Nature | 中国科学院赵岩等团队合作揭示了去甲肾上腺素转运体转运机制及小分子和多肽类药物的结合模式

iNature · 公众号 · · 2024-08-01 00:00

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去甲肾上腺素转运蛋白(也称为去甲肾上腺素转运蛋白)(NET)在终止去甲肾上腺素能传递中起关键作用，它利用钠和氯梯度驱动去甲肾上腺素(也称为去甲肾上腺素)再摄取到突触前神经元。它是各种抗抑郁药和镇痛药的药理靶点。 尽管几十年的研究，其结构和分子机制支持的去甲肾上腺素运输，耦合到离子梯度和非竞争性抑制仍然未知。

2024年7月31日，中国科学院生物物理研究所赵岩与丹麦哥本哈根大学Claus Loland共同通讯在 Nature 在线发表题为 “ Transport and inhibition mechanisms of the human noradrenaline transporter ” 的研究论文，该研究提出了两种基本构象的高分辨率NET复杂结构:载脂蛋白状态，并与底物去甲肾上腺素结合，类似于χ-螺毒素MrlA (χ-MrlA ^EM )，安非他酮或齐拉西酮。

去甲肾上腺素结合结构清楚地显示了去甲肾上腺素的结合模式。在构象变化过程中，Na ⁺ 和Cl ⁻ 的配位发生了明显的变化。通过分析与χ-MrlA ^EM 结合的NET结构，可以深入了解concontoxin是如何变构结合并抑制NET的。此外，安非他酮和齐拉西酮将NET稳定在面向内的状态，但它们具有不同的结合口袋。 这些结构定义了神经递质转运和NET非竞争性抑制的机制，为未来的药物设计提供了蓝图。

去甲肾上腺素作为一种神经递质在中枢和外周神经系统中起着至关重要的作用。去甲肾上腺素能通路对疼痛感知、睡眠-觉醒周期、觉醒、注意力、进食行为和战斗或逃跑反应等基本功能的调节有重要作用。NET通过将释放的去甲肾上腺素吸收回突触前末端，在终止突触中去甲肾上腺素的作用中起着不可或缺的作用。NET是人类表达的三种单胺转运蛋白(MATs)之一—一组包括钠依赖性血清素转运蛋白(SERT)和钠依赖性多巴胺转运蛋白(DAT)的蛋白质。 MATs属于SLC6二级活性转运蛋白家族，利用Na ⁺ 梯度将Na ⁺ 的“下坡”转运与底物的“上坡”转运结合在一起。越来越多的证据表明，NET与多种神经精神疾病有关，如抑郁症、注意缺陷多动障碍和疼痛。

尽管对人类SERT和果蝇DAT的结构研究取得了进展，但关于NET的转运机制仍然存在一些基本问题，如配体识别、离子结合位点和不同功能状态之间发生的构象变化。此外，χ-conotoxin MrlA (χ-MrlA)是一种有效的、高选择性的NET变抗抑制剂，而χ-MrlA类似物XEN2174已进入治疗神经性疼痛的II期临床试验。然而，该肽的结合位点和选择性在很大程度上仍未被探索。将MATs稳定在其内向构象中可能会导致独特的药理反应，研究表明，MATs的磷酸化在其内向构象状态下增加，从而调节其表达、活性、运输和降解。 因此，MATs在其与药物的内向构象中的抑制机制是临床医生的一个关键和引人注目的目标。

NET的作用及抑制机制（图源自 Nature ）

该研究报告了载脂蛋白状态和底物去甲肾上腺素(一种镇痛药χ-MrlA，安非他酮和齐拉西酮的类似物)存在下的NET的单粒子冷冻电镜(cryo -EM)结构。这些结构有两种基本的功能状态:向外和向内的构象。结合的钠离子和氯离子在两种构象中都被观察到，揭示了在其功能态之间的NET转换时的配位变化。去甲肾上腺素结合的NET的结构提供了去甲肾上腺素在中央矫形部位的详细结合的见解。 总之，该研究对NET结构研究的这些见解为进一步开发针对NET和其他单胺转运蛋白的下一代药物提供了基础。

中国科学院生物物理研究所赵岩研究员以及哥本哈根大学的Claus Loland教授为该论文的共同通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士研究生胡拓、于卓亚和北京大学现代农业研究院赵珺研究员为论文的共同第一作者。此外，生物物理所的博士生孟宇飞、魏一青、白秦儒，哥本哈根大学的Kristine Salomon，中国海洋大学的于日磊教授、博士研究生张景会，军事医学科学院的戴秋云研究员、徐书静同学，以及首都医学科学创新中心的杨蓓老师也为本研究提供了帮助。

本研究得到科技创新2030"脑科学与类脑研究"重大项目、国家重点研发计划项目、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金项目等项目的资助。冷冻电镜数据收集得到中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心、北京大学现代农业研究院生物微观结构研究平台的技术支持。放射性转运实验得到中国科学院生物物理研究所放射性同位素实验室的帮助。

参考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07638-z

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07742-0

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