古老动物门类揭示离子型谷氨酸受体配体特异性与多胺调控的进化机制

本研究通过系统分析古老动物门类（Placozoa）的离子型谷氨酸受体（iGluRs），揭示了epsilon型受体在配体特异性、多胺调控和离子选择性方面的独特进化特征。研究人员采用电生理学、结构建模和分子进化分析，发现仅需改变三个关键氨基酸即可转换GluE1aA受体的配体特异性，并证实Q/R/N位点和+4位点天冬氨酸在Ca2+渗透性和多胺调控中的保守作用。该研究为理解神经递质受体的早期进化提供了重要线索。

　　

在神经系统的进化历程中，离子型谷氨酸受体（iGluRs）作为最重要的神经递质受体家族之一，其多样化的功能特性一直令科学家着迷。然而，这些受体在早期动物中的进化轨迹仍存在诸多谜团。特别是近年来新发现的epsilon型iGluRs，它们在非两侧对称动物中广泛存在，却缺乏深入的功能表征。更引人深思的是，这些古老受体如何通过简单的氨基酸改变实现配体特异性的转换？其离子通道特性是否遵循与高等动物相似的调控原则？

为解答这些问题，由Anhadvir Singh领衔的国际研究团队对Placozoa（扁盘动物门）这一最原始的多细胞动物类群展开了深入研究。选择Trichoplax adhaerens作为模式生物具有独特优势：这种毫米级海洋无脊椎动物虽缺乏神经系统和突触，却拥有丰富的iGluR基因 repertoire。研究团队通过构建涵盖88种真核生物和96种Diaphoretickes物种的iGluR系统发育树，结合电生理学、结构建模和定点突变等技术，揭示了epsilon受体在配体识别和离子通道调控方面的进化创新。相关成果发表在《Communications Biology》上。

关键技术方法包括：1）基于物种树指导的基因家族进化分析（GeneRax软件）；2）CHO-K1细胞表达系统和全细胞膜片钳记录；3）AlphaFold2/3蛋白质结构预测和分子对接；4）单颗粒冷冻电镜结构引导的孔道开放状态建模；5）双离子反转电位实验测定Ca²⁺/单价离子通透比（pCa²⁺/pX⁺）。

研究结果主要包含以下重要发现：

Eukaryotic phylogeny of iGluRs and a revised nomenclature of placozoan iGluRs
系统发育分析首次明确了placozoan iGluRs的三大epsilon亚类（GluE1-GluE3），其中GluE1亚型在肽能细胞中高表达。值得注意的是，GluE1aA受体在配体结合域（LBD）关键位点（S653/I655/F732）的氨基酸组合预示其可能经历了从谷氨酸到甘氨酸特异性的近期进化转换。

The Trichoplax GluE1aA receptor has a broad ligand specificity and moderately fast recovery from desensitization
电生理表征显示野生型GluE1aA对甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸具有亚毫摩尔级敏感性（EC₅₀：丙氨酸0.049±0.011 mM，甘氨酸0.11±0.02 mM），而对谷氨酸无反应。该受体表现出快速脱敏恢复（τ=184±45 ms），显著快于栉水母ML032222a受体的81秒。

Mutation of key residues in the ligand binding domain switches ligand specificity from glycine to glutamate
通过S653G/I655T/F732Y三重突变，成功将GluE1aA的配体特异性转换为谷氨酸（EC₅₀=0.61±0.06 mM），并伴随AMPA敏感性的新生。分子对接显示，F732Y突变通过盐桥作用使D705远离配体，而I655T引入的羟基增强了与谷氨酸侧链的相互作用。

A unique serine residue in the Q/R/N site decreases voltage-dependent regulation by polyamines
GluE1aA孔道Q/R/N位点的非典型丝氨酸（S642）导致多胺阻断减弱（K_d(0mV)=11.4±1.9 μM）和Ca²⁺渗透性降低（pCa²⁺/pNa⁺=0.81±0.14）。引人注目的是，将该丝氨酸引入人源GluA2受体（Q607S）同样减弱了多胺调控（K_d(0mV)从5.4增至36.2 μM）。

Insights into polyamine regulation of GluE1aA by modelling and extracellular perfusion of polyamines
结构建模揭示+4位点天冬氨酸（D646）构成多胺结合的关键位点，其突变（D646A）几乎完全消除电压依赖性阻断。外源性精胺（1 mM）对野生型和D646A突变体的阻断率分别为17.9%和40.2%，暗示酸性残基可能促进多胺穿过孔道。

这项研究在多个层面取得了突破性进展：首先，通过"分子古生物学"方法证实，仅需少数关键突变即可实现iGluR配体特异性的进化转换，为受体功能多样性产生机制提供了直接证据。其次，发现Q/R/N位点和+4位点天冬氨酸在多胺调控中的功能在AKDF和epsilon受体间高度保守，暗示这一调控机制起源于动物进化早期。特别值得注意的是，Placozoa的GluE1受体通过Q/R/N位点丝氨酸获得独特的离子通道特性，可能与其在原始肽能细胞中的生理功能相适应。

该研究不仅填补了我们对原始动物神经信号系统认知的空白，更为理解现代神经递质受体的结构-功能关系提供了进化视角。这些发现可能启发新型iGluR调节剂的设计，特别是针对多胺结合位点的靶向药物开发。此外，研究建立的Placozoa iGluR命名系统（GluE1-GluE3）和功能分析框架，为后续研究其他古老动物门类的神经信号分子奠定了重要基础。