突觸前膽堿轉(zhuǎn)運蛋白CHT1轉(zhuǎn)運調(diào)控機制

乙酰膽堿（acetylcholine）是人類發(fā)現(xiàn)的**種神經(jīng)遞質(zhì)。因其在"神經(jīng)沖動的化學(xué)傳遞"中里程碑式的重要意義，該發(fā)現(xiàn)于1936年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。乙酰膽堿是膽堿能神經(jīng)元合成并利用的主要神經(jīng)遞質(zhì)。當(dāng)乙酰膽堿從神經(jīng)末梢釋放時，它能夠結(jié)合并激活定位在突觸前/后膜上的乙酰膽堿受體，誘導(dǎo)神經(jīng)元的興奮，介導(dǎo)并調(diào)控大腦中認知以及運動相關(guān)過程的信息傳遞。當(dāng)乙酰膽堿在突觸間隙完成信號傳遞后，乙酰膽堿酯酶會將其分解為醋酸鹽和膽堿。游離的膽堿會進一步被定位在突觸前膜上的高親和力膽堿轉(zhuǎn)運蛋白CHT1（high-affinity choline transporter 1）攝取，回收到突觸前末梢中，再次參與乙酰膽堿的合成代謝循環(huán)。先前研究表明，CHT1介導(dǎo)的膽堿回收是乙酰膽堿合成的限速步驟。因此，CHT1的表達異常和功能障礙會誘發(fā)多種疾病，例如遺傳性運動神經(jīng)元病、肌無力綜合征、動脈粥樣硬化、抑郁癥和阿爾茲海默病等。

CHT1（SLC5A7）是鈉離子/溶質(zhì)同向轉(zhuǎn)運家族成員，借助細胞內(nèi)外鈉離子的電化學(xué)勢，驅(qū)動膽堿的高親和力跨膜轉(zhuǎn)運。HC-3（hemicholinium-3）是選擇性靶向CHT1的小分子藥物，競爭性地抑制了CHT1介導(dǎo)的膽堿轉(zhuǎn)運，被用作神經(jīng)肌肉阻滯劑。然而，人們對CHT1識別膽堿的關(guān)鍵位點尚不明確，其構(gòu)象變化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及小分子HC-3對轉(zhuǎn)運活性的抑制機制也有待闡明。

2024年4月8日，中國科學(xué)院生物物理研究所趙巖研究組在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Structural & Molecular Biology》上發(fā)表題為"Transport mechanism of presynaptic high-affinity choline uptake by CHT1"的研究論文。該研究利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，**解析了CHT1在外向HC-3結(jié)合狀態(tài)、內(nèi)向無底物結(jié)合狀態(tài)和內(nèi)向膽堿結(jié)合狀態(tài)的高分辨率結(jié)構(gòu)；并借助放射性同位素示蹤、底物攝取實驗和分子動力學(xué)模擬等一系列實驗方法，闡釋了CHT1識別和轉(zhuǎn)運膽堿的分子模型以及HC-3抑制轉(zhuǎn)運活性的機制，并為新型CHT1靶向藥物的開發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

在結(jié)合了HC-3的CHT1外向結(jié)構(gòu)中（圖A-B），HC-3呈現(xiàn)出棒狀形態(tài)，并從外側(cè)插入底物結(jié)合口袋，將蛋白鎖定在外向開口狀態(tài)。在內(nèi)向膽堿結(jié)合狀態(tài)下，CHT1的胞內(nèi)口袋向內(nèi)開放，膽堿仍然被色氨酸三聯(lián)體穩(wěn)定（圖C）。在內(nèi)向無底物結(jié)合狀態(tài)下，色氨酸三聯(lián)體口袋發(fā)生構(gòu)象變化，膽堿向胞內(nèi)溶劑側(cè)暴露，進而導(dǎo)致膽堿從底物結(jié)合口袋中釋放。

　　此外，胞內(nèi)短螺旋IH1也是CHT1轉(zhuǎn)運過程中發(fā)揮作用的重要元件（圖D）。在外向的CHT1結(jié)構(gòu)中，IH1螺旋參與維持了構(gòu)象的穩(wěn)定。當(dāng)?shù)孜锱cCHT1結(jié)合，CHT1從外向轉(zhuǎn)變到內(nèi)向狀態(tài)。此時，IH1螺旋被釋放，暴露了CHT1的胞內(nèi)口袋，促進了轉(zhuǎn)運的發(fā)生。進一步實驗表明，IH1螺旋缺失突變體完全喪失了底物轉(zhuǎn)運活性，且無法從內(nèi)向轉(zhuǎn)變到外向狀態(tài)。

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