光明網訊（記者宋雅娟）12月12日，中國科學院物理研究所、北京凝聚態物理國家研究中心姜道華團隊和中國科學院生物物理研究所趙巖團隊合作，通過冷凍電鏡單顆粒技術重構出囊泡單胺轉運蛋白VMAT2處于不同構象的高分辨率結構，揭示了VMAT2在運輸單胺底物過程中的構象變化及轉運機制。該研究成果以“人源VMAT2的轉運及抑制機制”為題在國際學術期刊《自然》(Nature)發表。

神經元中VMAT2的作用機制

神經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元細胞，獨立的神經元之間通過“突觸”連接。但是一個問題隨之而來，信息是如何實現跨越突觸傳遞的？

為此，德國藥理學家奧托·洛伊維巧妙地設計了蛙心實驗，證明刺激迷走神經后釋放出了某種化學物質，而并非電信號。之后洛伊維成功分離出了該物質，即乙酰膽堿，他與戴爾一同獲1936年諾貝爾生理或醫學獎，這是人類歷史上第一個被發現的神經遞質。

之后瑞典科學家阿爾維德·卡爾森因發現另外一種神經遞質多巴胺，并證實其分泌不足會引發帕金森疾病，與另外兩位解釋突觸傳遞的科學家獲得2000年諾貝爾生理或醫學獎。從此，神經遞質的神秘面紗被逐漸揭開，到目前已發現了包括多巴胺、5-羥色胺、腎上腺素、乙酰膽堿、氨基酸等多種物質可作為神經遞質調控神經活動。

神經遞質在諸如情緒、記憶、生長發育和藥物成癮等多種神經活動中發揮重要作用。例如，5-羥色胺與情緒及睡眠相關；多巴胺則與獎賞、成癮及滿足感有關。

誰來幫助“快樂荷爾蒙”在大腦中的運輸？

在神經元靜息狀態下，神經遞質一旦被合成就會被運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運及遞質釋放，從而防止了持續性刺激。

囊泡膜上必然存在某種可以將多種神經遞質逆濃度梯度轉運到囊泡內的物質。在20世紀70年代，科研人員鑒定出位于腦中的一種轉運蛋白負責將神經遞質轉運并存儲起來，并命名為VMAT2。五十年以來， VMAT2的底物偏好性和藥理學等性質逐步被揭示。

VMAT2屬于溶質轉運18家族成員SLC18，能夠利用囊泡內的質子電化學梯度促進底物轉運，據測算每轉運一個單胺神經遞質需要消耗兩個質子。如果把大腦比作城市，物質信息傳遞則通過一條條“神經元高速公路”進行，囊泡是滿載“神經遞質貨物”的卡車，那么VMAT2則相當于卡車自帶的“貨物起重機”，通過消耗卡車內的質子作為“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，最終導致神經遞質釋放不足，引發一系列單胺缺乏癥狀和疾病，包括發育遲緩、運動障礙、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的結構及其工作機制將對多種精神疾病的藥物靶點研發起到推動作用。

還原轉運過程，為藥物抑制等分子機制提供結構基礎

研究團隊利用冷凍電鏡單顆粒技術解析了單胺轉運蛋白VMAT2多種狀態的高分辨結構，詳細解釋了單胺神經遞質的被轉運到囊泡中的過程。

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

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，將其他穩定性很好的蛋白質融合在VMAT2的胞外區，成功得到分子量增大、性質穩定、有剛性信號的VMAT2融合蛋白，使結構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出VMAT2與三種不同藥物分子及底物5-羥色胺結合的近原子分辨率結構。

結構分析表明，獲得的電鏡結構處于胞質朝向、閉塞狀態及囊泡腔朝向的不同構象，代表了VMAT2完整轉運循環中的三種典型構象。三種不同的構象也代表不同藥物的抑制機制可能存在差異。例如，在得到的結構中，利血平、丁苯那嗪、酮色林三種抑制劑結合的VMAT2結構均處于不同的構象。解析出的結構很好地闡釋了三種不同藥物分子能夠穩定VMAT2的構象并阻斷運輸的分子機制。而底物5-羥色胺結合VMAT2時，VMAT2則處于囊泡朝向的構象，代表著底物即將被釋放。

VMAT2結合不同小分子的結構

該研究為理解VMAT2的底物識別、藥物抑制、質子耦合轉運過程等分子機制提供了重要的結構基礎；為開發靶向VMAT2的構象特異性以及亞型特異性藥物提供了重要的結構信息。同時，該研究中解析VMAT2的方法能夠應用于其他小型膜蛋白，將促進膜轉運蛋白和其他小蛋白的電鏡結構解析。

來源： 光明網