多巴胺是一種被深入研究的“快樂”神經(jīng)遞質(zhì)。多巴胺是大腦中含量最豐富的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)，能夠激發(fā)人的愉悅感和滿足感。它在多巴胺能神經(jīng)元末梢合成，釋放到突觸間隙后，激活突觸前膜或突觸后膜上的多巴胺受體，參與調(diào)控大腦中認(rèn)知、運動、情緒和獎勵等相關(guān)過程的信息傳遞。位于突觸前膜的多巴胺轉(zhuǎn)運蛋白（DAT）負責(zé)回收突觸間隙中的多巴胺進入突觸前神經(jīng)元，從而終止多巴胺神經(jīng)信號傳遞，維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)多巴胺的穩(wěn)態(tài)平衡。較多精神疾病如抑郁癥、雙相情感障礙、帕金森綜合征和注意缺陷多動障礙（ADHD），均與異常的多巴胺水平有關(guān)。DAT在調(diào)控多巴胺神經(jīng)傳遞的空間和時間動態(tài)中發(fā)揮著重要作用，逐漸成為治療這些疾病的關(guān)鍵靶點。

哌醋甲酯（又稱利他林）是目前臨床上治療兒童和青少年ADHD使用最廣泛和最有效的一線藥物。哌醋甲酯通過抑制DAT，提高突觸間隙中的多巴胺濃度，進而提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮程度，幫助患者減少多動和沖動的行為并集中注意力。此外，可卡因、甲基苯丙胺（冰毒）和D-苯丙胺（安非他命）等精神興奮性藥物亦是通過降低DAT轉(zhuǎn)運多巴胺的活性，快速提高突觸間隙的多巴胺濃度，產(chǎn)生強烈的欣快感，導(dǎo)致獎賞反饋和強化效應(yīng)。這些非法興奮藥物的濫用成癮是全球性的公共健康問題。在過去幾十年，科研人員致力于開發(fā)治療可卡因成癮的藥物。研究發(fā)現(xiàn)，GBR12909、苯扎托品及其衍生物可以減弱可卡因引起的運動刺激和獎勵效應(yīng)，并減少自我給藥和強化學(xué)習(xí)行為，具有治療可卡因成癮的潛在前景。然而，關(guān)于DAT離子偶聯(lián)的底物識別機制和構(gòu)象轉(zhuǎn)換機制，以及與成癮和非成癮藥物分子之間的結(jié)合模式差異，尚未得到闡釋。而這些信息將有助于開發(fā)靶向DAT的低成癮性藥物以及治療成癮的藥物。

8月7日，中國科學(xué)院生物物理研究所趙巖團隊在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為Dopamine reuptake and inhibitory mechanisms in human dopamine transporter的最新研究成果。該研究利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了人源多巴胺轉(zhuǎn)運蛋白DAT未結(jié)合底物、結(jié)合底物多巴胺、結(jié)合治療ADHD藥物哌醋甲酯、結(jié)合GBR12909以及結(jié)合苯扎托品的五個高分辨率結(jié)構(gòu)。該研究首次揭示了人源DAT轉(zhuǎn)運過程中的外開、封閉和內(nèi)開三種構(gòu)象，鑒定了底物結(jié)合位點和離子結(jié)合位點，展示了人源DAT在多巴胺再攝取過程中精細的底物識別和構(gòu)象轉(zhuǎn)換過程。同時，該團隊首次闡明了靶向DAT的精神興奮劑藥物和抗精神興奮劑藥物不同的結(jié)合模式，為開發(fā)治療DAT相關(guān)精神疾病的藥物提供了指導(dǎo)信息。

DAT屬于鈉離子/溶質(zhì)同向轉(zhuǎn)運蛋白家族，在鈉離子和氯離子的驅(qū)動下經(jīng)歷外向開口、封閉和內(nèi)向開口三種狀態(tài)，進行底物多巴胺的跨膜轉(zhuǎn)運。該研究解析了分辨率為2.8 ?的多巴胺結(jié)合的封閉態(tài)結(jié)構(gòu)，并鑒定出兩個鈉離子和一個氯離子的結(jié)合位點。多巴胺結(jié)合在中央口袋中，且該口袋與細胞內(nèi)外兩側(cè)均不相通。它通過與結(jié)合口袋周圍的水分子和關(guān)鍵氨基酸形成大量氫鍵和疏水相互作用，從而實現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)合。為了探討這些相互作用對轉(zhuǎn)運功能的影響，該團隊將與多巴胺及離子結(jié)合密切相關(guān)的關(guān)鍵氨基酸進行了突變，并利用細胞表面定量實驗和放射性底物轉(zhuǎn)運實驗進行了功能鑒定。這些發(fā)現(xiàn)闡釋了離子結(jié)合和底物轉(zhuǎn)運之間的偶聯(lián)關(guān)系。

哌醋甲酯是治療ADHD的首選藥物。該研究首次解析了哌醋甲酯與DAT結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示其結(jié)合在朝向胞外側(cè)開口的結(jié)合口袋中，并與DAT形成了廣泛的相互作用。進一步，結(jié)構(gòu)分析顯示，哌醋甲酯與血清素轉(zhuǎn)運蛋白（SERT）的TM6a螺旋之間存在顯著的空間位阻，使得它可以有效抑制DAT和去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運蛋白，但幾乎不抑制SERT。然而，哌醋甲酯的濫用可能會引發(fā)類似于使用可卡因的成癮行為。為了探索治療可卡因成癮的關(guān)鍵機制，該團隊探討了GBR12909和苯扎托品這兩種具有治療潛力的藥物與DAT的結(jié)合方式。研究通過高分辨率的復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)了這兩種藥物在細胞內(nèi)腔中的不同結(jié)合方式，并通過放射性底物轉(zhuǎn)運實驗進一步驗證了參與相互作用和轉(zhuǎn)運體選擇性抑制的關(guān)鍵氨基酸。研究顯示，與可卡因和哌醋甲酯的結(jié)合模式不同，GBR12909和苯扎托品將DAT穩(wěn)定在內(nèi)向開口的構(gòu)象。這種差異的構(gòu)象偏好可能與它們不同的成癮性之間存在潛在關(guān)系。

研究工作得到科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）的資助。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集得到生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺生物成像中心、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院生物微觀結(jié)構(gòu)研究平臺的技術(shù)支持。放射性轉(zhuǎn)運實驗得到生物物理所放射性同位素實驗室的協(xié)助。

論文鏈接

多巴胺能神經(jīng)元中神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞過程

人源DAT天然狀態(tài)、結(jié)合底物多巴胺和三種抑制劑復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

人源DAT底物轉(zhuǎn)運模型及藥物分子抑制機制