Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II alpha subunit (CaMKIIα) is a key neuronal signaling protein and an emerging drug target. The central hub domain regulates the activity of CaMKIIα by organizing the holoenzyme complex into functional oligomers, yet pharmacological modulation of the hub domain has never been demonstrated. Here, using a combination of photoaffinity labeling and chemical proteomics, we show that compounds related to the natural substance γ-hydroxybutyrate (GHB) bind selectively to CaMKIIα. By means of a 2.2-Å x-ray crystal structure of ligand-bound CaMKIIα hub, we reveal the molecular details of the binding site deep within the hub. Furthermore, we show that binding of GHB and related analogs to this site promotes concentration-dependent increases in hub thermal stability believed to alter holoenzyme functionality. Selectively under states of pathological CaMKIIα activation, hub ligands provide a significant and sustained neuroprotection, which is both time and dose dependent. This is demonstrated in neurons exposed to excitotoxicity and in a mouse model of cerebral ischemia with the selective GHB analog, HOCPCA (3-hydroxycyclopent-1-enecarboxylic acid). Together, our results indicate a hitherto unknown mechanism for neuroprotection by a highly specific and unforeseen interaction between the CaMKIIα hub domain and small molecule brain-penetrant GHB analogs. This establishes GHB analogs as powerful tools for investigating CaMKII neuropharmacology in general and as potential therapeutic compounds for cerebral ischemia in particular.

钙²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II α 亚基 (CaMKIIα) 是一种关键的神经元信号蛋白和新兴的药物靶点。中央枢纽结构域通过将全酶复合物组织成功能性寡聚体来调节 CaMKIIα 的活性，但枢纽结构域的药理学调节从未被证实。在这里，使用光亲和标记和化学蛋白质组学的组合，我们表明与天然物质 γ-羟基丁酸酯 (GHB) 相关的化合物选择性地与 CaMKIIα 结合。通过配体结合的 CaMKIIα 中心的 2.2 埃 X 射线晶体结构，我们揭示了中心深处结合位点的分子细节。此外，我们表明 GHB 和相关类似物与该位点的结合促进了据信改变全酶功能的中枢热稳定性的浓度依赖性增加。选择性地在病理性 CaMKIIα 激活状态下，中枢配体提供显着且持续的神经保护，其具有时间和剂量依赖性。这在暴露于兴奋性毒性的神经元和具有选择性 GHB 类似物 HOCPCA（3-羟基环戊-1-烯羧酸）的脑缺血小鼠模型中得到证实。总之，我们的结果表明，CaMKIIα 枢纽结构域与小分子脑渗透 GHB 类似物之间的高度特异性和不可预见的相互作用具有迄今为止未知的神经保护机制。这将 GHB 类似物确立为研究 CaMKII 神经药理学的强大工具，特别是作为脑缺血的潜在治疗化合物。这是时间和剂量依赖性的。这在暴露于兴奋性毒性的神经元和具有选择性 GHB 类似物 HOCPCA（3-羟基环戊-1-烯羧酸）的脑缺血小鼠模型中得到证实。总之，我们的结果表明，CaMKIIα 枢纽结构域与小分子脑渗透 GHB 类似物之间的高度特异性和不可预见的相互作用具有迄今为止未知的神经保护机制。这将 GHB 类似物确立为研究 CaMKII 神经药理学的强大工具，特别是作为脑缺血的潜在治疗化合物。这是时间和剂量依赖性的。这在暴露于兴奋性毒性的神经元和具有选择性 GHB 类似物 HOCPCA（3-羟基环戊-1-烯羧酸）的脑缺血小鼠模型中得到证实。总之，我们的结果表明，CaMKIIα 枢纽结构域与小分子脑渗透 GHB 类似物之间的高度特异性和不可预见的相互作用具有迄今为止未知的神经保护机制。这将 GHB 类似物确立为研究 CaMKII 神经药理学的强大工具，特别是作为脑缺血的潜在治疗化合物。我们的结果表明，通过 CaMKIIα 枢纽结构域和小分子脑渗透 GHB 类似物之间高度特异性和不可预见的相互作用，存在迄今为止未知的神经保护机制。这将 GHB 类似物确立为研究 CaMKII 神经药理学的强大工具，特别是作为脑缺血的潜在治疗化合物。我们的结果表明，通过 CaMKIIα 枢纽结构域和小分子脑渗透 GHB 类似物之间高度特异性和不可预见的相互作用，存在迄今为止未知的神经保护机制。这将 GHB 类似物确立为研究 CaMKII 神经药理学的强大工具，特别是作为脑缺血的潜在治疗化合物。