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(lèi)藥物的結合模式

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2024-08-01

去甲腎上腺素是神經(jīng)系統中重要的單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)。在中樞神經(jīng)系統中，去甲腎上腺素能神經(jīng)元起始于腦干中一個(gè)名為“藍斑核”的細胞核團，并廣泛投射至大腦的其他區域，調節情緒，注意力，記憶，性欲等多種神經(jīng)活動(dòng)。

去甲腎上腺素（Noradrenaline，NA）是神經(jīng)系統中重要的單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)。在中樞神經(jīng)系統中，去甲腎上腺素能神經(jīng)元起始于腦干中一個(gè)名為“藍斑核”的細胞核團，并廣泛投射至大腦的其他區域，調節情緒，注意力，記憶，性欲等多種神經(jīng)活動(dòng)。此外，NA在背根神經(jīng)節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(jìn)而啟動(dòng)一系列信號傳導過(guò)程。

定位于突觸前膜上的去甲腎上腺素轉運體（NET），通過(guò)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(jìn)而終止神經(jīng)信號的傳遞。NET對于NA的回收維持了神經(jīng)系統中NA水平的平衡，使得神經(jīng)系統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(guò)抑制NET 來(lái)提高突觸間隙NA的濃度，進(jìn)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(dòng)障礙等疾病。此外，多肽類(lèi)毒素χ-MrA能以非競爭方式特異地抑制NET，通過(guò)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，展現出顯著(zhù)的鎮痛效果。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(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(guò)單顆粒冷凍電鏡技術(shù)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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(diǎn)識別底物NA的機制。與此同時(shí)，研究人員還意外地發(fā)現在胞外側存在另外一個(gè)構象特異的底物結合位點(diǎn)，該位點(diǎn)只存在于內向開(kāi)口狀態(tài)。在外向開(kāi)口狀態(tài)，由于局部構象變化，該底物結合位點(diǎn)消失。將該位點(diǎn)相互作用的關(guān)鍵氨基酸突變后，NET的轉運活性降低，表明該位點(diǎn)可能對轉運功能具有調節作用。此外，NET是依賴(lài)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(diǎn)，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(dòng)物芋螺中提取的一種由13個(gè)氨基酸組成的多肽類(lèi)毒素，它是SLC6家族中唯一已知的多肽類(lèi)抑制劑，也是NET唯一已知的非競爭性抑制劑。基于χ-MrlA，Xenome公司開(kāi)發(fā)的類(lèi)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(guò)解析與χ-MrlA的復合物結構，研究團隊發(fā)現χ-MrlA類(lèi)似物將NET穩定在外向開(kāi)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，χ-MrlA的結合位置與底物分子并沒(méi)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(shí)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(guān)鍵結構基礎。這些信息為靶向單胺類(lèi)轉運體家族的新型多肽類(lèi)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(lèi)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(guò)抑制SERT達到治療抑郁癥的效果，但是有時(shí)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(lái)的副作用。

此前的研究發(fā)現，抗精神病藥物齊拉西酮能夠同時(shí)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(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)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，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(kāi)口的結合口袋中。通過(guò)比較兩種藥物分子的結合模式，研究團隊發(fā)現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彼幔摽谧兊酶营M窄，導致安非他酮無(wú)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)現為靶向MATs藥物開(kāi)發(fā)提供了關(guān)鍵信息。