“快樂荷爾蒙”如何被運(yùn)輸？我科學(xué)家揭示轉(zhuǎn)運(yùn)及抑制機(jī)制

光明網(wǎng)訊（記者宋雅娟）12月12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)隊和中國科學(xué)院生物物理研究所趙巖團(tuán)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(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“人源VMAT2的轉(zhuǎn)運(yùn)及抑制機(jī)制”為題在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)發(fā)表。

神經(jīng)元中VMAT2的作用機(jī)制

神經(jīng)元之間的信息交流需要“快樂荷爾蒙”

人類的大腦中分布著上百億個神經(jīng)元細(xì)胞，獨(dú)立的神經(jīng)元之間通過“突觸”連接。但是一個問題隨之而來，信息是如何實現(xiàn)跨越突觸傳遞的？

為此，德國藥理學(xué)家奧托·洛伊維巧妙地設(shè)計了蛙心實驗，證明刺激迷走神經(jīng)后釋放出了某種化學(xué)物質(zhì)，而并非電信號。之后洛伊維成功分離出了該物質(zhì)，即乙酰膽堿，他與戴爾一同獲1936年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎，這是人類歷史上第一個被發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)遞質(zhì)。

之后瑞典科學(xué)家阿爾維德·卡爾森因發(fā)現(xiàn)另外一種神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺，并證實其分泌不足會引發(fā)帕金森疾病，與另外兩位解釋突觸傳遞的科學(xué)家獲得2000年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。從此，神經(jīng)遞質(zhì)的神秘面紗被逐漸揭開，到目前已發(fā)現(xiàn)了包括多巴胺、5羥色胺、腎上腺素、乙酰膽堿、氨基酸等多種物質(zhì)可作為神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控神經(jīng)活動。

神經(jīng)遞質(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(guān)；多巴胺則與獎賞、成癮及滿足感有關(guān)。

誰來幫助“快樂荷爾蒙”在大腦中的運(yùn)輸？

在神經(jīng)元靜息狀態(tài)下，神經(jīng)遞質(zhì)一旦被合成就會被運(yùn)輸至囊泡中高濃度儲存，直到接收到刺激信號后才會引起囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)及遞質(zhì)釋放，從而防止了持續(xù)性刺激。

囊泡膜上必然存在某種可以將多種神經(jīng)遞質(zhì)逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡內(nèi)的物質(zhì)。在20世紀(jì)70年代，科研人員鑒定出位于腦中的一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)將神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)并存儲起來，并命名為VMAT2。五十年以來， VMAT2的底物偏好性和藥理學(xué)等性質(zhì)逐步被揭示。

VMAT2屬于溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)18家族成員SLC18，能夠利用囊泡內(nèi)的質(zhì)子電化學(xué)梯度促進(jìn)底物轉(zhuǎn)運(yùn)，據(jù)測算每轉(zhuǎn)運(yùn)一個單胺神經(jīng)遞質(zhì)需要消耗兩個質(zhì)子。如果把大腦比作城市，物質(zhì)信息傳遞則通過一條條“神經(jīng)元高速公路”進(jìn)行，囊泡是滿載“神經(jīng)遞質(zhì)貨物”的卡車，那么VMAT2則相當(dāng)于卡車自帶的“貨物起重機(jī)”，通過消耗卡車內(nèi)的質(zhì)子作為“能源”，確保城市間信息傳遞高效且迅速。

如果沒有VMAT2，那么卡車將會白跑一趟甚至罷工，最終導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)釋放不足，引發(fā)一系列單胺缺乏癥狀和疾病，包括發(fā)育遲緩、運(yùn)動障礙、抑郁癥、亨廷頓舞蹈癥等疾病。VMAT2的生理意義如此重要，探究VMAT2的結(jié)構(gòu)及其工作機(jī)制將對多種精神疾病的藥物靶點研發(fā)起到推動作用。

還原轉(zhuǎn)運(yùn)過程，為藥物抑制等分子機(jī)制提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

研究團(tuán)隊利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了單胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白VMAT2多種狀態(tài)的高分辨結(jié)構(gòu)，詳細(xì)解釋了單胺神經(jīng)遞質(zhì)的被轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡中的過程。

由于VMAT2是一種分子量非常小且缺乏可溶結(jié)構(gòu)域的膜蛋白（分子量僅為56 千道爾頓），利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析非常困難。

為了解決這個巨大的難題，研究隊伍通過篩選融合蛋白位點，將其他穩(wěn)定性很好的蛋白質(zhì)融合在VMAT2的胞外區(qū)，成功得到分子量增大、性質(zhì)穩(wěn)定、有剛性信號的VMAT2融合蛋白，使結(jié)構(gòu)解析的難度大大降低。最終成功通過冷凍電鏡手段計算并重構(gòu)出VMAT2與三種不同藥物分子及底物5羥色胺結(jié)合的近原子分辨率結(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。三種不同的構(gòu)象也代表不同藥物的抑制機(jī)制可能存在差異。例如，在得到的結(jié)構(gòu)中，利血平、丁苯那嗪、酮色林三種抑制劑結(jié)合的VMAT2結(jié)構(gòu)均處于不同的構(gòu)象。解析出的結(jié)構(gòu)很好地闡釋了三種不同藥物分子能夠穩(wěn)定VMAT2的構(gòu)象并阻斷運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制。而底物5羥色胺結(jié)合VMAT2時，VMAT2則處于囊泡朝向的構(gòu)象，代表著底物即將被釋放。

VMAT2結(jié)合不同小分子的結(jié)構(gòu)

該研究為理解VMAT2的底物識別、藥物抑制、質(zhì)子耦合轉(zhuǎn)運(yùn)過程等分子機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；為開發(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，該研究中解析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。

來源： 光明網(wǎng)