚体调节剂的示意图。上叶为蓝色；下叶为紫色。（左中）GluK2 的 LBD 二聚体通过亚基（橙色和蓝色）之间钠（金色球体）和氯（绿色球体）的偶然结合而稳定。水网络中氢键的距离（红色球体）以埃为单位显示。插图显示了一个谷氨酸结合 LBD 二聚体（蛋白质数据库：3C32）中的二聚体间位点。（左下）通道阻滞剂 1-萘乙酰精胺与 GluA2 的选择性过滤器结合（蛋白质数据库：6DM1）。 （右上）艾芬地尔（绿色）与 NMDA 受体 ATD 异二聚体（GluN1，蓝色；GluN2，红色）结合。两个亚基的上叶和 GluN2 的下叶都参与了结合位点（蛋白质数据库：3QEL）。（右中）γ-8 特异性抑制剂 JNJ 与从海马中纯化的 AMPAR 中的 GluA2 和 γ-8 之间的缝隙结合（蛋白质数据库：7LDD）)。（右下）麻醉剂氯胺酮与 NMDA 受体前庭结合（蛋白质数据库：7EU7）。
几种全身麻醉剂抑制谷氨酸受体，但在临床相关剂量下，只有一氧化二氮和氙气抑制 NMDA 受体。挥发性麻醉剂抑制 AMPA 受体，而海人酸受体则被增强，但这些影响都发生在浓度过高而没有临床相关性的情况下。
16.6.3 孔阻滞剂
大多数亚型的 NMDA 受体在静息膜电位下被张力阻滞（因此无声）。Mg2+ 的通道阻滞在约 -40 mV 时得到缓解，导致负电导区域（Mayer 等人，1984 年；Nowak 等人，1984 年）。通过沿树突滚动去极化来解除阻断可实现非线性加成 (Branco 等人，2010)。N2C、
N2D 和 N3 亚基降低了镁阻断的强度 (Kuner 和 Schoepfer，
1996；Chatterton 等人，2002)。
多种临床药物和滥用药物，包括苯环利定和氯胺酮，都是
NMDA 受体孔阻滞剂。MK801 是一种非常稳定的开放通道阻滞剂 (Huettner 和
Bean，1988)，它以电压依赖的方式将谷氨酸和甘氨酸捕获在其结合位点。尽管它们与 MK801 在中央通道前庭的同一位置结合
（Song 等人，2018），直接在细胞外到选择性过滤器（图 16.5），但氯胺酮
和美金刚可使通道关闭 (Zhang 等人，2021b)。
没有孔编辑亚基的 AMPA 和海人酸受体变体被内源性胞浆多胺在正电位下阻断 (Bowie and Mayer，1995；Kamboj 等人，1995)，从而阻塞选择性过滤器 (图 16.5) (Twomey 等人，2018)。一般来说，
活性可缓解内源性因素造成的通道阻塞，无论是 AMPAR 的去极化，还是 Mg2+ 对 NMDAR 的阻塞，或与 AMPA 或海人酸受体中的内源性多胺竞争的内向离子流。
来自 Joro 蜘蛛的一种毒素被鉴定为甲壳类谷氨酸能神经肌肉传递的阻滞剂，此后不久，该毒素被证明可抑制海马谷氨酸能突触（Abe 等人，1983 年；Saito 等人，1985 年）。来自其他蜘蛛和黄蜂毒液的类似多胺毒素及其衍生物（包括 1-萘基乙酰精胺、
NASPM 和 IEM1460）依赖于孔 Q/R 位点的编辑，其中含有 Arg 的孔被保留。人们通常认为它们优先分离含有 GluA2 亚基的受体，这与对中间神经元（钙通透性）AMPA 受体群最有效一致。辅助蛋白引起的通道阻滞缓解和多胺亲和力变化（见第 16.9 节）在一定程度上混淆了这一简单的图景。
16.6.4 光学方法
已报道了用于激活和失活谷氨酸受体的各种光学方法。光致变色配体（通过外源光开关与 iGluR 结合的配体）(Volgraf 等人，2006) 或直接掺入受体序列的非天然氨基酸，可以将受体转化为光激活或可抑制的形式 (Klippenstein 等人，2014；Zhu 等人，2014)。特别是，引入通道域的非天然氨基酸可以识别门控过程中的螺旋运动（Klippenstein 等人，2017 年）并将它们与激活和脱敏联系起来，包括选择性过滤器的出乎意料的广泛作用（Poulsen 等人，2019 年）。含有光反应性叠氮基 (ANQX) 的喹喔啉二酮衍生物被用于揭示脑切片中 AMPA 受体运输的时间尺度（Adesnik 等人，2005 年）。对于解笼实验，MNI-谷氨酸（Canepari 等人，2001 年）仍然是最常用的工具。不幸的是，所有笼状谷氨酸
