去甲腎上腺素（Noradrenaline，NA）是神經(jīng)系統(tǒng)中重要的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，去甲腎上腺素能神經(jīng)元起始于腦干中一個(gè)名為“藍(lán)斑核”的細(xì)胞核團(tuán)，并廣泛投射至大腦的其他區(qū)域，調(diào)節(jié)情緒、注意力、記憶、性欲等多種神經(jīng)活動(dòng)。此外，NA在背根神經(jīng)節(jié)能夠與傷害傳入神經(jīng)元上的α2A受體結(jié)合，抑制疼痛信號的傳遞。在去甲腎上腺素能神經(jīng)元中，NA由突觸前膜釋放到突觸間隙，激活去甲腎上腺素受體，進(jìn)而啟動(dòng)一系列信號傳導(dǎo)過程。定位于突觸前膜上的去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體（NET），通過利用細(xì)胞內(nèi)外存在的鈉離子和氯離子的濃度梯度，可以將NA重新攝取回突觸前神經(jīng)元內(nèi)，進(jìn)而終止神經(jīng)信號的傳遞。NET對于NA的回收維持了神經(jīng)系統(tǒng)中NA水平的平衡，使得神經(jīng)系統(tǒng)能夠正常行使生理功能。目前，臨床上有多種小分子藥物通過抑制NET來提高突觸間隙NA的濃度，進(jìn)而增強(qiáng)去甲腎上腺素能神經(jīng)元的信號傳遞，從而治療抑郁癥、注意力缺陷多動(dòng)障礙等疾病。此外，多肽類毒素χ-MrA能以非競爭方式特異地抑制NET，通過提高傷害傳入神經(jīng)元的 α2A受體活性，阻斷疼痛信號的傳遞，展現(xiàn)出顯著的鎮(zhèn)痛效果。然而，目前對于NET轉(zhuǎn)運(yùn)底物以及與不同藥物分子結(jié)合模式仍不清楚。

7月31日，中國科學(xué)院生物物理研究所趙巖團(tuán)隊(duì)與丹麥哥本哈根大學(xué)Claus Loland團(tuán)隊(duì)合作，在《自然》（Nature）發(fā)表題為Transport and inhibition mechanisms of the human noradrenaline transporter的研究論文。研究人員通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了人源NET在未結(jié)合底物（NETapo），結(jié)合底物去甲腎上腺素（NETNA）、結(jié)合芋螺毒素χ-MrlA類似物（NETMrlA）、結(jié)合安非他酮（NETBPP）以及結(jié)合齊拉西酮（NETZPD）的復(fù)合物高分辨率結(jié)構(gòu)。這些復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示了NET在多種功能狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特征以及不同藥物分子的結(jié)合模式，深入闡釋了NET的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，為新型藥物的開發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

研究人員解析了內(nèi)向開口狀態(tài)的NETapo及NETNA結(jié)構(gòu)，其分辨率均為2.6 ?。與底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示了NET在中心結(jié)合位點(diǎn)識別底物NA的機(jī)制。與此同時(shí)，研究人員還意外發(fā)現(xiàn)在胞外側(cè)存在另外一個(gè)構(gòu)象特異的底物結(jié)合位點(diǎn)，該位點(diǎn)只存在于內(nèi)向開口狀態(tài)。在外向開口狀態(tài)，由于局部構(gòu)象變化，該底物結(jié)合位點(diǎn)消失。將該位點(diǎn)相互作用的關(guān)鍵氨基酸突變后，NET的轉(zhuǎn)運(yùn)活性降低，表明該位點(diǎn)可能對轉(zhuǎn)運(yùn)功能具有調(diào)節(jié)作用。此外，NET是依賴于鈉離子、氯離子的次級轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。研究人員解析了NET在不同轉(zhuǎn)運(yùn)功能狀態(tài)下離子的結(jié)合位點(diǎn)，為理解離子、底物的結(jié)合與構(gòu)象變化的偶聯(lián)機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

χ-MrlA是從海洋軟體動(dòng)物芋螺中提取的一種由13個(gè)氨基酸組成的多肽類毒素，它是SLC6家族中唯一已知的多肽類抑制劑，也是NET唯一已知的非競爭性抑制劑?；讦?MrlA，Xenome公司開發(fā)的類似物XEN2174可用于術(shù)后疼痛、癌癥疼痛和慢性疼痛的治療。通過解析與χ-MrlA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn) χ-MrlA類似物將NET穩(wěn)定在外向開口的構(gòu)象，深入結(jié)合在NET胞外的口袋中，和NET形成了廣泛的相互作用。與底物結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，χ-MrlA的結(jié)合位置與底物分子并沒有重合，這也從結(jié)構(gòu)水平解釋了χ-MrlA是NET的非競爭性抑制劑。結(jié)合結(jié)構(gòu)分析以及突變體功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員還揭示了χ-MrlA選擇性抑制NET，但不抑制同家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白血清素轉(zhuǎn)運(yùn)體（SERT）和多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體（DAT）的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這些信息為靶向單胺類轉(zhuǎn)運(yùn)體家族（MATs）的新型多肽類藥物研究提供了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

臨床上常用的抗抑郁藥物包括三環(huán)類抑制劑、選擇性血清素再攝取抑制劑及血清素-去甲腎上腺素再攝取抑制劑。這些藥物主要通過抑制SERT達(dá)到治療抑郁癥的效果，但是有時(shí)導(dǎo)致一些副作用，如惡心、頭痛、失眠和口干等。安非他酮是臨床上唯一選擇性抑制NET和DAT的抗抑郁藥，可以避免抑制SERT帶來的副作用。此前的研究發(fā)現(xiàn)，抗精神病藥物齊拉西酮能夠同時(shí)抑制NET、DAT和SERT。為了揭示兩種藥物分子選擇性抑制三種單胺類神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分子機(jī)制，研究人員解析了NET與安非他酮及齊拉西酮復(fù)合物結(jié)合。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)典的抗抑郁藥物不同，安非他酮和齊拉西酮都結(jié)合在NET朝向胞內(nèi)側(cè)開口的結(jié)合口袋中。通過比較兩種藥物分子的結(jié)合模式，研究人員發(fā)現(xiàn)安非他酮的正辛基團(tuán)和齊拉西酮的乙基都位于TM6和TM8之間的卡口中。相比之下，安非他酮的正辛基團(tuán)體積較齊拉西酮的乙基更大。在SERT中，由于卡口一側(cè)的氨基酸從甘氨酸變?yōu)楸彼?，該卡口變得更加狹窄，導(dǎo)致安非他酮無法有效抑制SERT，但這一變化并未影響齊拉西酮的抑制效果。這些發(fā)現(xiàn)為靶向MATs藥物開發(fā)提供了關(guān)鍵信息。

該研究得到科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集得到生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺生物成像中心、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院生物微觀結(jié)構(gòu)研究平臺的技術(shù)支持。放射性轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)得到生物物理所放射性同位素實(shí)驗(yàn)室的幫助。