Nature：參與神經化學物質(如血清素和多巴胺)運動的轉運蛋白結構

來源：作者：人氣：-發表時間：2023-11-07 16:23:00【大中小】

摘要：圣猶達兒童研究醫院的科學家們確定了參與神經化學物質(如血清素和多巴胺)運動的轉運蛋白的結構，揭示了指導藥物開發的多種機制。

神經元通過一種叫做神經遞質的化學信號相互交流。St. Jude兒童研究醫院的科學家利用結構生物學專業知識確定了水皰單胺轉運蛋白2 (VMAT2)的結構，VMAT2是神經元通信的關鍵組成部分。通過觀察不同狀態下的VMAT2，科學家們現在更好地了解了它的功能，以及蛋白質的不同形狀如何影響藥物結合——這是治療多動癥(過度運動)疾病(如圖雷特綜合癥)的藥物開發的關鍵信息。這項研究今天發表在《自然》雜志上。

圖1 VMAT2的神經遞質轉運和藥物抑制機制

我們的神經元是如何相互交流的

單胺類化合物，包括多巴胺、血清素和腎上腺素，在神經元交流中起著核心作用。這些分子影響大腦的工作方式，控制我們的情緒、睡眠、運動、呼吸、循環和許多其他功能。單胺是由神經元產生和釋放的神經遞質(信號分子)，但在它們被釋放之前，它們必須首先被包裝成囊泡。

神經遞質在突觸(化學信號從一個神經元傳遞到另一個神經元的連接處)釋放之前，囊泡是儲存神經遞質的細胞隔室。把囊泡想象成神經元細胞的貨船——神經化學物質被裝入其中，并被帶到它們需要去的地方。VMATs是這些囊泡膜上的蛋白質，它將單胺類物質運送到其中的空間，就像貨船的裝載起重機一樣。

“VMATs是將這些單胺類神經遞質包裝到突觸囊泡中所需的轉運蛋白，”St. Jude結構生物學系的共同通訊作者Chia-Hsueh Lee博士解釋說。

一旦VMAT用單胺填充了囊泡，“貨船”就會向突觸間隙(神經元之間的空間)移動，在那里釋放化合物。

單胺轉運蛋白的多面體

VMAT有兩種類型:VMAT1和VMAT2。VMAT1更專門化，僅在神經內分泌細胞中發現，而VMAT2在整個神經系統中發現，具有重要的臨床意義。

“我們知道VMAT2在生理上非常重要，這種轉運體是用于治療舞蹈病和圖雷特綜合癥等多動障礙的藥理學相關藥物的靶標。”

盡管它們很重要，但VMAT2的結構仍然難以捉摸，這將使研究人員能夠研究它是如何完全工作的。Lee和他的團隊使用冷凍電子顯微鏡(cro - em)獲得了VMAT2與單胺5 -羥色胺和藥物tetrabenazine和利血平結合的結構，這兩種藥物分別用于治療舞蹈病和高血壓。這不是一件容易的事。

共同第一作者Yaxin Dai博士解釋說：“VMAT2是一種小的膜蛋白，這使得它成為低溫電鏡結構測定的一個非常具有挑戰性的目標。”

盡管困難重重，并且使用了一些巧妙的技巧，研究小組還是捕獲了VMAT2的多個結構，這使他們能夠梳理出蛋白質的功能，并研究這些藥物的確切工作原理。“VMAT轉運體在運輸底物時采用多種構象[形狀]。這被稱為交替進入運輸，其中蛋白質要么向外，要么向內，”共同第一作者，圣裘德結構生物系的Shabareesh Pidathala博士解釋說。“為了在原子水平上完全獲得機制理解，我們需要捕獲這種轉運體的多種構象。”

圖2 VMAT2的結構設計和序列比對

回答一個40年前的問題

研究人員發現，這種動態機制意味著藥物有多種結合機會。他們證實利血平和丁苯那嗪結合兩種不同的VMAT2構象。“30或40年的藥理學研究表明，這兩種藥物以不同的方式與轉運體結合，”Pidathala說，“但沒有人知道這是如何工作的原子細節。我們的結構很好地證明了這兩種藥物穩定了轉運蛋白的兩種不同構象，從而阻止了它的活性。”

VMAT2與血清素結合的結構使研究人員能夠確定與神經遞質相互作用并驅動運輸的特定氨基酸。李說:“我們相信這是一種共同的機制，這種轉運體使用這種機制來參與所有的單胺。”

雖然這項工作為理解單胺轉運提供了巨大的飛躍，但Lee和他的團隊正在更深入地研究其機制。例如，單胺類物質進入囊泡是由質子向另一個方向運動而產生的。“我們確定了對質子依賴過程很重要的氨基酸，”Lee說，“但我們仍然不知道質子是如何驅動這種運輸的。”確定這種機制是我們未來的方向，這將有助于我們充分了解這種轉運體是如何工作的。”

參考資料

[1] Mechanisms of neurotransmitter transport and drug inhibition in human VMAT2