变体都对 GABA-A 受体具有一定的拮抗活性，并且通常具有
较小的双光子截面，因此要求在高浓度下使用。
16.7 门控机制、激动剂选择性、亚基贡献和相互作用
16.7.1 LBD 关闭作为通道激活的驱动力
值得注意的是，从红外光谱观察（Cheng 等人，2005 年），谷氨酸首先与 LBD 域 1 中普遍保守的精氨酸残基结合（图
16.2），然后通过水和主链氧与域 2 结合（Armstrong 和
Gouaux，2000 年），这已在谷氨酸结合的长期无偏分子动力学模拟中重现（Yu 等人，2018 年）。在 AMPA 和 GluN2（谷氨酸结合）NMDA 受体亚基的此类模拟中（Yu and Lau，2018），谷氨酸沿着带正电的途径进入其结合位点，并触发域闭合以采用晶体图形观察到的构象。
谷氨酸类似物在受体亚型之间表现出较弱的选择性，因为结合位点保存得很好。有点令人困惑的是，AMPA 受体被激动剂海人酸激活，尽管活性在没有辅助蛋白的情况下，活化作用较弱，因为
KA促进 LBD 层处于非活性状态 (Salazar 等人，2017)。异源 kain ate 受体和 GluK1 由 AMPA 激活 (Egebjerg 等人，1991)。由于空间冲突 (Mayer，2005)，AMPA 无法结合
GluK2 亚基结合位点，因此可能
通过与 GluK5 结合来激活异源
。在 GluN2 亚基中，域 2 中的谷氨酸残基（例如，GluA2 中的 Glu705）与 AMPA 和 KA结合口袋中的氨基进行协调，而天冬氨酸残基则为天冬氨酸，这允许 NMDA 结合 (Furukawa 等人，2005)。 GluN1 亚基与甘氨酸和 D-丝氨酸结合，但不与谷氨酸结合 (Furukawa 和
Gouaux, 2003)，这解释了 GluN1–GluN2 异聚体与甘氨酸和谷氨酸的强制性共激活。GluN3A 和 GluN3B 亚基与甘氨酸和 D-丝氨酸结合，且与谷氨酸的结合优先性更强。环境 D-丝氨酸（主要由星形胶质细胞释放，而不是甘氨酸）可能是天然 NMDA 受体的生理激活剂。同样，delta 亚基 GluD1 和 GluD2 由甘氨酸或 D-丝氨酸激活，而不是谷氨酸。
长期以来，人们一直认为谷氨酸受体的 delta 亚型缺乏离子通道活性，即使具有缺陷门控 (Lurcher) 的突变形式明显支持阳离子渗透 (Kohda 等人，2000)。这一悖论通过以下观察得到解决：只有当 Cbln1 通过来自对立细胞的
神经连接蛋白 1 呈现到 ATD 层时，GluD2 受体
才能被甘氨酸和 D-丝氨酸激活 (Carrillo 等人，2021)。在没有跨突触伙伴的情况下，受体，特别是 LBD 层，处于无能状态，无法打开膜离子通道。有趣的是，类似的复合物参与控制海马突触处的 AMPA 和 NMDA 受体数量，与离子通道活动无关。
现在的典型观点是，通道开放是由蛤壳结合域的简单关闭驱动的，这一观点在 AMPA 受体中得到了广泛的发展 (Armstrong 和 Gouaux，2000)。背对背的活性二聚体排列迫使通道域的接头分离。一系列 GluA2 LBD 与 Willardiine 激动剂的共晶体结构提出了一个有吸引力的想法，即单个结合域的分级闭合与激动剂功效相对应 (Jin 等人，2003)。然而，后续工作揭示了额外的复杂性。LBD 具有高度移动性，特别是在未配位形式下，并且 LBD 围绕与膜大致垂直的轴的扭曲也可能有助于功效。当 AMPA 被 5-溴-Willardiine 取代时，在晶体中观察到 GluA2 LBD 的分级域闭合。结合位点的平均占用率可以通过 Willardiine 溴原子的异常衍射来追踪，并与几何形状相关联。然而，单个结合域可以在给定时间点被 Br-Will 或 AMPA 占据。