Nature：趙巖團隊揭示去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運機制及小分子和多肽類藥物的結(jié)合模式

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來源：生物世界

2024-08-01

去甲腎上腺素是神經(jīng)系統(tǒng)中重要的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，去甲腎上腺素能神經(jīng)元起始于腦干中一個名為“藍(lán)斑核”的細(xì)胞核團，并廣泛投射至大腦的其他區(qū)域，調(diào)節(jié)情緒，注意力，記憶，性欲等多種神經(jīng)活動。

去甲腎上腺素（Noradrenaline，NA）是神經(jīng)系統(tǒng)中重要的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，去甲腎上腺素能神經(jīng)元起始于腦干中一個名為“藍(lán)斑核”的細(xì)胞核團，并廣泛投射至大腦的其他區(qū)域，調(diào)節(jié)情緒，注意力，記憶，性欲等多種神經(jīng)活動。此外，NA在背根神經(jīng)節(jié)能夠與傷害傳入神經(jīng)元上的α2A受體結(jié)合，抑制疼痛信號的傳遞。在去甲腎上腺素能神經(jīng)元中，NA由突觸前膜釋放到突觸間隙，激活去甲腎上腺素受體，進而啟動一系列信號傳導(dǎo)過程。

定位于突觸前膜上的去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運體（NET），通過利用細(xì)胞內(nèi)外存在的鈉離子和氯離子的濃度梯度，可以將NA重新攝取回突觸前神經(jīng)元內(nèi)，進而終止神經(jīng)信號的傳遞。NET對于NA的回收維持了神經(jīng)系統(tǒng)中NA水平的平衡，使得神經(jīng)系統(tǒng)能夠正常行使生理功能。目前，臨床上有多種小分子藥物通過抑制NET 來提高突觸間隙NA的濃度，進而增強去甲腎上腺素能神經(jīng)元的信號傳遞，從而治療抑郁癥、注意力缺陷多動障礙等疾病。此外，多肽類毒素χ-MrA能以非競爭方式特異地抑制NET，通過提高傷害傳入神經(jīng)元的α2A受體活性，阻斷疼痛信號的傳遞，展現(xiàn)出顯著的鎮(zhèn)痛效果。然而，目前對于NET轉(zhuǎn)運底物以及與不同藥物分子結(jié)合模式仍不清楚。

2024年7月31日，中國科學(xué)院生物物理研究所趙巖團隊與丹麥哥本哈根大學(xué)Claus Loland團隊合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Transport and inhibition mechanisms of the human noradrenaline transporter 的研究論文。

該研究通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了人源去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運體（NET）在未結(jié)合底物（NET^apo），結(jié)合底物去甲腎上腺素（NET^NA）、結(jié)合芋螺毒素χ-MrlA類似物（NET^MrlA）、結(jié)合安非他酮（NET^BPP），以及結(jié)合齊拉西酮（NET^ZPD）的復(fù)合物高分辨率結(jié)構(gòu)。這些復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示了NET在多種功能狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特征以及不同藥物分子的結(jié)合模式，深入地闡釋了NET的轉(zhuǎn)運機制，并為新型藥物的開發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

Transport and inhibition mechanisms of the human noradrenaline transporter研究論文

在這項最新研究中，研究團隊解析了內(nèi)向開口狀態(tài)的NET^apo及NET^NA結(jié)構(gòu)，其分辨率均為2.6Å。與底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示了NET在中心結(jié)合位點識別底物NA的機制。與此同時，研究人員還意外地發(fā)現(xiàn)在胞外側(cè)存在另外一個構(gòu)象特異的底物結(jié)合位點，該位點只存在于內(nèi)向開口狀態(tài)。在外向開口狀態(tài)，由于局部構(gòu)象變化，該底物結(jié)合位點消失。將該位點相互作用的關(guān)鍵氨基酸突變后，NET的轉(zhuǎn)運活性降低，表明該位點可能對轉(zhuǎn)運功能具有調(diào)節(jié)作用。此外，NET是依賴于鈉離子、氯離子的次級轉(zhuǎn)運蛋白。研究團隊解析了NET在不同轉(zhuǎn)運功能狀態(tài)下離子的結(jié)合位點，這為理解離子、底物的結(jié)合與構(gòu)象變化的偶聯(lián)機制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖1：去甲腎上腺素能神經(jīng)元

χ-MrlA是從海洋軟體動物芋螺中提取的一種由13個氨基酸組成的多肽類毒素，它是SLC6家族中唯一已知的多肽類抑制劑，也是NET唯一已知的非競爭性抑制劑?；?chi;-MrlA，Xenome公司開發(fā)的類似物XEN2174可用于術(shù)后疼痛、癌癥疼痛和慢性疼痛的治療。通過解析與χ-MrlA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，研究團隊發(fā)現(xiàn)χ-MrlA類似物將NET穩(wěn)定在外向開口的構(gòu)象，深入結(jié)合在NET胞外的口袋中，和NET形成了廣泛的相互作用。與底物結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，χ-MrlA的結(jié)合位置與底物分子并沒有重合，這也從結(jié)構(gòu)水平解釋了c-MrlA是NET的非競爭性抑制劑。

結(jié)合結(jié)構(gòu)分析以及突變體功能實驗驗證，研究團隊還揭示了χ-MrlA選擇性抑制NET，但不抑制同家族轉(zhuǎn)運蛋白血清素轉(zhuǎn)運體（Serotonin transporter，SERT）和多巴胺轉(zhuǎn)運體（Dopamine transporter，DAT）的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這些信息為靶向單胺類轉(zhuǎn)運體家族的新型多肽類藥物的研究提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

臨床上常用的抗抑郁藥物包括三環(huán)類抑制劑、選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRI）及血清素-去甲腎上腺素再攝取抑制劑（SNRI）。這些藥物主要通過抑制SERT達(dá)到治療抑郁癥的效果，但是有時導(dǎo)致一些副作用，如惡心、頭痛、失眠和口干等。安非他酮是臨床上唯一選擇性抑制NET和DAT的抗抑郁藥，可以避免抑制SERT帶來的副作用。

此前的研究發(fā)現(xiàn)，抗精神病藥物齊拉西酮能夠同時抑制NET、DAT和SERT。為了揭示兩種藥物分子選擇性抑制三種單胺類神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白的分子機制，研究團隊解析了NET與安非他酮及齊拉西酮復(fù)合物結(jié)合。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)典的抗抑郁藥物不同，安非他酮和齊拉西酮都結(jié)合在NET朝向胞內(nèi)側(cè)開口的結(jié)合口袋中。通過比較兩種藥物分子的結(jié)合模式，研究團隊發(fā)現(xiàn)安非他酮的正辛基團和齊拉西酮的乙基都位于TM6和TM8之間的卡口中。相比之下，安非他酮的正辛基團體積較齊拉西酮的乙基更大。在SERT中，由于卡口一側(cè)的氨基酸從甘氨酸變?yōu)楸彼?，該卡口變得更加狹窄，導(dǎo)致安非他酮無法有效抑制SERT，但這一變化并未影響齊拉西酮的抑制效果。這些發(fā)現(xiàn)為靶向MATs藥物開發(fā)提供了關(guān)鍵信息。