Mg²⁺是神经系统中一种重要的二价阳离子，广泛参与神经发育、突触可塑性以及体内稳态的维持，其胞外浓度约为1 mM。Mg²⁺最为人熟知的功能之一是作为NMDA受体的电压依赖性阻断剂。20世纪80年代初， 多伦多大学Macdonald等人发现NMDA受体的激活不仅依赖于配体（谷氨酸）结合，还表现出“不同寻常”的电压依赖性门控特性——这一现象在离子型谷氨酸受体家族中为NMDA受体所独有（图1A-B）。随后，法国Nowak和Acher、美国Mayer和Westbrook等人揭示了这一现象背后的机制：Mg²⁺对NMDA受体具有电压依赖性阻断作用（图1C）。在静息膜电位下，Mg²⁺会结合NMDA受体并阻断其电流；当膜电位去极化时，这种阻断作用会被解除。这种双信号协同调控机制，使NMDA受体能够作为突触可塑性的“coincidence detector”，在突触前神经递质释放与突触后去极化同步发生时才被激活，进而触发Ca²⁺依赖的胞内信号级联反应。这一特性奠定了NMDA受体在学习记忆、长时程增强及神经发育中的核心地位。

然而，由于Mg²⁺离子半径小，冷冻电镜的分辨率不足以清晰捕捉其结合位点。Mg²⁺在NMDA受体中的具体结合位点及其调控机制，以及Mg²⁺阻断而Ca²⁺通透的结构基础，一直未得到全面解析。研究团队首先利用双电极电压钳技术记录表达在爪蟾卵母细胞上的NMDA受体并记录电流-电压特性曲线。在负电压下Mg²⁺对GluN1-N2A和GluN1-N2B两种NMDA受体亚型的阻断作用具有相似的亲和力。然而，在正电压下，Mg²⁺仅对GluN1-N2B受体的外向电流表现出显著性的增强作用（图1D）。这一结果与90年代中期Wang和Paoletti等人在培养的神经元和脑片电生理记录中观察到的现象一致，即在去极化膜电位下，Mg²⁺显著增强了NMDA受体介导的外向电流。

图1. NMDA受体在突触传递中的功能与镁离子作用机制。

A) 谷氨酸能突触传递的示意图。B) AMPA和NMDA受体介导的EPSC成分（摘自Hansen et al., 2018）。C) 谷氨酸激活受体的I-V curve（摘自Nowak et al., 1984）。D) 电压依赖性Mg²⁺对GluN1-N2A和GluN1-N2B亚型的不同作用。

为了进一步明确Mg²⁺调控GluN1-N2B的结构机制，研究团队纯化了人源的GluN1-N2B受体蛋白，并分别解析了在Mg²⁺或在二价离子螯合剂EDTA存在下的高分辨率三维结构。通过结构比较、点突变和电生理功能验证，研究团队鉴定出三个不同的Mg²⁺结合位点（图2A）。具体而言，位点Ⅰ位于GluN1-N2B受体的选择性过滤器处，天冬酰胺环的侧链与Mg²⁺形成配位键，介导了电压依赖性阻断效应。位点Ⅱ和位点Ⅲ位于GluN2B亚基的N端结构域上的不同口袋。其中，位点Ⅱ由三个酸性残基组成，当这些残基同时突变时，GluN2B特异性Mg²⁺增强作用完全消失；而位点Ⅲ与Zn²⁺结合口袋重叠，该位点的突变进一步提高了Mg²⁺的增强作用，证明该位点参与了变构抑制作用（图2B）。

图2. Mg²⁺调控NMDA受体门控的分子机制。

A）Mg²⁺结合的人源GluN1-GluN2B受体三维结构。B) Mg²⁺不同作用位点的功能验证。在负电压下，位点Ⅰ点突变显著减弱Mg²⁺的电压依赖性阻断效应。在正电压下，位点Ⅱ位点突变消除了GluN2B特异性的Mg²⁺增强效应；位点Ⅲ位点突变进一步提高Mg²⁺增强作用。

此外，研究团队通过分子动力学模拟揭示了Mg²⁺和Ca²⁺与NMDA受体残基相互作用的差异。在三次独立的模拟中，Mg²⁺始终与天冬酰胺残基形成稳定的相互作用，而Ca²⁺由于范德华力半径更大，主要与水分子形成配位键。这种差异导致Ca²⁺无法像Mg²⁺一样在天冬酰胺环形成的空间内紧密结合，从而为NMDA受体中对Mg²⁺阻断和Ca²⁺通透的选择性差异提供了新的认识。综上所述，研究团队通过整合单颗粒冷冻电镜、电压钳记录和分子动力学模拟等技术，揭示了Mg²⁺在NMDA受体中的多样化调控机制，阐明了GluN1-N2B受体通道对胞外Mg²⁺浓度的复杂响应特性(图3)。这一研究不仅深化了对Mg²⁺在NMDA受体中作用的理解，还为揭示其在突触可塑性中的关键调控机制提供了全方位的见解。

图3. Mg²⁺作用于GluN1-N2B受体的示意图。

位点Ⅰ位于TMD区域内选择性滤器的顶端，在静息膜电位下通道被Mg²⁺阻断。这种阻断在膜去极化时得到解除，从而允许Ca²⁺流入神经元。位点Ⅱ和位点Ⅲ分别位于GluN2B-NTD的两侧，位点Ⅱ参与GluN2B-NTD驱动的变构增强，而位点Ⅲ参与变构抑制作用。

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