大多数 Willardiine 激动剂在溶液 NMR 实验和晶体结构中引起类似的域闭合，并且功效差异也不大。其他操作（如交联）通过改变 LBD 二聚体的几何形状来减少连接子分离，也会降低功效。事实上，除了稳定活性二聚体排列的小分子外，降低 LBD 动力学的操作通常是抑制性的（即，它们使谷氨酸成为部分激动剂）。综合来看，除了非常庞大的拮抗剂外，每种配体都可以诱导一系列 LBD 构象，因此所有激动剂作用都是 LBD 四聚体状态占用的时间平均值（Salazar 等人，2017 年）。在这种解释中，较大的部分激动剂诱导的域闭合较少，并且效果较差，因为它们促进了不支持通道激活的 LBD 层的更多构象。与 AMPA 受体相比，与部分和完全激动剂复合的 NMDA 受体结合域的结构对于 GluN1、GluN2 或 GluN3 来说差异要小得多。最后，来自分子动力学模拟的单独观察提醒我们，与结合域闭合角的简单参数相比，功效与结合能量之间的相关性要好得多。
16.7.2 激活动力学
由于吸收，谷氨酸瞬变在大多数突触中非常短暂（~1 毫秒）（Clements 等人，1992 年），但在具有特殊形态的终端的情况下，清除速度会减慢。
尽管谷氨酸在 5 毫秒内被去除至约 10 µM 的水平，但该浓度仍然足够高，可以优先使大多数形式的 AMPA 受体脱敏。然而，对于最快的 AMPA 受体，5 毫秒范围内的脱敏恢复时间常数允许在需要时延长高频信号传导。越来越多的证据表明，慢速 AMPA 受体对脱敏有抵抗力，并且具有激活和死亡激活动力学在 100 毫秒范围内，存在于整个神经系统中 (Pampaloni 和 Plested, 2021)，与主要的快速变体并行运作。
选择性拮抗剂表明，兴奋性突触后电流的慢速成分通常来自单独的受体类别 (NMDA 受体)，但慢电流的机制仅在快速灌注 (Clements 等人，1992) 区分配体浓度随时间的变化曲线后归因于慢激活受体。即使谷氨酸脉冲非常短，NMDA 受体也会缓慢激活 (超过 100 毫秒)，这与配体结合和孔隙打开之间的多个步骤一致 (图 16.3)
(Amin 等人，2021)。经过多次失误，现在已证实 delta 亚型谷氨酸受体是真正的离子通道，并且具有数秒内的缓慢激活曲线（Benamer 等人，2018 年；Carrillo 等人，2021 年）。超家族成员之间这种重大差异的机制仍然未知。模式门控（单个通道短暂激活和延长激活之间的切换）已被提出导致 NMDA 受体（在 >100 毫秒范围内）的较慢、多组分衰减（Popescu 和 Auerbach，2003 年；Zhang 等人，2008 年）并且慢速 AMPA 受体可能也依赖于这种机制。快速灌注还可以正确区分不同受体类型脱敏状态的稳定性。海人酸受体 GluK2
在脱敏状态下比任何 AMPA 受体都稳定得多，可在数秒内恢复到
静息状态 (Bowie 和 Lange，2002)。配体结合域的下叶是造成这种差异的原因 (Carbone 和 Plested，2012)。
16.7.3 通道门控
到目前为止，只有 AMPA 受体处于真正的开放状态 (Twomey 等人，
2017a；Chen 等人，2017；Zhang 等人，2021a)。这些开放孔构象通过离子渗透的分子动力学模拟证实，对 Na、K 和 Cs 离子的渗透性与 AMPA 受体本身大致相同 (Biedermann 等人，2021)。门通过 M3 螺旋的向外移动和扭结打开。SYTANLAAF 基序是普遍保守的（图 16.4A），并且该门区域的突变导致 GluD2 中自发活性的 Lurcher 突变体（另见第 16.10 节）。这种通道门控机制可能在海人酸和 NMDA 受体之间并不严格保守，因为 AMPA 受体通过几个亚电导水平以阶梯方式打开，而 NMDA 受体以全有或全无的方式打开。在 NMDA 受体中，A7 位置（GluN1 中的 Ala 652 和 GluN2B 中的 Ala 651）被令人信服地证明是关闭状态下通道最窄的部分（Chang 和 Kuo，2008），后来通过结构研究证实了这一点。该位点的可访问性可跟踪通道激活，并且该位点的突变体无法捕获 MK-801，大概是由于组成性激活。GluN1 中的基序 DRPEER（图 16.4A）位于 A7 门和膜的细胞外，可调节钙传导。
