吴惊香团队在《自然》上发表去甲肾上腺素转运蛋白的结构机制研究

去甲肾上腺素（NA）是大脑和身体活性调节中的关键神经递质，其系统功能障碍可导致多种疾病，如交感神经过度活化、注意缺陷多动障碍（ADHD）、自主神经功能衰竭、应激、抑郁和嗜铬细胞瘤等。去甲肾上腺素转运体（NET）通过再摄取突触间隙中的NA回突触前端，调控NA信号的强度和持续时间。NET异常与多种疾病相关，是成像和治疗中的重要靶标。当前，NET的底物类似物被广泛用于诊断和治疗神经内分泌肿瘤、心脏病和帕金森病；各类NET抑制剂则在临床上用于治疗ADHD、神经退行性疾病、药物滥用、焦虑和抑郁症。因此，解析NET的底物转运和药物抑制机制是结构药理学的核心课题。

2024年8月14日，由中国医学科学院药物研究所的吴惊香课题组在《Nature》杂志上发表了一篇题为“Substrate binding and inhibition mechanism of norepinephrine transporter”的研究论文。这项研究解析了人源去甲肾上腺素转运体（hNET）在三种不同功能状态下的高分辨率结构，揭示了其底物识别及抑制剂作用机制，为以NET为靶标的药物研发奠定了结构基础。

为了克服hNET小分子量蛋白结构解析的难题，研究团队创新性地引入了PA标签系统，确保不影响蛋白表达和功能。最终，他们解析了hNET在无底物结合状态（Apo）、底物间碘苄胍（MIBG）结合状态和（S,S）-羟基安非他酮（radafaxine）结合状态的三种不同功能状态的三维结构，其分辨率在2.8-3.0埃之间。

hNET是单胺类神经递质转运蛋白（MATs）的一员，由12个跨膜螺旋组成，其中跨膜螺旋1-5和6-10形成结构类似的倒置重复，是转运底物的核心。此外，研究还发现hNET的胞内羧基端由三个螺旋组成，与跨膜区有广泛的相互作用，显示了其功能的重要性。在无底物结合状态下，hNET处于向内开口的构象，胞外门控处的氨基酸形成多样的电荷互作和氢键网络，使胞外门控关闭。

MIBG是一种合成的胍乙啶类似物，与NA类似，能够被NET摄取和存储于突触前端。放射性核素标记的[123I]MIBG是交感神经系统放射性成像的金标准，能诊断和治疗如神经母细胞瘤等神经内分泌肿瘤。研究发现，MIBG-结合状态的hNET也处于向内开口的构象，MIBG稳定结合在底物结合口袋中心，通过氢键和疏水作用与hNET的多个氨基酸位点相互作用。由于NA和MIBG在结构和功能上的相似性，推测NA也是以类似方式结合在hNET的中心结合口袋上，为理解hNET的底物结合机制提供了结构基础。

Radafaxine是安非他酮（Bupropion）的一种活性代谢物，用于帮助戒烟和治疗重度抑郁症。研究表明，radafaxine-结合状态的hNET也处于向内开口构象，radafaxine占据了hNET的底物结合位点，通过多种相互作用形成稳定结合，阻止底物进入，表明其是正构抑制剂。与其它MAT家族已解析构象比较，radafaxine与外向开口构象有空间位阻，推测radafaxine通过稳定hNET内向开口构象，抑制其向外开口构象转变，使hNET丧失转运活性。

总之，该研究通过冷冻电镜解析了hNET的三种功能状态结构，发现其整体结构类似于MATs家族成员。MIBG-结合状态展示了hNET底物结合口袋的独特性，radafaxine通过占据结合位点并抑制其构象变化来阻止hNET。这些发现为进一步理解hNET的机制和动态变化提供了坚实基础，为以hNET为靶标的药物设计提供了重要信息。