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相较于驱动快速兴奋性传递的AMPA受体和调节突触可塑性的NMDA受体，红藻氨酸受体（KARs）的角色更为微妙——它们主要在突触前和突触后发挥调节作用，参与疼痛、冷觉、炎症及多种神经系统疾病（如癫痫、缺血）。KARs以异源四聚体形式广泛存在，但其功能研究因其快速脱敏（数毫秒）和复杂的亚基组成而极具挑战。2026年4月24日发表于 Nature Communications 的一项研究中，宾夕法尼亚大学团队利用冷冻电镜技术，解析了在GluK5选择性配体5-碘基威尔定（5-IW）和AMPA存在下，GluK2/GluK5异源四聚体在部分激动剂占据状态下的高分辨率结构。他们发现了令人惊讶的现象：当只有高亲和力亚基（GluK5）被占据时，受体可被部分激活但不发生脱敏; 结构显示配体结合域（LBD）二聚体仍保持完整但发生了“门控相关重塑”，包括跨膜结构域（TMD）扩张和连接子重定位，但孔道仍处于关闭状态（代表“预激活状态”）。当配体同时作用于GluK2亚基时，则观察到了从完整到部分断裂再到完全断裂的LBD二聚体界面，并提出了一个阶梯式激活与脱敏模型。本研究为理解KARs的亚基特异性药理学和开发亚型选择性药物提供了直接的结构基础。

研究亮点速览

1. 关键生理意义：GluK2/GluK5异源四聚体是中枢神经系统中最主要的KAR亚型之一，其中GluK5亚基对谷氨酸的亲和力比GluK2高约一个数量级。在短暂突触释放中，可能只有高亲和力亚基（GluK5）被占据，导致部分激活和不完全脱敏——这可能解释了KARs独特的“调节性”而非“驱动性”突触功能。

2. 两种激动剂，两类行为：

   • 5-IW（GluK5选择性）：仅结合GluK5亚基（A/C位），引起非脱敏性电流、结构上LBD二聚体完整、TMD扩张但孔道关闭（预激活状态）。

   • AMPA（可作用于GluK2）：引起约30%脱敏，结构上出现完整→部分断裂→完全断裂LBD二聚体的阶梯变化。

3. 结构与功能的“阶梯”模型（图8）：

   • 0/1个激动剂：静息状态（Resting, R）

   • 2个激动剂（仅A/C位）：预激活状态（Pre-active, P），LBD二聚体完整但发生D2界面分离和TMD扩张。

   • 3/4个激动剂：部分脱敏状态（D），一个LBD二聚体破裂，另一个完整。

   • 4个激动剂：完全脱敏状态（D'），两个LBD二聚体均破裂，形成“脱敏环”。

4. 亚基间相互作用的关键作用：在GluK5 A/C亚基之间形成一个独特的“中央簇”（由Y683/Q684形成），突变此位点可将脱敏时间减慢近2倍，去活化时间减慢超过3倍（达250毫秒），揭示其是控制动力学的重要节点。

5. 跨膜结构域动态：即使孔道关闭，仅A/C位被占据即可引起M1/M3/M4连接子的向上运动（1-3 Å）和螺旋分离，支持B/D亚基（GluK2）在门控中占主导的假说。

背景：KARs的“部分激动剂困境”

已知：

• iGluRs为四聚体，每个亚基含配体结合域（LBD），激动剂结合引起LBD“闭壳”运动，通过连接子拉开跨膜螺旋，打开离子孔道。

• 同时，在持续激动剂存在下，受体快速进入脱敏状态（通道关闭，但对激动剂不响应）。

KARs的特殊性：

• 异源四聚体GluK2/GluK5中，GluK5亚基对谷氨酸亲和力更高，在生理释放中可能优先被占据。

• 部分激动剂（如5-IW）可选择性地仅激活GluK5亚基，产生持续、非脱敏性的电流——这一现象的结构基础此前未知。

• 仅有低分辨率结构或无激动剂下部分断裂的LBD二聚体，缺少配体诱导的“完整”但已激活的中间态结构。

本研究解决的问题：通过使用亚基选择性配体和快速冷冻捕获技术，在接近生理配体浓度下获得了三种不同占据状态的高分辨率结构，并系统关联了配体数目、LBD构象和功能输出。

核心发现1：5-IW诱导的“预激活”状态

▶ 电生理行为

• GluK2/GluK5异源四聚体：5-IW诱导稳健、非脱敏性电流（10秒刺激无衰减）。

• GluK2同源四聚体：无响应（证实选择性）。

▶ 冷冻电镜结构（整体3.5-3.8 Å，局部分辨率）

• 配体占据模式：仅GluK5亚基（位于A/C位置）的LBD处于“闭壳”状态，GluK2亚基LBD保持“开壳”。

• LBD二聚体界面：两个LBD二聚体（A-D和B-C）均保持完整（与拮抗剂结合的非活性态类似），但发生了关键的构象重排：

  • D2亚结构域间距增加（中心间距离增加3.4 Å），与AMPA受体中与门控相关的变化幅度相近。

  • 两个LBD二聚体之间发生>10°的相对旋转和整体膨胀（B/D亚基距离增加最大）。

• 跨膜结构域（TMD）：

• 连接M1、M3、M4与LBD的连接子向上移动1-3 Å，M3/M4螺旋向外张开。

• 但孔道半径计算显示仍为关闭状态（最窄处约1.5-2 Å，不足以通透离子）。

• 结论：此为预激活（pre-active）状态——通道尚未开放，但已发生门控相关的构象变化。与完全激动剂谷氨酸或AMPA在不同条件预处理后的开放态结构区别明显。

核心发现2：从“完整”到“破裂”——阶梯式脱敏的结构快照