16.7.4 亚基间相互作用
有强有力的证据表明，配体结合域上叶之间背对背相互作用的物理稳定可阻止 AMPA 和海人酸受体的脱敏（图 16.5C、D）。从非脱敏嵌合体（Stern-Bach 等人，1998）中鉴定出的 Leu 到 Tyr 突变映射到此界面。附近的 R/G 编辑位点对 AMPAR 动力学有一定的控制作用。相同的残基是海人酸受体中的精氨酸，并参与二聚体界面氯离子结合位点，该位点两侧是两个钠离子（Plested 等人，2008 年）（图 16.5）。AMPA 和海人酸受体中活性二聚体的交联表明，D1 断裂是受体脱敏之前结束激活的第一个触发因素（Weston 等人，2006 年）。同样，Ca2+ 结合在 LBD 之间的活性二聚体界面上以促进 GluD2 活化（Hansen 等人，2009 年）。
LBD 层中的交联二聚体具有抑制作用，与横向移动是完全活性所必需的一致，至少在 AMPAR 中是这样（Baranovic 等人，2022 年）。除了破坏活性二聚体界面外，在脱敏状态下，下叶之间会形成新的界面，最引人注目的是采用四方排列的海人酸受体（Meyerson 等人，2014 年）。在 NMDA 受体中，LBD 相互作用更为复杂，部分原因是野生型异二聚体更稳定，但也因为 ATD 通过广泛的相互作用控制 LBD 层构象。分离的野生型 AMPA 和海人酸受体 LBD 在溶液中不会形成二聚体（Sun 等人，2002 年；Weston 等人，2006 年），但 ATD 的二聚体（由不同的亚基对形成）紧密结合，表明它们在门控过程中不会分离。这些二聚体
以弱相互作用组装，ATD 二聚体呈延伸的 N 形。
令人惊讶的是，突触伙伴（如神经连接蛋白）促进的 ATD 层中的亚基间相互作用对于 delta 受体离子通道活性至关重要（Carrillo 等人，2021 年）。通过交联证明了紧凑排列中物理约束的必要性。
16.7.5 亚基门控
对于 AMPA 受体，两个谷氨酸分子的结合足以产生亚级开放，随后的结合事件会增加电导和开放概率
(Rosenmund 等人，1998)。这种行为与其他 iGluR（例如甘氨酸和肌肉烟碱受体）截然不同，其中部分结合的开口与完全结合的开口具有相同的幅度。尽管 NMDA 受体中存在亚水平，但它们与激动剂浓度无关。此外，NMDA 受体的开放时间分布不依赖于浓度（Schorge 等人，2005 年），这强烈表明只有被两个甘氨酸和两个谷氨酸分子饱和的受体才能打开（图 16.3）。这种差异耦合的基础尚不清楚。在 AMPA 和 NMDA 受体中，特定亚基在异源四聚体中占据优先位置。在天然 AMPAR 中，GluA2 亚基填充 B 和 D 位置，远离 LBD 层中的孔轴，因此具有更大的打开孔的杠杆作用（Yu 等人，2021 年）。同样，GluN2 亚基采用 B 和 D 位置，与该谷氨酸结合亚基在门控中的主要作用一致（Lü 等人，2017 年；Chou 等人，2020 年）。令人信服的证据表明，谷氨酸仅与 GluK5 亚基结合即可激活异源海人酸受体，但脱敏仅在饱和 GluK2 的高浓度下发生（Fisher 和 Mott，2011 年）。海人酸受体异源体的结构研究表明，GluK2 位于 B 和 D 位置，GluK2 亚基（但不是 GluK5）在脱敏过程中经历了重大的构象变化（Khanra 等人，2021 年）。海人酸受体亚基之间的这种不对称性会反转对激动剂浓度的反应，从而使受体优先被低浓度的溢出谷氨酸激活。
16.8 调节（第二信使、机制、相关生理学）
谷氨酸受体受到无数的翻译后修饰和调节，进而调节其他神经递质和酶的功能。大多数关于 mGluR 和 mAChR 对 iGluR 调节的报告与激酶信号传导有关（Rojas 和 Dingledine，2013 年），但也有直接影响（Rossi 等人，1996 年），其中最引人注目的是依赖于较慢谷氨酸扩散和突触后蛋白 Homer 的 mGluR 依赖性短期可塑性（Sylantyev 等人，2013 年）。
