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

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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。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“藍斑核”的細胞核團，并廣泛投射至大腦的其他區(qū)域，調節(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。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“藍斑核”的細胞核團，并廣泛投射至大腦的其他區(qū)域，調節(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過程。

定位于突觸前膜上的去甲腎上腺素轉運體（NET），通過利用細胞內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，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轉運底物以及與不同藥物分子結合模式仍不清楚。

2024年7月31日，中國科學院生物物理研究所趙巖團隊與丹麥哥本哈根大學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解析了人源去甲腎上腺素轉運體（NET）在未結合底物（NET^apo），結合底物去甲腎上腺素（NET^NA）、結合芋螺毒素χ-MrlA類似物（NET^MrlA）、結合安非他酮（NET^BPP），以及結合齊拉西酮（NET^ZPD）的復合物高分辨率結構。這些復合物結構揭示了NET在多種功能狀態(tài)的結構特征以及不同藥物分子的結合模式，深入地闡釋了NET的轉運機制，并為新型藥物的開發(fā)提供了結構基礎。

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

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

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可用于術后疼痛、癌癥疼痛和慢性疼痛的治療。通過解析與χ-MrlA的復合物結構，研究團隊發(fā)現(xiàn)χ-MrlA類似物將NET穩(wěn)定在外向開口的構象，深入結合在NET胞外的口袋中，和NET形成了廣泛的相互作用。與底物結合的復合物結構對比發(fā)現(xiàn)，χ-MrlA的結合位置與底物分子并沒有重合，這也從結構水平解釋了c-MrlA是NET的非競爭性抑制劑。

結合結構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，但不抑制同家族轉運蛋白血清素轉運體（Serotonin transporter，SERT）和多巴胺轉運體（Dopamine transporter，DAT）的關鍵結構基礎。這些信息為靶向單胺類轉運體家族的新型多肽類藥物的研究提供了重要的結構基礎。

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達到治療抑郁癥的效果，但是有時導致一些副作用，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)遞質轉運蛋白的分子機制，研究團隊解析了NET與安非他酮及齊拉西酮復合物結合。結構分析發(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合在NET朝向胞內側開口的結合口袋中。通過比較兩種藥物分子的結合模式，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，由于卡口一側的氨基酸從甘氨酸變?yōu)楸彼?，該卡口變得更加狹窄，導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)提供了關鍵信息。