《自然》：上海藥物所破解抗抑郁藥物分子識別密碼

2024年5月15日，Nature雜志在線發表了題為“Dimerization and antidepressant recognition at noradrenaline transporter”的研究論文，該研究成果由中國科學院上海藥物研究所徐華強課題組、楊德華課題組和臨港實驗室蔣軼課題組合作完成。該研究破解了重要神經系統疾病靶標——去甲腎上腺素轉運體（noradrenaline/norepinephrine transporter，NET）同源二聚化，轉運天然底物去甲腎上腺素NE，以及選擇性識別六種抗抑郁藥物的分子密碼，為理解NET等單胺類轉運體的生理調控機制奠定了重要的理論基礎，也對指導靶向單胺類轉運體（monoamine transporters，MATs）的抗抑郁癥等神經精神類疾病的藥物研發具有重要的現實意義。特別值得注意的是，該研究首次在近原子分辨率上發現了由膽固醇和脂質介導的膜蛋白同源二聚體形成機制，為細胞膜“脂筏模型”提供了眼見為實的依據。

NET屬于MATs家族，與同家族的血清素轉運體（serotonin transporter, SERT）和多巴胺轉運體（dopamine transporter, DAT）共同調控神經突觸神經遞質的濃度，維持體內神經遞質的平衡。MATs是精神刺激劑和抗抑郁藥物的主要靶點。在過去的近70年，MATs與抑郁癥病理學的關聯從藥理學、遺傳學、分子生物學和臨床研究等多個角度被證實，單胺假說也曾主導了近幾十年抗抑郁藥物的研發。血清素和去甲腎上腺素雙重再攝取抑制劑（SNRIs）與選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRI）作為一線藥物用于抑郁癥的臨床治療，選擇性去甲腎上腺素再攝取抑制劑（NRIs）和三重再攝取抑制劑（TRIs）也已獲批用于抑郁癥的治療。此外，NET的功能異常也與注意缺陷多動障礙（attention deficit hyperactivity disorder，ADHD）等神經精神類疾病密切相關。

MATs的功能受膽固醇和脂質介導的寡聚化調控。早期研究表明，NET和SERT均與腦組織和轉染細胞系中富含膽固醇的區域相關。磷脂酰肌醇4,5-雙磷酸（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate，PIP2）促進NET二聚化并調節底物的外流。膽固醇和PIP2參與SERT的功能調控，PIP2的直接結合介導了SERT寡聚體的形成。PIP2也以寡聚體依賴的方式，在苯丙胺誘導的血清素外排中發揮重要的調節作用。然而，當前有限的結構信息導致科學界對NET與底物和抗抑郁藥物的精準結合模式，抗抑郁藥物對三種MAT亞型的選擇性識別機制，以及膽固醇和脂質調節NET功能及其寡聚化過程的精確機制仍然缺乏深入的理解。

圖1. 人源NET二聚體分別與底物和六種抗抑郁藥物復合物的代表性結構

本項研究中，聯合團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術，獲得了人源NET同源二聚體分別與底物NE結合的阻塞構象、無底物結合的apo狀態，以及六種抗抑郁藥物（尼索西汀、阿米替林、馬普替林、諾米芬辛、托莫西汀和奈福泮）的外向開放構象的8個高分辨率結構，分辨率達到2.9-3.4 埃（圖1）。?

蝴蝶蘭象征 NET 同源二聚體，白色花瓣暗指 NET單體。中間的黃色唇瓣代替膽固醇和脂質分子。落在花朵上的蝴蝶象征選擇性靶向藥物，蝴蝶翅膀裝飾著抗抑郁藥物的化學結構。（Zihao Li設計，蝴蝶意象由崔娜娜提供）

研究顯示，NET呈現由膽固醇和脂質分子介導的獨特二聚體構型（AlphaFold目前還無法預測此二聚體構型）如科學插圖中蝴蝶蘭兩片花瓣的形態。膽固醇和脂質分子被包夾在NET單體之間，構成了NET同源二聚體的主要作用界面，如科學插圖中蝴蝶蘭花蕊示意的位置。這與其他膜蛋白通過蛋白-蛋白直接相互作用組裝為寡聚體的方式截然不同。進一步生化細胞實驗證實，膽固醇和脂質介導的二聚化貢獻于NET的轉運功能（圖2）。如科學插圖中不同小分子紋飾的蝴蝶在蝴蝶蘭上的停留狀態，該研究提出了不同MAT選擇譜的六種抗抑郁藥物與NET的選擇性。?

圖2. 膽固醇和脂質調控NET同源二聚化和轉運活性

綜上，這些研究結果回答了膽固醇和脂質調控NET等MAT寡聚化及其轉運功能，以及NET底物識別和轉運調節等基礎生物學問題，破解了抗抑郁藥物選擇性靶向NET的分子密碼。這些成果加深了對NET的結構和功能的理解，同時為抗抑郁藥物治療提供了重要的結構基礎和藥物設計參考。

本研究的冷凍電鏡數據在上海市高峰電鏡中心收集。上海藥物所博士后張衡、助理研究員代安濤和臨港實驗室博士后殷裕玲為該論文的共同第一作者。臨港實驗室研究員蔣軼、上海藥物所研究員徐華強、楊德華為該論文的共同通訊作者。該成果獲得了科技部、基金委和上海市等項目的支持。

全文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07437-6