乙酰膽堿是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，在中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)中都發(fā)揮不可或缺的作用，與學(xué)習(xí)記憶、骨骼肌收縮、心率和血壓調(diào)節(jié)、腸道蠕動以及腺體分泌等生理過程密切相關(guān)。乙酰膽堿的缺乏會引發(fā)多種疾病，如阿爾茲海默癥和重癥肌無力等。VAChT（SLC18A3）蛋白在膽堿能神經(jīng)元中特異性表達(dá)，負(fù)責(zé)將胞質(zhì)中的乙酰膽堿包裝到突觸囊泡中，這是乙酰膽堿能夠正常被突觸分泌并發(fā)揮功能的前提。小鼠中VAChT的基因敲除或敲低會導(dǎo)致嚴(yán)重的運動缺陷和認(rèn)知障礙。同時，VAChT的遺傳突變也會引起人類先天性肌無力綜合征。鑒于VAChT的表達(dá)特異性，它的靶向性結(jié)合分子可以用于膽堿能神經(jīng)元的標(biāo)記。目前，vesamicol是應(yīng)用最為廣泛的VAChT抑制劑，它的衍生物以及F¹⁸同位素標(biāo)記物有望被用于特定神經(jīng)退行性疾病的早期診斷，如阿爾茲海默癥等。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張哲研究員課題組于6月11日在Cell Research雜志發(fā)表了題為“Structural insights into VAChT neurotransmitter recognition and inhibition”的研究論文。該項工作報道了人源VAChT蛋白分別與底物乙酰膽堿以及抑制劑vesamicol結(jié)合的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)合分子動力學(xué)模擬以及功能實驗，本研究闡明了VAChT識別底物和抑制劑的分子機(jī)制（如圖）。

VAChT識別抑制劑vesamicol和底物乙酰膽堿（ACh）的分子機(jī)制

本課題組利用此前在囊泡單胺轉(zhuǎn)運蛋白VMAT2（SLC18A2）研究中所開發(fā)的蛋白改造方法（Pidathala et al. ?Nature 2023），解析了VAChT與vesamicol以及底物乙酰膽堿結(jié)合的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，VAChT均呈現(xiàn)MFS超家族轉(zhuǎn)運蛋白的經(jīng)典lumen-facing構(gòu)象。Vesamicol結(jié)合在VAChT中帶負(fù)電的口袋。其中，VAChT第398位天冬氨酸通過靜電相互作用與vesamicol結(jié)合，對其識別至關(guān)重要。而乙酰膽堿的結(jié)合位點與vesamicol部分重合，由此表明，vesamicol可能通過與底物競爭結(jié)合位點而抑制VAChT的轉(zhuǎn)運活性。然而，vesamicol也可能將VAChT鎖定在lumen-facing構(gòu)象而阻礙其功能。通過比較VAChT和VMAT2的底物結(jié)合模式，作者進(jìn)一步提出，整個SLC18家族蛋白均利用一個保守的酸性氨基酸殘基識別底物中帶部分正電的膽堿或氨基基團(tuán)，而二者則利用結(jié)合位點處幾個不保守的氨基酸殘基實現(xiàn)了對各自底物的特異性選擇。總之，該研究加深了人們對VAChT乃至整個SLC18家族蛋白底物識別機(jī)制的理解，并為針對vesamicol和VAChT的藥物設(shè)計提供了重要參考。

張哲、中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉中心張一小研究員、北京大學(xué)定量生物學(xué)中心宋晨研究員以及美國圣裘德兒童研究醫(yī)院Chia-Hsueh Lee研究員為本文共同通訊作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2021級博士生張陽、中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉中心博士生戴飛以及北京大學(xué)定量生物學(xué)中心陳楠浩博士為本文共同第一作者。另外，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2020級博士生周棟對本文作出重要貢獻(xiàn)。

本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國家重點實驗室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院以及北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院創(chuàng)新基金的資助；并依托北京大學(xué)冷凍電鏡平臺、中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉中心冷凍電鏡平臺和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院公共儀器中心鳳凰工程蛋白質(zhì)平臺的技術(shù)支持。

來源：北京大學(xué)