2024年5月15日，Nature雜志在線發(fā)表了題為“Dimerization and antidepressant recognition at noradrenaline transporter”的研究論文，該研究成果由中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)課題組、楊德華課題組和臨港實(shí)驗(yàn)室蔣軼課題組合作完成。該研究破解了重要神經(jīng)系統(tǒng)疾病靶標(biāo)——去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體（noradrenaline/norepinephrine transporter，NET）同源二聚化，轉(zhuǎn)運(yùn)天然底物去甲腎上腺素NE，以及選擇性識(shí)別六種抗抑郁藥物的分子密碼，為理解NET等單胺類轉(zhuǎn)運(yùn)體的生理調(diào)控機(jī)制奠定了重要的理論基礎(chǔ)，也對(duì)指導(dǎo)靶向單胺類轉(zhuǎn)運(yùn)體（monoamine transporters，MATs）的抗抑郁癥等神經(jīng)精神類疾病的藥物研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。特別值得注意的是，該研究首次在近原子分辨率上發(fā)現(xiàn)了由膽固醇和脂質(zhì)介導(dǎo)的膜蛋白同源二聚體形成機(jī)制，為細(xì)胞膜“脂筏模型”提供了眼見為實(shí)的依據(jù)。

NET屬于MATs家族，與同家族的血清素轉(zhuǎn)運(yùn)體（serotonin transporter, SERT）和多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體（dopamine transporter, DAT）共同調(diào)控神經(jīng)突觸神經(jīng)遞質(zhì)的濃度，維持體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的平衡。MATs是精神刺激劑和抗抑郁藥物的主要靶點(diǎn)。在過去的近70年，MATs與抑郁癥病理學(xué)的關(guān)聯(lián)從藥理學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和臨床研究等多個(gè)角度被證實(shí)，單胺假說也曾主導(dǎo)了近幾十年抗抑郁藥物的研發(fā)。血清素和去甲腎上腺素雙重再攝取抑制劑（SNRIs）與選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRI）作為一線藥物用于抑郁癥的臨床治療，選擇性去甲腎上腺素再攝取抑制劑（NRIs）和三重再攝取抑制劑（TRIs）也已獲批用于抑郁癥的治療。此外，NET的功能異常也與注意缺陷多動(dòng)障礙（attention deficit hyperactivity disorder，ADHD）等神經(jīng)精神類疾病密切相關(guān)。

MATs的功能受膽固醇和脂質(zhì)介導(dǎo)的寡聚化調(diào)控。早期研究表明，NET和SERT均與腦組織和轉(zhuǎn)染細(xì)胞系中富含膽固醇的區(qū)域相關(guān)。磷脂酰肌醇4,5-雙磷酸（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate，PIP2）促進(jìn)NET二聚化并調(diào)節(jié)底物的外流。膽固醇和PIP2參與SERT的功能調(diào)控，PIP2的直接結(jié)合介導(dǎo)了SERT寡聚體的形成。PIP2也以寡聚體依賴的方式，在苯丙胺誘導(dǎo)的血清素外排中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。然而，當(dāng)前有限的結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)致科學(xué)界對(duì)NET與底物和抗抑郁藥物的精準(zhǔn)結(jié)合模式，抗抑郁藥物對(duì)三種MAT亞型的選擇性識(shí)別機(jī)制，以及膽固醇和脂質(zhì)調(diào)節(jié)NET功能及其寡聚化過程的精確機(jī)制仍然缺乏深入的理解。

圖1. 人源NET二聚體分別與底物和六種抗抑郁藥物復(fù)合物的代表性結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)研究中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，獲得了人源NET同源二聚體分別與底物NE結(jié)合的阻塞構(gòu)象、無底物結(jié)合的apo狀態(tài)，以及六種抗抑郁藥物（尼索西汀、阿米替林、馬普替林、諾米芬辛、托莫西汀和奈福泮）的外向開放構(gòu)象的8個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到2.9-3.4 埃（圖1）。?

蝴蝶蘭象征 NET 同源二聚體，白色花瓣暗指 NET單體。中間的黃色唇瓣代替膽固醇和脂質(zhì)分子。落在花朵上的蝴蝶象征選擇性靶向藥物，蝴蝶翅膀裝飾著抗抑郁藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（Zihao Li設(shè)計(jì)，蝴蝶意象由崔娜娜提供）

研究顯示，NET呈現(xiàn)由膽固醇和脂質(zhì)分子介導(dǎo)的獨(dú)特二聚體構(gòu)型（AlphaFold目前還無法預(yù)測此二聚體構(gòu)型）如科學(xué)插圖中蝴蝶蘭兩片花瓣的形態(tài)。膽固醇和脂質(zhì)分子被包夾在NET單體之間，構(gòu)成了NET同源二聚體的主要作用界面，如科學(xué)插圖中蝴蝶蘭花蕊示意的位置。這與其他膜蛋白通過蛋白-蛋白直接相互作用組裝為寡聚體的方式截然不同。進(jìn)一步生化細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)，膽固醇和脂質(zhì)介導(dǎo)的二聚化貢獻(xiàn)于NET的轉(zhuǎn)運(yùn)功能（圖2）。如科學(xué)插圖中不同小分子紋飾的蝴蝶在蝴蝶蘭上的停留狀態(tài)，該研究提出了不同MAT選擇譜的六種抗抑郁藥物與NET的選擇性。?

圖2. 膽固醇和脂質(zhì)調(diào)控NET同源二聚化和轉(zhuǎn)運(yùn)活性

綜上，這些研究結(jié)果回答了膽固醇和脂質(zhì)調(diào)控NET等MAT寡聚化及其轉(zhuǎn)運(yùn)功能，以及NET底物識(shí)別和轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)等基礎(chǔ)生物學(xué)問題，破解了抗抑郁藥物選擇性靶向NET的分子密碼。這些成果加深了對(duì)NET的結(jié)構(gòu)和功能的理解，同時(shí)為抗抑郁藥物治療提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和藥物設(shè)計(jì)參考。

本研究的冷凍電鏡數(shù)據(jù)在上海市高峰電鏡中心收集。上海藥物所博士后張衡、助理研究員代安濤和臨港實(shí)驗(yàn)室博士后殷裕玲為該論文的共同第一作者。臨港實(shí)驗(yàn)室研究員蔣軼、上海藥物所研究員徐華強(qiáng)、楊德華為該論文的共同通訊作者。該成果獲得了科技部、基金委和上海市等項(xiàng)目的支持。

全文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07437-6

來源：中國科學(xué)院上海藥物研究所