為去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體“拍張工作照”

   隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快，焦慮癥、抑郁癥、多動(dòng)癥等心理障礙成為不少“脆皮年輕人”的困擾。

  無(wú)論是長(zhǎng)期的情緒壓抑、喪失生活熱情，還是莫名的活躍亢奮、注意力不集中，不同的心理狀態(tài)卻有著共同的影響因素——去甲腎上腺素。去甲腎上腺素是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，其介導(dǎo)的神經(jīng)信號(hào)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間受去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的調(diào)節(jié)，影響情緒、記憶力、注意力等神經(jīng)活動(dòng)。

  近日，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所助理教授吳驚香團(tuán)隊(duì)揭示了去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的底物結(jié)合及抑制機(jī)制，為去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體研究奠定了基礎(chǔ)。8月14日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然》。

  揭秘情緒的影響因素

  說(shuō)起去甲腎上腺素，可能大部分人對(duì)它比較陌生，但它有個(gè)家喻戶曉的“好兄弟”——腎上腺素。

  腎上腺素和去甲腎上腺素是人體內(nèi)兩種重要的激素，當(dāng)腎上腺素去掉甲基，就成了去甲腎上腺素。盡管二者化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似，但功能和作用機(jī)制卻有所不同。

  腎上腺素主要由腎上腺髓質(zhì)合成和分泌，而去甲腎上腺素則主要由交感節(jié)后神經(jīng)元與腦內(nèi)去甲腎上腺素能神經(jīng)元合成和分泌。當(dāng)機(jī)體處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，由交感神經(jīng)節(jié)后纖維釋放的去甲腎上腺素和腎上腺髓質(zhì)釋放的腎上腺素會(huì)交互感應(yīng)，并肩作戰(zhàn)，為“戰(zhàn)或逃”做準(zhǔn)備，從而幫助機(jī)體渡過(guò)難關(guān)。

  相比于腎上腺素對(duì)心臟、血管以及支氣管等臟器的影響，去甲腎上腺素主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)情緒、記憶力、注意力等多種神經(jīng)活動(dòng)。

  去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體是一種細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞間去甲腎上腺素的濃度，維系神經(jīng)系統(tǒng)的正常生理功能。

  “去甲腎上腺素經(jīng)突觸前膜釋放到突觸間隙——兩個(gè)神經(jīng)元相接觸的地方，向下傳遞神經(jīng)沖動(dòng)。但我們的人體非常奇妙，這一過(guò)程結(jié)束后會(huì)‘回收’神經(jīng)信號(hào)，這個(gè)‘信使’就是去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體?！眳求@香告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體能將神經(jīng)遞質(zhì)“轉(zhuǎn)運(yùn)”回突觸前神經(jīng)元中，中止神經(jīng)信號(hào)的傳遞，幫助機(jī)體恢復(fù)平衡。去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體可應(yīng)用于多動(dòng)癥、抑郁癥、神經(jīng)退行性疾病等的治療。

  然而，盡管去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體具有重要的生物學(xué)和臨床意義，但其結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制依舊是未解之謎。

  此次，吳驚香團(tuán)隊(duì)借助冷凍電鏡給人體去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體“拍了張工作照”，揭示了其在三種功能下的不同狀態(tài)。這項(xiàng)研究成果的審稿人認(rèn)為：“該研究揭示了人體去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的結(jié)構(gòu)及其與底物和抑制劑的結(jié)合位點(diǎn)，是對(duì)該領(lǐng)域的寶貴貢獻(xiàn)?！?/span>

  解決冷凍電鏡解析難題

  “攻讀博士學(xué)位期間，我從事腦特異性激酶的研究，胰島素分泌也與其關(guān)系密切。據(jù)我觀察，很多糖尿病患者為了控糖，都會(huì)努力‘管住嘴、邁開(kāi)腿’，但大多數(shù)患者都會(huì)產(chǎn)生抵觸心理、難以堅(jiān)持?！眳求@香告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這讓她對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)更加好奇。

