2023年12月11日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心姜道華團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院生物物理研究所及趙巖團(tuán)隊(duì)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(yùn)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(yùn)輸單胺底物過程中的構(gòu)象變化及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。該研究成果以“Transport and inhibition mechanisms of human VMAT2”為題在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)發(fā)表。

神經(jīng)遞質(zhì)是一類可傳遞信號(hào)的化學(xué)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(dòng)中發(fā)揮重要作用。例如，5羥色胺與情緒及睡眠相關(guān)；多巴胺則與獎(jiǎng)賞、成癮及滿足感有關(guān)。當(dāng)神經(jīng)遞質(zhì)傳遞遇到障礙時(shí)會(huì)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(yùn)蛋白，負(fù)責(zé)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(yùn)到囊泡中儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)障礙、精神性焦慮的藥物靶點(diǎn)。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(jì)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(dòng)性運(yùn)動(dòng)障礙，年銷售額達(dá)到10億美元。盡管許多研究揭示了VMAT2的生物學(xué)和藥理學(xué)性質(zhì)，但是對(duì)于VMAT2的底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及藥物分子的抑制機(jī)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(gè)難題，研究者通過篩選融合蛋白位點(diǎn)，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(jì)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(yùn)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(shí)驗(yàn)及分子動(dòng)力學(xué)模擬，作者提出一種底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制：即一個(gè)質(zhì)子通過與底物競爭結(jié)合來促進(jìn)底物釋放，另一個(gè)質(zhì)子通過中央腔內(nèi)部的氫鍵網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致VMAT2被鎖定在胞質(zhì)開口并阻斷單胺進(jìn)入底物結(jié)合位點(diǎn)。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(diǎn)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(jìn)行比對(duì)，VMAT2采用MFS超家族的交替訪問機(jī)制實(shí)現(xiàn)構(gòu)象轉(zhuǎn)換。構(gòu)象變化過程時(shí)中央腔中酸性殘基的質(zhì)子化將導(dǎo)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(shí)底物結(jié)合并破壞殘基對(duì)相互作用實(shí)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)

團(tuán)隊(duì)介紹
姜道華實(shí)驗(yàn)室長期利用冷凍電鏡，X-射線晶體學(xué)研究重要膜蛋白結(jié)構(gòu)，例如轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、通道蛋白等，結(jié)合生化和電生理以及分子動(dòng)力學(xué)模擬探究分子機(jī)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(xué)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