16.8.1 磷酸化
与生物学的许多分支一样，激酶和磷酸酶以持续平衡的方式相互对抗，调节谷氨酸受体的活性。在同源突触 LTD 中，需要持续的磷酸酶激活才能维持抑制。NMDA 受体的去磷酸化独立于离子通量发生并导致抑制。LTP 和 LTD 的连续诱导，反之亦然，表明可塑性背后的生化变化是可逆的，但这些实验中受体磷酸化程度的变化通常很小。GluA1 在位置 831 和 845 被激酶（包括 PKC、PKA 和 CaMKII）磷酸化。激酶作用或接近磷酸化的突变（例如，丝氨酸变成天冬氨酸）会改变表达系统中同源受体的门控（Kristensen 等，2011）。但尚未报道急性逆转，而且对天然异源体的影响也不那么明显，这并不令人意外。这些修饰是否是突触反应增强的因果事件仍是一个悬而未决的问题。GluA1 同源体暂时参与某些形式的突触可塑性的产生，这让任何简单的解释都变得难以理解。GluA1 C 端磷酸化位点被切除的敲入小鼠缺乏海马 NMDA 受体依赖性 LTD，但仍表现出 LTP。此外，AMPA 受体 C 尾的特定磷酸化对于可塑性至关重要的观点已经逐渐消失，因为 C 尾（甚至谷氨酸受体亚型）的身份似乎对 LTP 并不重要（Granger 等人，2012 年）。一般来说，修饰 AMPA 受体 C 尾的激酶也会通过对具有 PDZ 结合基序的辅助蛋白产生强烈影响来影响受体的运输和定位。
16.8.2 其他翻译后修饰
SUMO 与 GluK2 的结合与激活同时发生（例如，通过长期应用海人酸）会驱动海人酸受体的内吞作用。突触蛋白的 SUMO 化（但不一定是 AMPAR 本身）是与化学诱导的 LTP 相关 (Jaafari 等人，2013)。GluN2 亚基的 C 末端有两个棕榈酰化簇，表明 NMDA 受体大 C 末端的多个不连续部分可能与质膜相关 (Hayashi 等人，2009)。使用荧光光谱的正交方法表明短 AMPA 受体 C 尾也靠近膜 (Zachariassen 等人，2016)。据报道，棕榈酰化还会改变同源 GluK2 受体的质膜积累 (Pickering 等人，1995)。这些修饰对大脑功能有多大影响？用目前的方法无法确定复合物中单个亚基的磷酸化状态，甚至无法确定单个突触中群体的磷酸化状态。这些限制将实验研究限制在数百万个神经元的群体变化上，然后这些变化与可能依赖于几百个突触的集合的可塑性事件和/或行为相关联（Hayashi-Takagi 等人，2015 年）。许多研究已经部署了基于激酶底物的肽抑制剂，无论是在脑切片中还是直接在脑中，但这些抑制剂已被证明是不可靠的。例如，“zeta 抑制肽”可以强有力地逆转野生型小鼠的 LTP，但也可以逆转缺乏激酶的小鼠的 LTP，这是它的假定目标（PKM-zeta）（Volk 等人，2013 年；Lee 等人，2013 年）。事实上，这种肽（也许还有其他肽）的作用是充当一氧化氮合酶的大量精氨酸供体（Bingor 等人，2020 年），促进一氧化氮依赖性 AMPA 受体活性抑制。
16.8.3 谷氨酸受体在没有离子通量的情况下的作用
NMDA 受体和海人酸受体具有“代谢性”功能，可在没有电流流动的情况下激活下游靶标。令人信服的实验表明，KAR 可以像 G 蛋白偶联受体一样激活其他通道（Negrete-Díaz 等人，2006 年）。
迄今为止，无论是海人酸受体内部还是其已知的伴侣亚基，都没有提出必要的 G 蛋白激活的分子机制。GluK2 亚基似乎对于此作用至关重要，而 GluK4 和 GluK5 亚基则是可有可无的。
外源性应用海人酸可促进内源性大麻素信号传导和抑制传递的改变。但是，在存在 CB1 阻滞剂的情况下，抑制传递的抑制仍然存在，并且如果突触前细胞的电位保持在配对记录中。这些结果表明，通过应用谷氨酸能激动剂或平行代谢作用导致轴突去极化并不排除，这使解释变得复杂。
