生物物理所揭示多巴胺再攝取分子機制和低成癮風險藥物作用機制

多巴胺是一種被深入研究的“快樂”神經遞質。多巴胺是大腦中含量最豐富的兒茶酚胺類神經遞質，能夠激發人的愉悅感和滿足感。它在多巴胺能神經元末梢合成，釋放到突觸間隙后，激活突觸前膜或突觸后膜上的多巴胺受體，參與調控大腦中認知、運動、情緒和獎勵等相關過程的信息傳遞。位于突觸前膜的多巴胺轉運蛋白（DAT）負責回收突觸間隙中的多巴胺進入突觸前神經元，從而終止多巴胺神經信號傳遞，維持中樞神經系統多巴胺的穩態平衡。較多精神疾病如抑郁癥、雙相情感障礙、帕金森綜合征和注意缺陷多動障礙（ADHD），均與異常的多巴胺水平有關。DAT在調控多巴胺神經傳遞的空間和時間動態中發揮著重要作用，逐漸成為治療這些疾病的關鍵靶點。

哌醋甲酯（又稱利他林）是目前臨床上治療兒童和青少年ADHD使用最廣泛和最有效的一線藥物。哌醋甲酯通過抑制DAT，提高突觸間隙中的多巴胺濃度，進而提高中樞神經系統的興奮程度，幫助患者減少多動和沖動的行為并集中注意力。此外，可卡因、甲基苯丙胺（冰毒）和D-苯丙胺（安非他命）等精神興奮性藥物亦是通過降低DAT轉運多巴胺的活性，快速提高突觸間隙的多巴胺濃度，產生強烈的欣快感，導致獎賞反饋和強化效應。這些非法興奮藥物的濫用成癮是全球性的公共健康問題。在過去幾十年，科研人員致力于開發治療可卡因成癮的藥物。研究發現，GBR12909、苯扎托品及其衍生物可以減弱可卡因引起的運動刺激和獎勵效應，并減少自我給藥和強化學習行為，具有治療可卡因成癮的潛在前景。然而，關于DAT離子偶聯的底物識別機制和構象轉換機制，以及與成癮和非成癮藥物分子之間的結合模式差異，尚未得到闡釋。而這些信息將有助于開發靶向DAT的低成癮性藥物以及治療成癮的藥物。

8月7日，中國科學院生物物理研究所趙巖團隊在《自然》（Nature）上發表了題為Dopamine reuptake and inhibitory mechanisms in human dopamine transporter的最新研究成果。該研究利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了人源多巴胺轉運蛋白DAT未結合底物、結合底物多巴胺、結合治療ADHD藥物哌醋甲酯、結合GBR12909以及結合苯扎托品的五個高分辨率結構。該研究首次揭示了人源DAT轉運過程中的外開、封閉和內開三種構象，鑒定了底物結合位點和離子結合位點，展示了人源DAT在多巴胺再攝取過程中精細的底物識別和構象轉換過程。同時，該團隊首次闡明了靶向DAT的精神興奮劑藥物和抗精神興奮劑藥物不同的結合模式，為開發治療DAT相關精神疾病的藥物提供了指導信息。

DAT屬于鈉離子/溶質同向轉運蛋白家族，在鈉離子和氯離子的驅動下經歷外向開口、封閉和內向開口三種狀態，進行底物多巴胺的跨膜轉運。該研究解析了分辨率為2.8 ?的多巴胺結合的封閉態結構，并鑒定出兩個鈉離子和一個氯離子的結合位點。多巴胺結合在中央口袋中，且該口袋與細胞內外兩側均不相通。它通過與結合口袋周圍的水分子和關鍵氨基酸形成大量氫鍵和疏水相互作用，從而實現穩定結合。為了探討這些相互作用對轉運功能的影響，該團隊將與多巴胺及離子結合密切相關的關鍵氨基酸進行了突變，并利用細胞表面定量實驗和放射性底物轉運實驗進行了功能鑒定。這些發現闡釋了離子結合和底物轉運之間的偶聯關系。

哌醋甲酯是治療ADHD的首選藥物。該研究首次解析了哌醋甲酯與DAT結合的復合物結構，揭示其結合在朝向胞外側開口的結合口袋中，并與DAT形成了廣泛的相互作用。進一步，結構分析顯示，哌醋甲酯與血清素轉運蛋白（SERT）的TM6a螺旋之間存在顯著的空間位阻，使得它可以有效抑制DAT和去甲腎上腺素轉運蛋白，但幾乎不抑制SERT。然而，哌醋甲酯的濫用可能會引發類似于使用可卡因的成癮行為。為了探索治療可卡因成癮的關鍵機制，該團隊探討了GBR12909和苯扎托品這兩種具有治療潛力的藥物與DAT的結合方式。研究通過高分辨率的復合物結構解析發現了這兩種藥物在細胞內腔中的不同結合方式，并通過放射性底物轉運實驗進一步驗證了參與相互作用和轉運體選擇性抑制的關鍵氨基酸。研究顯示，與可卡因和哌醋甲酯的結合模式不同，GBR12909和苯扎托品將DAT穩定在內向開口的構象。這種差異的構象偏好可能與它們不同的成癮性之間存在潛在關系。

研究工作得到科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）的資助。冷凍電鏡數據收集得到生物物理所蛋白質科學研究平臺生物成像中心、北京大學現代農業研究院生物微觀結構研究平臺的技術支持。放射性轉運實驗得到生物物理所放射性同位素實驗室的協助。

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