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赵岩研究组揭示突触前胆碱转运蛋白CHT1转运调控机制


9游总区生物报道:乙酰胆碱(acetylcholine)是人类发现的第一种神经递质。因其在"神经冲动的化学传递"中里程碑式的重要意义,该发现于1936年获得诺贝尔生理学或医学奖。乙酰胆碱是胆碱能神经元合成并利用的主要神经递质。当乙酰胆碱从神经末梢释放时,它能够结合并激活定位在突触前/后膜上的乙酰胆碱受体,诱导神经元的兴奋,介导并调控大脑中认知以及运动相关过程的信息传递。当乙酰胆碱在突触间隙完成信号传递后,乙酰胆碱酯酶会将其分解为醋酸盐和胆碱。游离的胆碱会进一步被定位在突触前膜上的高亲和力胆碱转运蛋白CHT1(high-affinity choline transporter 1)摄取,回收到突触前末梢中,再次参与乙酰胆碱的合成代谢循环。先前研究表明,CHT1介导的胆碱回收是乙酰胆碱合成的限速步骤。因此,CHT1的表达异常和功能障碍会诱发多种疾病,例如遗传性运动神经元病、肌无力综合征、动脉粥样硬化、抑郁症和阿尔兹海默病等。

  CHT1(SLC5A7)是钠离子/溶质同向转运家族成员,借助细胞内外钠离子的电化学势,驱动胆碱的高亲和力跨膜转运。HC-3(hemicholinium-3)是选择性靶向CHT1的小分子药物,竞争性地抑制了CHT1介导的胆碱转运,被用作神经肌肉阻滞剂。然而,人们对CHT1识别胆碱的关键位点尚不明确,其构象变化的结构基础以及小分子HC-3对转运活性的抑制机制也有待阐明。

  2024年4月8日,中国科学院生物物理研究所赵岩研究组在国际学术期刊《Nature Structural & Molecular Biology》上发表题为"Transport mechanism of presynaptic high-affinity choline uptake by CHT1"的研究论文。该研究利用单颗粒冷冻电镜技术,首次解析了CHT1在外向HC-3结合状态、内向无底物结合状态和内向胆碱结合状态的高分辨率结构;并借助放射性同位素示踪、底物摄取实验和分子动力学模拟等一系列实验方法,阐释了CHT1识别和转运胆碱的分子模型以及HC-3抑制转运活性的机制,并为新型CHT1靶向药物的开发提供了结构基础。

图:CHT1结合不同配体后处于不同的构象状态以及假定的底物转运机制图

  在结合了HC-3的CHT1外向结构中(图A-B),HC-3呈现出棒状形态,并从外侧插入底物结合口袋,将蛋白锁定在外向开口状态。在内向胆碱结合状态下,CHT1的胞内口袋向内开放,胆碱仍然被色氨酸三联体稳定(图C)。在内向无底物结合状态下,色氨酸三联体口袋发生构象变化,胆碱向胞内溶剂侧暴露,进而导致胆碱从底物结合口袋中释放。

  此外,胞内短螺旋IH1也是CHT1转运过程中发挥作用的重要元件(图D)。在外向的CHT1结构中,IH1螺旋参与维持了构象的稳定。当底物与CHT1结合,CHT1从外向转变到内向状态。此时,IH1螺旋被释放,暴露了CHT1的胞内口袋,促进了转运的发生。进一步实验表明,IH1螺旋缺失突变体完全丧失了底物转运活性,且无法从内向转变到外向状态。

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