12月12日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心姜道華團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合生物物理研究所趙巖團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用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(guò)程中的構(gòu)象變化及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。相關(guān)研究成果以《人源VMAT2的轉(zhuǎn)運(yùn)及抑制機(jī)制》為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。

神經(jīng)遞質(zhì)是一類可傳遞信號(hào)的化學(xué)物質(zhì)，在情緒、記憶、生長(zhǎng)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。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。盡管許多研究揭示了VMAT2的生物學(xué)和藥理學(xué)性質(zhì)，但對(duì)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?jī)H為56千道爾頓，故利用冷凍電鏡解析如此小的膜蛋白非常困難。為了解決這一難題，研究通過(guò)篩選融合蛋白位點(diǎn)，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(guò)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(guò)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，該研究提出一種底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，即一個(gè)質(zhì)子通過(guò)與底物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合來(lái)促進(jìn)底物釋放，另一個(gè)質(zhì)子通過(guò)中央腔內(nèi)部的氫鍵網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(kāi)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。該研究將不同構(gòu)象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，VMAT2采用MFS超家族的交替訪問(wèn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)構(gòu)象轉(zhuǎn)換。構(gòu)象變化過(guò)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)。

該研究為理解VMAT2的底物識(shí)別、藥物抑制、質(zhì)子耦合轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程等分子機(jī)制奠定了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并為開(kāi)發(fā)靶向VMAT2的構(gòu)象特異性以及亞型特異性藥物提供了重要的結(jié)構(gòu)信息。同時(shí)，該研究解析VMAT2的方法能夠應(yīng)用于其他小型膜蛋白，將促進(jìn)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和其他小蛋白的電鏡結(jié)構(gòu)解析。

研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、物理所人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集獲得物理所冷凍電鏡中心與軟物質(zhì)公共儀器平臺(tái)、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(tái)、生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)生物成像中心的技術(shù)支持。

論文鏈接

圖1.?神經(jīng)元中VMAT2的作用機(jī)制

圖2.?VMAT2結(jié)合不同小分子的結(jié)構(gòu)