上海药物所等破解去甲肾上腺素转运体二聚化和抗抑郁药分子识别密码
5月15日，中国科学院上海药物研究所徐华强课题组、杨德华课题组以及临港实验室蒋轶课题组合作，在《自然》（Nature）上在线发表了题为Dimerization and antidepressant recognition at noradrenaline transporter的研究论文。该研究破解了重要的神经系统疾病靶标——去甲肾上腺素转运体（NET）同源二聚化、转运天然底物去甲肾上腺素NE以及选择性识别六种抗抑郁药物的分子密码，为探讨NET等单胺类转运体的生理调控机制奠定了理论基础，对指导靶向单胺类转运体（MATs）的抗抑郁症等神经精神类疾病的药物研发具有现实意义。该研究首次在近原子分辨率上发现了由胆固醇和脂质介导的膜蛋白同源二聚体形成机制，为细胞膜“脂筏模型”提供了依据。
NET属于MATs家族，与同家族的血清素转运体（SERT）、多巴胺转运体共同调控神经突触神经递质的浓度，维持体内神经递质的平衡。MATs是精神刺激剂和抗抑郁药物的主要靶点。过去，MATs与抑郁症病理学的关联从药理学、遗传学、分子生物学和临床研究等多个角度被证实，单胺假说曾主导近几十年抗抑郁药物的研发。血清素和去甲肾上腺素双重再摄取抑制剂与选择性血清素再摄取抑制剂作为一线药物用于抑郁症的临床治疗，选择性去甲肾上腺素再摄取抑制剂和三重再摄取抑制剂已获批用于抑郁症的治疗。此外，NET的功能异常与注意缺陷多动障碍等神经精神类疾病相关。
MATs的功能受胆固醇和脂质介导的寡聚化调控。早期研究表明，NET和SERT均与脑组织和转染细胞系中富含胆固醇的区域相关。磷脂酰肌醇4,5-双磷酸（PIP2）促进NET二聚化并调节底物的外流。胆固醇和PIP2参与SERT的功能调控，PIP2的直接结合介导了SERT寡聚体的形成。PIP2以寡聚体依赖的方式，在苯丙胺诱导的血清素外排中发挥调节作用。当前，有限的结构信息导致学界对NET与底物和抗抑郁药物的精准结合模式、抗抑郁药物对三种MAT亚型的选择性识别机制以及胆固醇和脂质调节NET功能及其寡聚化过程的精确机制，缺乏深入理解。
该团队利用单颗粒冷冻电镜技术，获得了人源NET同源二聚体分别与底物NE结合的阻塞构象、无底物结合的apo状态以及六种抗抑郁药物的外向开放构象的8个高分辨率结构，分辨率达到2.9-3.4埃。
研究显示，NET呈现出由胆固醇和脂质分子介导的独特二聚体构型，如科学插图中蝴蝶兰两片花瓣的形态。胆固醇和脂质分子被包夹在NET单体之间，构成了NET同源二聚体的主要作用界面，如科学插图中蝴蝶兰花蕊示意的位置。这与其他膜蛋白通过蛋白-蛋白直接相互作用组装为寡聚体的方式不同。进一步，生化细胞实验证实，胆固醇和脂质介导的二聚化得益于NET的转运功能。该研究提出了不同MAT选择谱的六种抗抑郁药物与NET的选择性，如科学插图中不同小分子纹饰的蝴蝶在蝴蝶兰上的停留状态。
上述成果回答了胆固醇和脂质调控NET等MAT寡聚化及其转运功能以及NET底物识别和转运调节等基础生物学问题，破解了抗抑郁药物选择性靶向NET的分子密码。这加深了科学家对NET的结构和功能的认知，为抗抑郁药物治疗奠定了结构基础并提供了药物设计参考。
研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和上海市等的支持。该研究的冷冻电镜数据在上海市高峰电镜中心收集。
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