今日《自然》：赵岩合作团队破解去甲肾上腺素转运体转运及抑制机制
学
学术经纬约 5 分钟
学术经纬约 5 分钟根据世界卫生组织（WHO）2019年的数据，全球有9.7亿人患有精神类疾病，即平均每8人中就有1人受到如焦虑症、抑郁症、躁郁症等疾病的困扰。在 抑郁症、注意缺陷多动障碍 等神经精神类疾病的治疗过程中，已有的药物（例如安非他酮）和正在开发的药物都有很大一部分通过抑制 去甲肾上腺素转运体（NET） 发挥作用。此外，一些 镇痛剂 （例如多肽类抑制剂芋螺毒素χ-MrA）也是通过抑制NET发挥镇痛效果。由此可见， NET是备受关注的药物靶标 。
尽管科研人员已经对NET的结构及其转运去甲肾上腺素（NA）的分子机制展开了数十年的研究， 多种不同类型的小分子抑制剂、多肽类抑制剂如何与NET相结合并发挥作用的分子机制 仍然是未解的谜团。
本周，中国科学院生物物理研究所赵岩团队与丹麦哥本哈根大学Claus Loland团队合作，在《自然》期刊发表论文， 通过单颗粒冷冻电镜技术解析了人源去甲肾上腺素转运体在未结合底物（NET apo ），结合底物去甲肾上腺素（ NET NA ）、结合芋螺毒素 χ -MrlA类似物（ NET MrlA ）、结合安非他酮（ NET BPP ），以及结合抗精神分裂症药物齐拉西酮（ NET ZPD ）的复合物的高分辨率结构 。
“ 这些复合物结构揭示了NET在多种功能状态的结构特征以及与不同药物分子的结合模式，深入地阐释了NET的转运机制，为新型药物的开发提供了结构基础 。”研究人员在新闻稿中指出。
已有的研究表明，在去甲肾上腺素能神经元的突触部位，NET定位于突触前膜，利用细胞内外存在的钠离子和氯离子的浓度梯度，将去甲肾上腺素“回收”到突触前神经元内，进而终止神经信号的传递。
在最新的论文中，研究人员解析了 内向开口状态的 NET apo 及 NET NA 结构，分辨率达到2.6Å 。与底物的复合物结构揭示了NET在中心结合位点识别底物NA。同时，研究人员还意外地发现，胞外侧存在另外一个构象特异的底物结合位点，该位点只存在于内向开口状态。在外向开口状态，由于局部构象变化，该底物结合位点消失。将该位点相互作用的关键氨基酸突变后，NET的转运活性降低，表明该位点可能对转运功能具有调节作用。
此外，NET是依赖于钠离子、氯离子的次级转运蛋白， 在构象变化过程中，钠离子、氯离子的配位发生显著变化 。研究人员解析了NET在不同转运功能状态下离子的结合位点，为理解离子、底物的结合与构象变化的偶联机制提供了结构基础。
接下来，研究人员解析了多种不同药物分子与NET的结合模式。
芋螺毒素 χ- MrlA 是由13个氨基酸组成的多肽类毒素，也是NET唯一已知的非竞争性抑制剂。基于 χ- MrlA，Xenome公司开发的类似物XEN2174作为镇痛剂，用于术后疼痛、癌症疼痛和慢性疼痛的治疗，已进入治疗神经病理性疼痛的II期临床试验。通过解析与XEN2174结合的复合物结构，研究人员发现 χ- MrlA类似物将NET稳定在外向开口的构象，深入结合在NET胞外的口袋中，和NET形成了广泛的相互作用 。与底物结合的复合物结构对比可以看到， χ- MrlA的结合位置与底物分子并没有重合，这也从结构水平解释了 χ- MrlA是NET的非竞争性抑制剂。结合结构分析以及突变体功能实验验证，研究人员还揭示了 χ- MrlA选择性抑制NET，但不抑制同为单胺类转运体的血清素转运体（SERT）和多巴胺转运体（DAT）的关键结构基础 。这些信息为靶向单胺类转运体家族的新型多肽类药物的研究提供了重要的结构基础。
安非他酮 是临床上唯一选择性抑制NET和DAT的抗抑郁药，可以避免抑制SERT带来的副作用，如恶心、头痛、失眠和口干等。此前的研究发现，抗精神病药物 齐拉西酮 能够同时抑制NET、DAT和SERT。在此次研究中，研究人员解析了NET与安非他酮及齐拉西酮复合物结合的结构，揭示了两种药物分子选择性抑制三种单胺类神经递质转运蛋白的分子机制。
结构分析发现， 与经典的抗抑郁药物不同， 安非他酮和齐拉西酮都结合在NET朝向胞内侧开口的结合口袋中 。通过比较两种药物分子的结合模式，研究人员发现安非他酮的正辛基团和齐拉西酮的乙基都位于TM6和TM8之间的卡口中。相比之下，安非他酮的正辛基团体积较齐拉西酮的乙基更大。在SERT中，由于卡口一侧的氨基酸从甘氨酸变为丙氨酸，该卡口变得更加狭窄，导致安非他酮无法有效抑制SERT，但这一变化并未影响齐拉西酮的抑制效果。
研究人员指出， 结合不同口袋的抑制剂往往会有不同的药理学特性以及毒副作用。 此前对于靶向单胺类转运体的抗抑郁药研究主要集中于结合在外向开口的口袋中，但该研究的两个小分子药物都是结合在内向开口的口袋里。这些发现为靶向单胺类转运体的药物开发提供了关键的结构信息。
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。
中国科学院生物物理所赵岩课题组开展神经信号传递的分子机制研究，在 Nature 、 Cell 、 Science 、 NSMB 等期刊上发表了多篇研究论文。长期招聘优秀博士后和实验员，有意者可将个人详细简历和推荐人（2～3位）联系方式以及其它相关材料进行投递。
参考资料： [1] Tuo Hu et al., Transport and inhibition mechanisms of the human noradrenaline transporter. Nature (2024) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07638-z
本文来自药明康德内容微信团队， 欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
更多推荐