16.9 细胞生物学（组装、运输、相关蛋白）
16.9.1 组装
对于 AMPA 受体，ATD 可能首先组装成二聚体，而受体的其余部分仍需由核糖体合成。某些 ER 驻留辅助蛋白（例如 ABHD6、FRRS1l 和 CPT1c）选择性地与单体和二聚体形式结合（Schwenk 等人，2019 年）。由于交错孔区的存在，LBD 无法形成单体，直到 TMD 的大部分已经合成。大大有利于 LBD 二聚体结合的突变主要产生死胡同二聚体中间体。值得注意的是，尽管同源 GluA1 和 GluA4 四聚体很容易形成，但同源 GluA2 只有在辅助蛋白的引导下才能到达细胞表面（见下文）。GluA2 (R) 和 Stargazin 的复合物具有缓慢的动力学和矛盾的传导脱敏状态（Coombs 等人，2019 年）。 GluN1 亚基组装成稳定的细胞内二聚体，但仅作为具有交替 N1–N2–N1–N2 排列的异源复合物的一部分到达细胞表面。在哺乳动物细胞系中，GluN1 与 GluN3A 或 GluN3B 的配对表达仅产生非常小的电流。CGP78608 的共同应用阻止了二异源 GluN1-N3A 受体的深度脱敏，揭示了该亚基对的强烈表面表达 (Grand 等人，2018)。HEK 细胞中 GluN1–GluN3A–GluN3B 受体的共表达也会产生大量电流 (Smothers 和 Woodward，2007)。由于 ATD 层和细胞内 ER 保留基序中的界面匹配性较差，GluK5 不能单独到达细胞表面。相反，GluK2 和 GluK5 之间的稳定结合使这对亚基形成神经元中的主要海人酸受体。至于天然 AMPA 和 NMDA 受体，据报道有三异聚海人酸受体的组装，甚至使用无细胞单分子技术检测到 GluK1、GluK2、GluK3 和 GluK5 亚基的四异四聚体 (Selvakumar 等人，2021)。GluA2 亚基的孔编辑与组装和运输有关，含 R 的亚基被 ER 保留 (Greger 等人，2002)。突变的谷氨酸受体 可以被困在 ER 中，显然将功能特性与运输联系起来ficking (Penn 等，2008)。破坏激动剂结合的突变体可抑制海人酸、AMPA 和 NMDA 受体的正向运输。这些一般性观察结果已演变为这样的想法：可能需要一个有效的结合域才能正确表达 iGluR。旨在连接亚基的实验操作（例如，人工半胱氨酸桥）也会限制表达，考虑到 iGluR 的复杂结构，这并不奇怪。受体是否真的在细胞内位点进行门控（或更可能是脱敏），或者谷氨酸的结合是否具有伴侣效应，仍是一个悬而未决的问题。令人困惑的细胞内蛋白质补体充当谷氨酸受体和激酶以及细胞骨架元素之间的衔接子（Henley 等，2011）。一些适配器被认为可以确定突触可塑性的符号和大小，将 AMPA 受体丰度与激酶和其他修饰剂的稳定和生化转化联系起来。在某些情况下，很难准确确定这些蛋白质与受体结合的时间和地点。与可塑性相关的所有运输并不是平等的；由于 NMDA 和 mGluR 激活而导致的 AMPA 受体细胞内聚集可能涉及不同蛋白质的结合。消除 PICK1 可能会破坏 AMPA 受体的细胞内储备，但运输的时间尺度（约 15 分钟）加上缺乏急性攻击细胞内蛋白质的工具，使得明确的陈述变得困难。总体而言，虽然 NSF、GRIP1 和 GRIP2（也称为 ABP）等适配器参与突触可塑性，但级联的复杂性使一些细节尚未解决。离子型谷氨酸受体 259
从天然组织中分离的完整 iGluR 复合物的质谱分析扩大了 AMPA 受体辅助蛋白的范围，包括突出脑区特异性复合物 (Schwenk 等人，2014)。天然复合物的低温电子显微镜揭示了一幅一致的图像，其中多达三种类型的辅助蛋白 (gamma-8、CNIH2 和 SynDIG4) 收集在单个海马复合体内 (Yu 等人，2021)。
16.9.2 跨膜 AMPA 受体相关蛋白 (TARP)
由于是第一个发现的，TARP 是迄今为止所有辅助亚基中研究最深入的。它们有什么作用？两个主要效应是单通道电导率增加和通道开放率明显增加。 TARP 还通过降低受体对细胞内多胺的亲和力来改变
