N-メチル-D-アスパラギン酸受容体における脳内ニューロステロイドであるプレグネノロン硫酸の作用部位

Site of action of brain neurosteroid pregnenolone sulfate at the N-methyl-D-aspartate receptor.

• Barbora Hrcka Krausova
• Bohdan Kysilov
• Jiri Cerny
• Vojtech Vyklicky
• Tereza Smejkalova
• Marek Ladislav
• Ales Balik
• Miloslav Korinek
• Hana Chodounska
• Eva Kudova
• Ladislav Vyklicky

抄録

N-メチル-D-アスパラギン酸受容体（NMDAR）の機能低下は、いくつかの神経発達障害に関与している。NMDARの機能は、コレステロールやニューロステロイドであるプレグネノロン硫酸（PES）などの内因性化合物を含む積極的なアロステリック調節因子によって増強される。ここでは、PESが膜を介して受容体にアクセスし、その結合部位がコレステロールとは異なることを報告している。アラニン変異誘発により、ラットのGluN1(G638; I642)とGluN2B(W559; M562; Y823; M824)サブユニットでステロイド増強効果を阻害する残基が同定されました。分子動力学シミュレーションは、PESの非存在下では、GluN2BのM1らせん残基W559がM4らせん残基M824と相互作用することを示している。PESの存在下では、アゴニスト活性化受容体のM1およびM4らせんは再配列し、GluN1のM3らせん残基G638およびI642とより強固な相互作用を形成する。これにより、GluN1 M3らせんのオープン状態の位置が安定化された。これらのデータは、NMDARの正のアロステリックモジュレーターであるPESの結合部位を特定し、NMDARの活性を増強する新しい分子機構を明らかにしました。NMDARの陽性アロステリックモジュレーターには内因性ニューロステロイドであるプレグネノロン硫酸（PES）があるが、PESのNMDARへの結合部位や増強の分子機構は不明である。本研究では、PESとNMDARとの相互作用を説明するために、突然変異誘発とモデル化を組み合わせたパッチクランプ電気生理学を用いた。その結果、PESは受容体の膜貫通ドメイン（TMD）にGluN2B膜らせんM1、M4とGluN1らせんM3にある離散的な残基群に結合し、GluN1らせんM3の開放状態の位置を安定化することでNMDARの機能を増強することが明らかになった。

N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) hypofunction has been implicated in several neurodevelopmental disorders. NMDAR function can be augmented by positive allosteric modulators, including endogenous compounds, such as cholesterol and neurosteroid pregnenolone sulfate (PES). Here we report that PES accesses the receptor via the membrane and its binding site is different from that of cholesterol. Alanine mutagenesis has identified residues that disrupt the steroid potentiating effect at the rat GluN1 (G638; I642) and GluN2B(W559; M562; Y823; M824) subunit. Molecular dynamics simulation indicates that in the absence of PES, the GluN2B M1 helix residue W559 interacts with the M4 helix residue M824. In the presence of PES the M1 and M4 helices of agonist-activated receptor rearrange, forming a tighter interaction with the GluN1 M3 helix residues G638 and I642. This stabilizes the open-state position of the GluN1 M3 helices. Together, our data identify a likely binding site for the NMDAR positive allosteric modulator PES and describe a novel molecular mechanism by which NMDAR activity can be augmented.There is considerable interest in drugs that enhance NMDAR function and could compensate for receptor hypofunction associated with certain neuropsychiatric disorders. Positive allosteric modulators of NMDARs include an endogenous neurosteroid pregnenolone sulfate (PES), but the binding site of PES on the NMDAR and the molecular mechanism of potentiation are unknown. We use patch-clamp electrophysiology in combination with mutagenesis and modeling to describe the interaction of PES with the NMDAR. Our data indicate that PES binds to the transmembrane domain (TMD) of the receptor at a discrete group of residues at the GluN2B membrane helices M1 and M4 and the GluN1 helix M3, and that PES potentiates NMDAR function by stabilizing the open-state position of the GluN1 M3 helices.

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