Nature：大腦神經遞質轉運體VMAT2的轉運及藥物抑制分子機制

　　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，聯合生物物理研究所趙巖團隊，運用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。相關研究成果以《人源VMAT2的轉運及抑制機制》為題，發表在《自然》（Nature）上。

　　神經遞質是一類可傳遞信號的化學物質，在情緒、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。當神經遞質傳遞遇到障礙時會出現失眠、抑郁、精神分裂、帕金森、亨廷頓舞蹈癥等精神疾病。而VMAT2是大腦中最重要的囊泡單胺轉運蛋白，負責將5-羥色胺、多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素和組胺等神經遞質轉運到囊泡中儲存，以便受到外界刺激后釋放單胺神經遞質。目前，在臨床上，VMAT2作為治療高血壓、亨廷頓舞蹈癥等運動障礙、精神性焦慮的藥物靶點。利血平（Reserpine，RES）和丁苯那嗪（Tetrabenazine，TBZ）是兩種經典的VMAT2抑制劑。利血平被廣泛用于治療高血壓，丁苯那嗪在臨床上用于治療亨廷頓舞蹈癥等多動性運動障礙。盡管許多研究揭示了VMAT2的生物學和藥理學性質，但對VMAT2的底物轉運機制及藥物分子的抑制機制仍不清楚。

　　VMAT2分子量僅為56千道爾頓，故利用冷凍電鏡解析如此小的膜蛋白非常困難。為了解決這一難題，研究通過篩選融合蛋白位點，得到性質更加穩定、分子量增大的VMAT2樣品，用于冷凍透射電鏡數據采集，通過計算重構出VMAT2與三種藥物分子及底物5-羥色胺結合的高分辨率電鏡結構。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。底物及抑制劑分子結合在VMAT2的中央結合腔內。

　　5-羥色胺通過氫鍵與靜電相互作用結合在VMAT2中。結合功能實驗及分子動力學模擬，該研究提出一種底物轉運機制，即一個質子通過與底物競爭結合來促進底物釋放，另一個質子通過中央腔內部的氫鍵網絡來驅動構象轉換。VMAT2-利血平結構表明，利血平完全嵌入底物結合腔中，導致VMAT2被鎖定在胞質開口并阻斷單胺進入底物結合位點。在VMAT2-丁苯那嗪結構中，丁苯那嗪結合引起蛋白構象變化使VMAT2處于閉塞狀態。此外，雖然酮色林與丁苯那嗪結合位點類似，但酮色林結合限制了蛋白在囊泡腔一側的閉合，將VMAT2鎖定在囊泡腔朝向構象。該研究將不同構象的結構進行比對發現，VMAT2采用MFS超家族的交替訪問機制實現構象轉換。構象變化過程時中央腔中酸性殘基的質子化將導致構象轉換和底物解離，轉換為胞質朝向后殘基去質子化，此時底物結合并破壞殘基對相互作用實現構象轉化的封閉循環。

　　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奠定了重要的結構基礎，并為開發靶向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。

　　研究工作得到中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金創新研究群體項目、物理所人才啟動經費的支持。冷凍電鏡數據收集獲得物理所冷凍電鏡中心與軟物質公共儀器平臺、北京大學現代農業研究院生物微觀結構研究平臺、生物物理所蛋白質科學研究平臺生物成像中心的技術支持。