精胺和相关配体的通道阻断。几项研究表明，AMPA-TARP 复合物由于脱敏而迅速解离（Morimoto-Tomita 等人，2009 年）。但其他测量表明解离可能需要几分钟（Baranovic 和 Plested，2018 年）。此外，不同的构象状态（包括部分配体的受体的高活性）而不是解离是“自失活”的基础（Coombs 等人，2017 年）。与 TARP-AMPA 受体特性门控相关的一个有趣特性是，在长时间（~1 秒）应用饱和谷氨酸时，稳态电流会反弹，这称为再敏化或超激活 (Kato 等人，2010 年；Carbone 和 Plested，2016 年)。将这种缓慢的反弹电流与神经元 AMPA 受体门控联系起来很有挑战性，但在海马神经元、小脑及其他部位发现的慢速 AMPA 电流 (Pampaloni 和 Plested，2021 年) 与异源表达的 AMPA-TARP 复合物具有相同的药理学特征（对 NBQX 抑制有抵抗力） (Devi 等人，2016 年)。 TARPs 和膜结构域内的 AMPA 受体亚基之间的相互作用控制着结合和多胺阻断 (Soto 等人，2014；Ben-Yaacov 等人，2017；Hawken 等人，2017)。claudin 蛋白 (与 TARPs 相关) 的结构激发了进一步的研究，表明外部结构域紧凑且结构化 (图 16.4B)，具有两个短环和一个可变长度的环，可以到达 LBD 层。改变这些环或其目标，AMPAR TMD 和 LBD 之间的连接子
可以消除 TARP 调节而不改变结合 (Riva 等人，2017)。诱变
还揭示了 LBD 的碱基是一个关键的调节位点 (Dawe 等人，2016)。 16.9.3 Neto
Neto1 和 Neto2 都极大地改变了海人酸受体的生物物理特性，延长了激活时间并减少了聚酰胺阻断。Neto 的存在足以驱动海人酸受体在突触处的积累 (Copits 等人，2011)，这表明 Netos 可能是表达伴侣。Neto1 具有 PDZ 配体，因此似乎同样可能充当海人酸受体的突触锚。海人酸受体的一系列反应的标志性总结至少部分归因于 Neto1-海人酸受体复合物 (Straub 等人，2011)。海人酸受体-Neto 复合物的低温电子显微镜结构表明它们的额外细胞结构域也与海人酸受体的 LBD 层相互作用 (He 等人，2021)，就像 TARP 与 AMPA 受体相互作用一样。
16.9.4 突触捕获和辅助蛋白
跨膜辅助亚基可能是理解谷氨酸受体复合物选择性部署的关键。TARP 的不同功能特性以及对突触位点的不同亲和力可能允许 AMPAR 家族成员在突触信号传导中表现出多样性。所有未附着在细胞基质上的膜蛋白都在质膜内横向扩散（图 16.6）。 AMPA 受体通过横向扩散到达突触（Ashby 等人，2006 年；Penn 等人，2017 年），并可能被树突棘的“颈部”捕获。辅助蛋白预计会随它们一起移动，但不排除不同辅助伙伴之间的亚细胞交换。可以想象，大脑中的一些谷氨酸受体缺乏 TARP，因为它们不是突触聚集的绝对要求（Bats 等人，2012 年）。突触后密度 (PSD) 本身是一个蛋白质网络，通过稀疏相互作用连接到谷氨酸受体。由于其复杂性和突触的动态性质，在突触处捕获谷氨酸受体的大分子结构仍然不透明。膜相关鸟苷酸激酶 (MAGUK)，
如 PSD-95，仅通过其棕榈酰化与膜相关，
并通过 GluN2 亚基的分支 C 尾直接结合 NMDA 受体。PSD-95
还直接结合神经连接蛋白，但不结合 AMPA 受体。相反，
Stargazin（和其他 TARP）的 PDZ 结构域与 PSD-95 之间的相互作用可稳定 PSD 上的受体。
其他辅助蛋白（如 Neto1）也与 PSD 成分相互作用。
16.10 通道病和疾病机制
先进的基因组技术揭示了与神经发育相关的 AMPA 和 NMDA 受体中的许多单核苷酸多态性
和遗传突变
图 16.6
