12月12日，中国科学院物理研究所、北京凝聚态物理国家研究中心和中国科学院生物物理研究所团队合作，通过冷冻电镜单颗粒技术解析了单胺转运蛋白VMAT2多种状态的高分辨结构，详细解释了单胺神经递质的被转运到囊泡中的过程，相关成果发表于《自然》。
神经递质是一类可传递信号的化学物质，在诸如情绪、记忆、生长发育和药物成瘾等多种神经活动中发挥重要作用，例如，多巴胺等神经递质被称为“快乐荷尔蒙”。
如果把大脑比作城市，物质信息的传递通过一条条“神经元高速公路”完成，那么，囊泡就如同卡车一样满载“神经递质货物”，而VMAT2就相当于卡车自带的“货物起重机”。如果没有VMAT2，卡车将会白跑一趟甚至罢工，最终导致神经递质释放不足，引发一系列单胺缺乏症状和疾病，包括发育迟缓、运动障碍、抑郁症、亨廷顿舞蹈症等疾病。
中国科学院物理研究所特聘研究员、论文通讯作者之一姜道华介绍，目前，VMAT2是高血压、亨廷顿舞蹈症等运动障碍、精神性焦虑疾病临床治疗药物的靶点，如利血平、丁苯那嗪是两种经典的VMAT2抑制剂。尽管许多研究揭示了VMAT2的生物学和药理学性质，但是对于VMAT2的底物转运机制及药物分子的抑制机制仍不清楚。
此次发表的研究成果基于冷冻电镜单颗粒技术，重构出囊泡单胺转运蛋白VMAT2处于不同构象的高分辨率结构。
中国科学院生物物理所研究员、论文通讯作者之一赵岩介绍，VMAT2分子量仅为56千道尔顿，利用冷冻电镜解析如此小的膜蛋白非常困难。为了解决这个难题，研究团队通过筛选融合蛋白位点，成功得到性质更加稳定、分子量增大的VMAT2样品，最终成功通过冷冻电镜手段计算并重构出VMAT2与三种不同药物分子及底物5-羟色胺结合的近原子分辨率结构。
结构分析表明，获得的电镜结构处于胞质朝向、闭塞状态及囊泡腔朝向的不同构象，代表了VMAT2完整转运循环中的三种典型构象。结合功能实验及分子动力学模拟，研究团队提出了VMAT2的一种底物转运机制，即一个质子通过与底物竞争结合来促进底物释放，另一个质子通过中央腔内部的氢键网络来驱动构象转换。
该研究为理解VMAT2的底物识别、药物抑制、质子耦合转运过程等分子机制提供了重要的结构基础；为开发靶向VMAT2的构象特异性以及亚型特异性药物提供了重要的结构信息。同时，该研究中解析VMAT2的方法能够应用于其他小型膜蛋白，将促进膜转运蛋白和其他小蛋白的电镜结构解析。
中国科学院物理研究所博士生武迪、生物物理所博士生陈琦浩及于卓亚、北京望石智慧黄博、北京大学现代农业研究院赵珺为本文共同第一作者。（来源：中国科学报 倪思洁）
神经元中VMAT2的作用机制。中国科学院物理研究所供图
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06926-4