  因此，長(zhǎng)期從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的吳驚香決定從擅長(zhǎng)的領(lǐng)域入手。2022年，她加入中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所并成立獨(dú)立課題組，正式開(kāi)啟去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究。

  去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的轉(zhuǎn)運(yùn)功能明晰，但關(guān)于其如何轉(zhuǎn)運(yùn)底物、怎樣被抑制劑抑制等問(wèn)題，始終沒(méi)有得到解決。

  “去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的體積非常小，分子質(zhì)量約為64千道爾頓，冷凍電鏡難以解析它的結(jié)構(gòu)，這是我們面臨的大難題?！眳求@香表示，冷凍電鏡解析中還有一個(gè)世界性難題，那就是取向優(yōu)勢(shì)。果然，前期制備冷凍樣品時(shí)就遇到了這一難題，去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體齊刷刷地“躺”在冰層上，使得大多數(shù)分子僅以一種或幾種特定的朝向被觀察到。

  針對(duì)這些問(wèn)題，吳驚香團(tuán)隊(duì)做了很多嘗試，發(fā)現(xiàn)在冷凍電鏡解析中，有一個(gè)很小的環(huán)區(qū)沒(méi)有被觀察到。如果將蛋白質(zhì)分子比作一條用珠子穿成的項(xiàng)鏈，項(xiàng)鏈上沒(méi)有珠子的地方更加靈活松散，可以自由彎曲搖擺，此處就相當(dāng)于蛋白質(zhì)的環(huán)區(qū)。

  吳驚香團(tuán)隊(duì)用PA（12個(gè)氨基酸多肽標(biāo)簽）替換了這個(gè)很小的環(huán)區(qū)，并將其與高親和力的NZ1（PA序列特異性結(jié)合的單克隆抗體）結(jié)合。這一大膽嘗試不僅攻克了去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體分子量較小的技術(shù)難題，還意外解決了冷凍樣品取向優(yōu)勢(shì)的問(wèn)題。這一關(guān)鍵突破為后續(xù)研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

  “闖關(guān)”遠(yuǎn)未結(jié)束

  對(duì)吳驚香來(lái)說(shuō)，這兩年來(lái)的科研經(jīng)歷是和學(xué)生的共同“闖關(guān)”之旅。

  “我們的實(shí)驗(yàn)室剛剛成立，蛋白純化儀、超速離心機(jī)這些儀器設(shè)備還沒(méi)配齊，我們只好先借用別的實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，但經(jīng)常遇到各種問(wèn)題。我就帶著學(xué)生從頭一步步修整，有些連工程師都說(shuō)修不好的毛病，竟然被我們解決了?！眳求@香說(shuō)。

  盡管研究已揭示了去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的底物結(jié)合及抑制機(jī)制，但對(duì)吳驚香團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，“闖關(guān)”遠(yuǎn)未結(jié)束。

  去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體的底物結(jié)合和抑制機(jī)制包含很多內(nèi)容，已發(fā)現(xiàn)的底物和抑制劑種類繁多，機(jī)制各異。比如，該研究關(guān)注的間碘芐胍是一種底物類似物，作為核藥，能診治多種神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤，但臨床常規(guī)應(yīng)用還有諸多限制。

  值得一提的是，近期我國(guó)另外三個(gè)科研團(tuán)隊(duì)相繼在去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體機(jī)制研究中取得重要進(jìn)展?！斑@些研究各有特點(diǎn)，相得益彰，從不同角度對(duì)去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體如何識(shí)別、轉(zhuǎn)運(yùn)底物及其抑制機(jī)制進(jìn)行了闡述?！眳求@香說(shuō)，期待通過(guò)學(xué)界的共同努力，讓這項(xiàng)研究更為系統(tǒng)化，推動(dòng)以去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體為靶標(biāo)的藥物研發(fā)。