谷氨酸受体运输周期。谷氨酸受体 (AMPAR，绿色) 由树突分支点处或附近的 mRNA 合成。(2) 单个亚基和二聚体与 ER 伴侣结合。组装的四聚体穿过靠近棘突的高度复杂的网状结构，在那里它们可能与辅助亚基 (粉红色，3) 组装。它们的聚糖在高尔基前哨 (4) 内修剪，复合物分泌到质膜 (5)。通过棘突颈部 (6) 的扩散导致突触周围循环。大约一半的 AMPA 受体复合物稳定地被困在突触后致密区 (PSD; 7) 内的纳米域中，但其余的在棘突内迅速扩散，并可能被紧邻的网格蛋白小窝 (8) 回收，这些网格蛋白小窝与 Homer 和可能的其他 PSD 组件相连。受体也可能逃离脊柱 (9)，被树突或躯体部位的网格蛋白包被小窝回收 (10)，大概会进入内溶酶体途径进行降解。
和认知障碍 (Salpietro 等人，2019 年；Endele 等人，2010 年；Trubetskoy 等人，2022 年；
Singh 等人，2022 年)。通道功能的生物物理改变，例如激活减少或电流整流的变化，是由上束交叉门的突变引起的（类似于小鼠中的 Lurcher 突变）或选择性过滤器周围区域的突变。 GluA3 基因敲除小鼠的攻击行为激发了对 GluA3 缺陷及其与小鼠和人类攻击行为和暴力行为的关系的研究（Adamczyk 等，2012 年）。从更广义上讲，兴奋性突触是疾病研究的主要焦点，因为突触蛋白（例如神经连接蛋白、MUNC13 和 Shank）的遗传突变会导致认知缺陷，并且是精神分裂症、ALS 和自闭症的风险因素。由于谷氨酸受体的普遍性，它们已成为治疗剂靶标的密集研究（但直到最近才取得特别成功）。然而，一些经美国食品和药物管理局批准的药物正在上市。 Perampanel 是由原型非竞争性 AMPA 拮抗剂 GYKI-52466 开发而来的，
该药物被批准用于治疗癫痫，作为现有疗法的辅助手段 (Krauss 等人，2012)。
针对 gamma-8 辅助亚基的药物 (Yu 等人，2021) 具有优先抑制前脑 AMPA 受体的巨大优势，从而保留呼吸节律。
这些药物在癫痫治疗中显示出希望。美金刚被用作阿尔茨海默病的治疗药物 (Lipton，2005)。它阻断 NMDAR 的孔隙，可能优先攻击突触外受体，这或许在某种程度上解释了耐受性。
氯胺酮可能在抑郁症中得到应用，但剂量低于麻醉剂量，可避免 NMDA 受体被阻断。针对亚型的药物ng NMDA 受体亚基 GluN2B 已被开发，其在酸性 pH 下可用性增加，以便专门针对缺血组织中的受体，从而产生选择性神经保护作用。
在中风等脑损伤期间，谷氨酸通过“反向吸收”释放，因为驱动谷氨酸转运体的离子梯度崩溃（Rossi 等人，2000 年）。NMDA 受体缺乏脱敏作用和更高的谷氨酸亲和力使它们在这种情况下特别容易受到影响。NMDA 和 AMPA 受体易受自身抗体的影响，这些自身抗体会产生精神分裂症和脑炎（Rogers 等人，1994 年；Kreye 等人，2016 年），也可能与肿瘤有关（Dalmau 等人，2007 年）。
神经元一氧化氮合酶产生的一氧化氮介导了由于 NMDA 受体过度激活而产生的大多数神经毒性（Dawson 等人，1991 年）。突触 NMDA 受体激活实际上可能具有神经保护作用，因为它会刺激单独的抗氧化途径。这一观点依赖于这样一种观点，即用 MK801 取代细胞外镁会优先消除突触受体的作用，同时保留突触外受体。
锌对 NMDA 受体的调节似乎对疼痛很重要，因为基因靶向小鼠的点突变会消除锌对 NMDA 受体的抑制作用，因此对疼痛刺激的敏感性会增加（Nozaki 等人，2011 年）。 Src 激酶通过线粒体蛋白 ND2 附着于 NMDA 受体复合物，通过靶向肽破坏这种相互作用可有效减轻神经性疼痛 (Gingrich 等，2004)。延伸这些想法，可以想象 NMDA 受体和 μ-阿片受体之间的串扰会导致阿片类药物耐受性 (Marek 等，1991)，其途径包括刺激 NO 生成和 PKC (Chen 和 Huang，1991)。