GABAA受体是中枢神经系统中主要的抑制性神经递质受体，可以通过介导神经细胞外氯离子内流从而抑制神经的兴奋性。GABAA受体在神经细胞膜上的定位分布对神经信号的产生与传导具有重要调控作用。大量研究表明，GABAA受体在细胞膜分布水平的失调与神经系统疾病的发生密切相关，包括多种神经发育及信号传导疾病，如精神分裂症、两极性躁郁症和自闭症等；慢性神经系统疾病，如焦虑、抑郁和失眠等。此外，GABAA受体还是重要的中枢神经疾病药物靶点。因此，GABAA受体的动态调控对于神经系统的重要作用毋庸置疑，一直以来都是国内外研究的焦点。然而，关于细胞膜上的GABAA受体转运调控的分子机制研究还存在大量的空白。
近日，中国科学技术大学无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室、微尺度物质科学国家研究中心、生命科学与医学部王朝教授课题组和熊伟教授课题组合作在《Nature Communications》上在线发表了题为“Structural basis of GABARAP-mediated GABAA receptor trafficking and functions on GABAergic synaptic transmission”的研究论文。该研究利用结构生物学、神经生物学和化学生物学的深度交叉合作，揭示了GABARAP促进GABAA受体细胞膜转运的分子机制。
图1：GABARAPL1/γ2-GIM复合物晶体结构以及GABARAP对GABA能神经信号传递的影响
GABARAP最早被鉴定为与GABAA受体γ2亚基相互作用的蛋白，是参与GABAA受体细胞膜定位过程的重要蛋白之一。过往的研究发现，GABARAP可以提高GABAA受体在COS-7细胞膜和海马神经元细胞膜上的分布水平，但其具体作用途径仍然不清晰。在此项研究中，研究人员通过体外生化实验发现γ2亚基的TM3-TM4胞内段一段18个氨基酸的短肽（γ2-GIM）能直接结合GABARAP，并利用多种生化手段进行了定量的相互作用分析。研究团队进一步发现γ2-GIM结合GABARAP和GABARAPL1的特异性，并解析了GABARAPL1/γ2-GIM复合物的三维结构，确定了复合物组装的分子机制。接下来，研究人员在HEK293细胞中共表达GABAA受体和GABARAP，并通过电生理手段发现GABARAP显著提高了GABAA介导的氯离子电流。这种作用可以被膜蛋白内吞抑制剂进一步增强；但当加入细胞外泌抑制剂后GABAA介导的氯离子电流则明显降低，证明GABARAP的作用途径为促进受体的转运过程。最后，研究团队利用课题组此前开发的Ankyrin来源的干扰性多肽工具(Nat Chem Biol, 2018)，内源性的破坏小鼠脑内GABAA受体和GABARAP的相互结合后，发现运动皮层神经元的微小抑制性突触后电流的发放（mIPSCs）显著降低。该工作过运用多种生物学研究方法来研究GABAA受体与GABARAP的复合物的结构和功能，揭示GABARAP调节GABAA受体在细胞膜上动态分布水平的分子机理，为相关的人类神经系统疾病的治疗和高效特异性药物的研发提供了充实的结构信息和分子基础。
中国科学技术大学王朝教授、熊伟教授以及华南理工大学李健潮教授为论文的共同通讯作者，王朝课题组博士后叶进和熊伟课题组特任副研究员邹桂昌为论文的共同第一作者。该研究得到了香港科技大学张明杰院士课题组的大力支持。研究工作获得了无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室、微尺度国家研究中心、国家自然科学基金委、科技部、中科院人才项目入选者计划及中国博士后基金等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20624-z
无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心、生命科学与医学部、科研部