文獻解讀：大腦神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運體VMAT2的轉(zhuǎn)運及藥物抑制的分子機制
2023年12月11日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心姜道華團隊和中國科學院生物物理研究所及趙巖團隊合作，通過冷凍電鏡單顆粒技術(shù)重構(gòu)出囊泡單胺轉(zhuǎn)運蛋白VMAT2處于不同構(gòu)象的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了VMAT2在運輸單胺底物過程中的構(gòu)象變化及轉(zhuǎn)運機制。該研究成果以“Transport and inhibition mechanisms of human VMAT2”為題在國際學術(shù)期刊《自然》(Nature)發(fā)表。
神經(jīng)遞質(zhì)是一類可傳遞信號的化學物質(zhì)，在諸如情緒、記憶、生長發(fā)育和藥物成癮等多種神經(jīng)活動中發(fā)揮重要作用。例如，5羥色胺與情緒及睡眠相關；多巴胺則與獎賞、成癮及滿足感有關。當神經(jīng)遞質(zhì)傳遞遇到障礙時會出現(xiàn)失眠、抑郁、精神分裂，帕金森、亨廷頓舞蹈癥等精神疾病。而VMAT2是大腦中最重要的囊泡單胺轉(zhuǎn)運蛋白，負責將5羥色胺、多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素和組胺等神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運到囊泡中儲存，以便受到外界刺激后釋放單胺神經(jīng)遞質(zhì)（圖1）。
目前在臨床上，VMAT2作為治療高血壓、亨廷頓舞蹈癥等運動障礙、精神性焦慮的藥物靶點。利血平（Reserpine, RES）和丁苯那嗪（Tetrabenazine, TBZ）是兩種經(jīng)典的VMAT2抑制劑。從20世紀50年代起，利血平被廣泛用于治療高血壓。丁苯那嗪在臨床上用于治療亨廷頓舞蹈癥等多動性運動障礙，年銷售額達到10億美元。盡管許多研究揭示了VMAT2的生物學和藥理學性質(zhì)，但是對于VMAT2的底物轉(zhuǎn)運機制及藥物分子的抑制機制仍不清楚。
VMAT2分子量僅為56 kDa, 利用冷凍電鏡解析如此小的膜蛋白非常困難。為了解決這個難題，研究者通過篩選融合蛋白位點，成功得到性質(zhì)更加穩(wěn)定，分子量增大的VMAT2樣品用于冷凍透射電鏡數(shù)據(jù)采集，通過計算重構(gòu)出VMAT2與三種藥物分子及底物5羥色胺結(jié)合的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明，獲得的電鏡結(jié)構(gòu)處于胞質(zhì)朝向、閉塞狀態(tài)及囊泡腔朝向的不同構(gòu)象，代表了VMAT2完整轉(zhuǎn)運循環(huán)中的三種典型構(gòu)象。底物及抑制劑分子結(jié)合在 VMAT2的中央結(jié)合腔內(nèi) (圖2)。
5羥色胺通過氫鍵與靜電相互作用結(jié)合在VMAT2中。結(jié)合功能實驗及分子動力學模擬，作者提出一種底物轉(zhuǎn)運機制：即一個質(zhì)子通過與底物競爭結(jié)合來促進底物釋放，另一個質(zhì)子通過中央腔內(nèi)部的氫鍵網(wǎng)絡來驅(qū)動構(gòu)象轉(zhuǎn)換。VMAT2-利血平結(jié)構(gòu)表明利血平完全嵌入底物結(jié)合腔中，導致VMAT2被鎖定在胞質(zhì)開口并阻斷單胺進入底物結(jié)合位點。在VMAT2-丁苯那嗪結(jié)構(gòu)中，丁苯那嗪結(jié)合引起蛋白構(gòu)象變化使VMAT2處于閉塞狀態(tài)。
此外，雖然酮色林與丁苯那嗪結(jié)合位點類似，但酮色林結(jié)合限制了蛋白在囊泡腔一側(cè)的閉合，將VMAT2鎖定在囊泡腔朝向構(gòu)象。最后作者將不同構(gòu)象的結(jié)構(gòu)進行比對，VMAT2采用MFS超家族的交替訪問機制實現(xiàn)構(gòu)象轉(zhuǎn)換。構(gòu)象變化過程時中央腔中酸性殘基的質(zhì)子化將導致構(gòu)象轉(zhuǎn)換和底物解離，轉(zhuǎn)換為胞質(zhì)朝向后殘基去質(zhì)子化，此時底物結(jié)合并破壞殘基對相互作用實現(xiàn)構(gòu)象轉(zhuǎn)化的封閉循環(huán)。
圖 2. VMAT2結(jié)合不同小分子的結(jié)構(gòu)
中國科學院物理研究所姜道華特聘研究員和生物物理所趙巖研究員為本文的共同通訊作者。中國科學院物理研究所博士生武迪、生物物理所博士生陳琦浩及于卓亞、北京望石智慧黃博、北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院趙珺為本文共同第一作者。此外，物理所姜道華組顏芮，生物物理所趙巖組王宇航、蘇嘉偉及李娜；望石智慧周峰也為本研究提供了幫助。
本研究得到國家自然科學基金創(chuàng)新群體項目，中國科學院戰(zhàn)略重點研究計劃和中國科學院物理研究所的資助。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集得到中國科學院物理研究所SM10組冷凍電鏡中心及軟物質(zhì)公共儀器平臺、北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院生物微觀結(jié)構(gòu)研究平臺、中國科學院生物物理所蛋白質(zhì)科學研究平臺生物成像中心的技術(shù)支持。
研究方法亮點
這項工作通過冷凍電鏡單顆粒技術(shù)重構(gòu)出VMAT2處于不同構(gòu)象的高分辨率結(jié)構(gòu)，為理解VMAT2的底物識別、藥物抑制、質(zhì)子耦合轉(zhuǎn)運過程以及相關靶向藥物的開發(fā)提供了關鍵的結(jié)構(gòu)信息。
在該研究中，作者還用到了瑞沃德公司生產(chǎn)的自動細胞計數(shù)和PCR儀等細胞與分子生物研究設備，為研究的順利開展提供了支持。
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團隊介紹
姜道華實驗室長期利用冷凍電鏡，X-射線晶體學研究重要膜蛋白結(jié)構(gòu)，例如轉(zhuǎn)運蛋白、通道蛋白等，結(jié)合生化和電生理以及分子動力學模擬探究分子機制。已在Nature (2), Cell (2), Nature Structural & Molecular Biology (2), Nature Chemical Biology, PNAS (2), Nature Communications (3), Cell Reports (2) 等學術(shù)期刊發(fā)表論文二十余篇。
原文鏈接：hhttps://www.nature.com/articles/s41586-023-06926-4
