12月12日，中国科学院物理研究所、北京凝聚态物理国家研究中心姜道华团队和中国科学院生物物理研究所赵岩团队合作，通过冷冻电镜单颗粒技术重构出囊泡单胺转运蛋白VMAT2处于不同构象的高分辨率结构，揭示了VMAT2在运输单胺底物过程中的构象变化及转运机制。该研究成果以“人源VMAT2的转运及抑制机制”为题在国际学术期刊《自然》(Nature)发表。

神经元中VMAT2的作用机制

　　神经元之间的信息交流需要“快乐荷尔蒙”

　　人类的大脑中分布着上百亿个神经元细胞，独立的神经元之间通过“突触”连接。但是一个问题随之而来，信息是如何实现跨越突触传递的？

　　为此，德国药理学家奥托·洛伊维巧妙地设计了蛙心实验，证明刺激迷走神经后释放出了某种化学物质，而并非电信号。之后洛伊维成功分离出了该物质，即乙酰胆碱，他与戴尔一同获1936年诺贝尔生理或医学奖，这是人类历史上第一个被发现的神经递质。

　　之后瑞典科学家阿尔维德·卡尔森因发现另外一种神经递质多巴胺，并证实其分泌不足会引发帕金森疾病，与另外两位解释突触传递的科学家获得2000年诺贝尔生理或医学奖。从此，神经递质的神秘面纱被逐渐揭开，到目前已发现了包括多巴胺、5-羟色胺、肾上腺素、乙酰胆碱、氨基酸等多种物质可作为神经递质调控神经活动。

　　神经递质在诸如情绪、记忆、生长发育和药物成瘾等多种神经活动中发挥重要作用。例如，5-羟色胺与情绪及睡眠相关；多巴胺则与奖赏、成瘾及满足感有关。

　　谁来帮助“快乐荷尔蒙”在大脑中的运输？

　　在神经元静息状态下，神经递质一旦被合成就会被运输至囊泡中高浓度储存，直到接收到刺激信号后才会引起囊泡转运及递质释放，从而防止了持续性刺激。

　　囊泡膜上必然存在某种可以将多种神经递质逆浓度梯度转运到囊泡内的物质。在20世纪70年代，科研人员鉴定出位于脑中的一种转运蛋白负责将神经递质转运并存储起来，并命名为VMAT2。五十年以来， VMAT2的底物偏好性和药理学等性质逐步被揭示。

　　VMAT2属于溶质转运18家族成员SLC18，能够利用囊泡内的质子电化学梯度促进底物转运，据测算每转运一个单胺神经递质需要消耗两个质子。如果把大脑比作城市，物质信息传递则通过一条条“神经元高速公路”进行，囊泡是满载“神经递质货物”的卡车，那么VMAT2则相当于卡车自带的“货物起重机”，通过消耗卡车内的质子作为“能源”，确保城市间信息传递高效且迅速。

　　如果没有VMAT2，那么卡车将会白跑一趟甚至罢工，最终导致神经递质释放不足，引发一系列单胺缺乏症状和疾病，包括发育迟缓、运动障碍、抑郁症、亨廷顿舞蹈症等疾病。VMAT2的生理意义如此重要，探究VMAT2的结构及其工作机制将对多种精神疾病的药物靶点研发起到推动作用。

　　还原转运过程，为药物抑制等分子机制提供结构基础

　　研究团队利用冷冻电镜单颗粒技术解析了单胺转运蛋白VMAT2多种状态的高分辨结构，详细解释了单胺神经递质的被转运到囊泡中的过程。

　　由于VMAT2是一种分子量非常小且缺乏可溶结构域的膜蛋白（分子量仅为56 千道尔顿），利用冷冻电镜单颗粒技术对其进行结构解析非常困难。

　　为了解决这个巨大的难题，研究队伍通过筛选融合蛋白位点，将其他稳定性很好的蛋白质融合在VMAT2的胞外区，成功得到分子量增大、性质稳定、有刚性信号的VMAT2融合蛋白，使结构解析的难度大大降低。最终成功通过冷冻电镜手段计算并重构出VMAT2与三种不同药物分子及底物5-羟色胺结合的近原子分辨率结构。

　　结构分析表明，获得的电镜结构处于胞质朝向、闭塞状态及囊泡腔朝向的不同构象，代表了VMAT2完整转运循环中的三种典型构象。三种不同的构象也代表不同药物的抑制机制可能存在差异。例如，在得到的结构中，利血平、丁苯那嗪、酮色林三种抑制剂结合的VMAT2结构均处于不同的构象。解析出的结构很好地阐释了三种不同药物分子能够稳定VMAT2的构象并阻断运输的分子机制。而底物5-羟色胺结合VMAT2时，VMAT2则处于囊泡朝向的构象，代表着底物即将被释放。

VMAT2结合不同小分子的结构

　　该研究为理解VMAT2的底物识别、药物抑制、质子耦合转运过程等分子机制提供了重要的结构基础；为开发靶向VMAT2的构象特异性以及亚型特异性药物提供了重要的结构信息。同时，该研究中解析VMAT2的方法能够应用于其他小型膜蛋白，将促进膜转运蛋白和其他小蛋白的电镜结构解析。

　　来源：https://share.gmw.cn/tech/2023-12/13/content_37024607.htm