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《自然》子刊:中国科学院赵岩研究组揭秘乙酰胆碱的运输之旅

▎药明康德内容团队编辑  


一百年前,科学家通过蛙心灌流实验,首次揭示了神经冲动与化学传递的关系,乙酰胆碱(Ach)成为人类发现的第一种神经递质。随着研究的不断深入,乙酰胆碱的生理功能逐渐变得清晰:在外周神经系统控制肌肉运动,在中枢神经系统中影响思维、认知和记忆。而且,同时,以释放乙酰胆碱传送信号的神经元(即胆碱能神经元)发生障碍或数量减少,可能导致多种疾病,如肌无力综合征、阿尔茨海默病等。


乙酰胆碱在突触间隙完成信号传递过程之后会被乙酰胆碱酯酶分解为乙酸和胆碱。如果把乙酰胆碱比作点燃神经放电的“火柴”,那么乙酸好比“火柴棍”,胆碱就是“火柴头”。作为生产乙酰胆碱的“战略”物资,“火柴头”胆碱会被胆碱能神经元的高亲和力胆碱转运体(CHT1)摄取,随后由胆碱乙酰转移酶合成新的乙酰胆碱,被送往囊泡储存,为驱动下一次信号传递做准备在此过程中,囊泡乙酰胆碱转运体(VAChT)发挥了至关重要的作用。这种转运蛋白犹如技术娴熟的“打包员”,负责将生产好的乙酰胆碱打包进入囊泡


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胆碱能神经元中乙酰胆碱的循环及信号传递过程(图片来源:研究团队提供)


几十年来,科学家对VAChT进行了广泛研究,但其选择性转运乙酰胆碱的分子机制仍未被完全阐明。由于VAChT是胆碱能神经元标志性蛋白质分子,开发靶向VAChT的分子影像技术(包括PET和SPECT等)示踪剂,可以量化神经退行性疾病中的胆碱能神经元缺陷,被看作早期诊断的关键策略尽管部分靶向VAChT的示踪剂已进入临床II期试验,这些示踪剂与VAChT之间的相互作用机制也仍未完全明确。


2025年1月13日,中国科学院生物物理研究所赵岩课题组在Nature Structural & Molecular Biology在线发表论文,通过冷冻电镜单颗粒技术重构出人类VAChT在无底物状态下、底物ACh结合状态下以及抑制剂结合状态下的高分辨率结构阐明了VAChT底物识别和质子耦合转运过程机制。同时,其抑制剂vesamicol结合结构揭示了vesamicol对VAChT的抑制机制,为设计靶向VAChT的新型示踪剂提供了结构基础


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VAChT属于质子/溶质逆向转运蛋白家族,在质子电化学势的驱动下完成底物乙酰胆碱的跨膜转运。研究团队分别解析无底物及乙酰胆碱结合的囊泡开口结构,同时鉴定出独特的质子传递网络。乙酰胆碱结合在VAChT中央口袋中,通过与结合口袋周围关键氨基酸形成大量氢键和静电相互作用,从而实现特异性的结合与转运。


为深入理解这些相互作用对转运功能的影响,研究团队将与乙酰胆碱及质子结合密切相关的关键氨基酸进行突变,并考察了小鼠大脑背侧纹状体内的胆碱能神经元在这些突变的作用下,其释放乙酰胆碱的功能有何影响。已有的研究显示,纹状体内乙酰胆碱的释放对多种生理功能有重要调节作用,包括运动控制、决策行为、学习和记忆在内。而新研究中,作者发现相关突变会直接影响乙酰胆碱在纹状体中的释放,直观地阐释了质子结合、底物转运与生理功能之间的关系,为理解VAChT在乙酰胆碱转运、储存和释放中的作用提供了重要见解。


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小鼠大脑纹状体VAChT介导乙酰胆碱囊泡填充的动态检测、抑制剂vesamicol特异性结合曲线及VAChT在天然状态、底物乙酰胆碱结合状态以及抑制剂vesamicol结合状态下的冷冻电镜结构(图片来源:研究团队提供)


此外,研究团队选择了特异性结合VAChT的高亲和力抑制剂vesamicol,成功解析了vesamicol与VAChT结合复合物的高分辨率结构。结构信息显示,vesamicol通过与VAChT的特定结合位点相互作用结合在囊泡侧开口的口袋中,稳定转运蛋白在特定构象中,阻止VAChT从囊泡开口构象转变为胞质侧开口构象,进而抑制乙酰胆碱的转运。此外,放射性抑制剂结合实验,进一步验证了参与相互作用和选择性抑制的关键氨基酸。


作者指出,vesamicolde的衍生物,如[123I]iodobenzovesamicol([123I]IBVM)和[18F]fluoroethoxybenzovesamicol([18F]FEOBV)已进入临床2期阶段,用于检测胆碱能神经系统的数量和完整性,为神经退行性疾病的诊断提供关键信息。随着vesamicol结合VAChT的机制被揭示,VAChT底物识别和独特质子偶联底物转运机制的新见解将为神经退行性疾病的示踪剂开发与优化奠定重要基础。


中国科学院生物物理研究所赵岩研究员为该论文通讯作者,中国科学院生物物理研究所博士研究生马乔、中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员马锟鹏、北京林业大学副教授董艳丽、博士研究生孟宇飞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,实验室成员黎仁杰、白秦儒,中科院物理所姜道华研究员,博士研究生武迪和中国科学院深圳先进技术研究院孙坚原研究员也为本研究做出了重要贡献。

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)、国家自然科学基金以及中国博士后科学基金等项目的资助。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。


参考资料:

[1] Qiao Ma et al., Binding mechanism and antagonism of the vesicular acetylcholine transporter VAChT. Nature Structural & Molecular Biology. (2025) Doi: https://doi.org/10.1038/s41594-024-01462-9

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