St. Jude儿童研究医院的科学家们利用结构生物学专业知识来确定囊泡单胺转运蛋白2 (VMAT2)的结构，VMAT2是神经元通信的关键组成部分，在神经递质转移到突触之前将其包装到囊泡中。在不同状态下可视化VMAT2的能力将帮助科学家更好地了解它的功能，以及蛋白质的不同形状如何影响药物结合。这可能是开发治疗多动(过度运动)障碍(如妥瑞特综合症)的药物的关键信息。
圣犹达结构生物学系的Chia-Hsueh Lee博士及其同事在《Nature》杂志上发表了一篇题为“人类VMAT2中神经递质转运和药物抑制机制”的论文。
神经元通过一种叫做神经递质的化学信号相互交流。作者解释说，包括多巴胺、血清素和肾上腺素在内的单胺类神经递质在神经元交流中起着核心作用。这些分子影响大脑的工作方式，控制我们的情绪、睡眠、运动、呼吸、循环和许多其他功能。这些回路的功能障碍会导致一系列精神或神经退行性疾病，包括抑郁症、帕金森氏症和舞蹈病。
突触前神经元合成的单胺被VMATs包裹到突触囊泡中。这些囊泡是细胞间室，在神经递质释放到突触之前储存它们，突触是化学信号从一个神经元传递到另一个神经元的连接点。这些囊泡可以被认为是神经元细胞的货船。
VMATs是这些囊泡膜上的蛋白质，它将单胺类物质移动到其中的空间。一旦与神经递质包裹在一起，这些囊泡就会被转移到它们需要去的地方。共同通讯作者Lee解释说:“VMAT是将这些单胺类神经递质包装到突触囊泡中所需的转运蛋白。”一旦VMAT用单胺包裹了囊泡，囊泡就可以向突触间隙移动，在那里释放化合物。
VMATs属于SLC18转运蛋白家族。已知的VMAT有两种类型，分别是VMAT1和VMAT2。VMAT1更为专门化，仅在神经内分泌细胞中发现，而VMAT2在整个神经系统中发现，具有重要的临床意义。研究人员指出，它是“负责神经元中单胺包装的主要转运体，我们知道VMAT2在生理上非常重要，”Lee说。“这种转运体是用于治疗舞蹈病和图雷特综合症等多动障碍的药理学相关药物的靶标。”
尽管VMAT2很重要，但它的结构——可以让研究人员更全面地研究它的工作原理——仍然难以捉摸。研究小组指出，尽管这些转运蛋白具有生物学和临床意义，但底物转运和VMATs药物抑制的分子基础仍不清楚。关于这些过程的详细结构信息仍然缺乏，这是理解单胺类神经递质包装机制和开发新的治疗药物的关键。
在他们报告的研究中，Lee和他的团队使用冷冻电子显微镜获得了VMAT2与单胺5 -羟色胺和药物tetrabenazine和利血平结合的结构，这两种药物分别用于治疗舞蹈病和高血压。
这是一项重大成就。“VMAT2是一种小的膜蛋白，”第一作者之一、圣犹达结构生物学系的Yaxin Dai博士解释说。“这使得它成为低温电镜结构测定的一个非常具有挑战性的目标。”
尽管存在困难，但该团队的专业冷冻电镜方法，加上功能研究，使研究人员能够捕获VMAT2的多个结构，梳理出蛋白质的功能，并研究针对VMAT2的两种药物的作用。“VMAT转运体在运输底物时采用多种构象[形状]，”圣犹达结构生物系的共同第一作者Shabareesh Pidathala博士解释说。“这被称为交替进入转运，其中蛋白质要么面向“向外”，要么面向“向内”……为了在原子水平上完全获得机制理解，我们需要捕获这种转运体的多种构象。”
通过他们的研究，研究人员证实利血平和丁苯那嗪结合了两种不同的VMAT2构象。这种动态机制的发现可能为药物结合开辟了多种机会。作者在论文中指出，之前的研究表明，这两种药物对VMAT2的抑制作用不同。“TBZ是一种非竞争性抑制剂，而利血平是一种竞争性抑制剂。此外，虽然TBZ对VMAT2具有特异性，但利血平可以抑制这两种亚型。”
Pidathala补充说:“30或40年的药理学研究表明，这两种药物以不同的方式与转运体结合，但没有人知道其工作原理的原子细节。我们的结构很好地证明了这两种药物稳定了转运蛋白的两种不同构象，从而阻止了它的活性。”
更具体地说，作者解释说:“我们的结构和功能分析揭示了TBZ和利血平如何选择性地靶向VMAT2的不同构象，通过干扰运输周期的不同步骤来抑制其功能。TBZ将VMAT2困在面向管腔的闭塞构象中，可能阻止其向面向管腔发展……另一方面，利血平仅在转运体前庭面向细胞质时才与VMAT2结合……”
VMAT2与血清素结合的结构也使研究人员能够确定与神经递质相互作用并驱动运输的特定氨基酸。“我们相信这是一种共同的机制，这种转运体使用这种机制来参与所有的单胺。”研究小组补充说。“VMAT2的结构分析还揭示了转运体异构化后的构象变化，这种变化驱动底物运输到囊泡中。这些发现为理解突触囊泡转运体包装神经递质的生理学和药理学提供了一个结构框架。”
虽然报告的结果在理解单胺转运方面提供了巨大的飞跃，但Lee和他的团队正在深入研究其机制。例如，单胺类物质进入囊泡是由质子向另一个方向运动而产生的。“我们确定了对质子依赖过程很重要的氨基酸，”Lee说。“但我们仍然不知道质子是如何驱动这种运输的。确定这种机制是我们未来的方向，这将有助于我们充分了解这种转运体是如何工作的。这些发现为理解突触囊泡转运体包装神经递质的生理学和药理学提供了一个结构框架。”
