中国科学家揭示乙酰胆碱转运机制，为神经退行性疾病诊断提供新思路
中国科学家揭示乙酰胆碱转运机制，为神经退行性疾病诊断提供新思路
乙酰胆碱是人类发现的第一种神经递质，在神经系统中发挥着至关重要的作用。近日，中国科学院生物物理研究所赵岩课题组在Nature Structural & Molecular Biology发表最新研究成果，首次解析了囊泡乙酰胆碱转运体（VAChT）的高分辨率结构，揭示了乙酰胆碱的转运机制及其与抑制剂vesamicol的相互作用机制，为神经退行性疾病的诊断和治疗提供了新的思路。
一个神经元的放电 （firing） 就像一个火花，点亮了纷繁复杂的神经通路，传递着记忆和行动等指令，高效协调神经系统各项功能，从而精准调控我们的想法、情感和动作，构建起一个精细有序的 “神经网络世界”。
回溯近一百年神经科学探索，“蛙心灌流”实验意义非凡。借助蛙心跳动，科学家首次揭示了神经冲动与化学传递的关系。作为人类发现的第一种神经递质，随着对乙酰胆碱研究的不断深入，其生理功能正逐渐变得清晰起来：在外周神经系统中控制肌肉运动；在中枢神经系统中影响思维、认知和记忆。同时，胆碱能神经元功能异常与多种疾病密切相关。
以肌无力综合症为例，胆碱能神经元或其下游肌肉的运作障碍将逐渐侵蚀患者的日常生活能力：从表情僵硬、吞咽困难，到四肢动作受限，最终步态变得迟缓甚至完全丧失行走能力。在病程后期，由于呼吸肌无力或心脏等关键器官功能的衰竭，生命因此受到威胁。而在中枢神经系统中，胆碱能神经元则承担着认知和记忆的重要功能。当这些神经元发生异常或逐渐丢失，患者逐渐经历智力衰退、语言障碍和感知力减弱。阿尔茨海默症、帕金森综合征的发生也与胆碱能神经元的减少密切相关。这些不仅凸显了胆碱能神经信号传递在生理、病理中扮演者关键角色，也是相关疾病的诊疗关键。
“星星之火，可以燎原”，神经元的放电需要“火种”的点燃。乙酰胆碱犹如一根根“火柴”，点燃了神经与神经，神经与肌肉之间的信号传递，驱动思维与肢体精准协作。乙酰胆碱在突触间隙完成了信号传递过程之后，被乙酰胆碱酯酶分解为“火柴棍”乙酸和“火柴头”胆碱。“火柴头”胆碱是生产乙酰胆碱的“战略”物资，在高亲和力胆碱转运体 （CHT1） 的严格筛查下运输送往乙酰胆碱生产线 （见图1） ——那么，关于这样的筛查和运输是如何进行的？2024年，中国科学院生物物理研究所赵岩课题组先后在Nature Structural & Molecular Biology、Structure发表系统性研究【1-2】，揭示了CHT1偶联钠离子、氯离子摄取胆碱的分子机制，以及与小分子抑制剂的识别机制，为深层次的理解胆碱是如何被摄取进胆碱能神经元提供了全面的见解。
利用CHT1摄取的胆碱，胆碱能神经元中由胆碱乙酰转移酶合成新的“火柴”乙酰胆碱。随后，乙酰胆碱会被送往一个个囊泡储存，为驱动下一次信号传递做准备。那么，这个关键环节是如何发生的呢？
囊泡乙酰胆碱转运体 （VAChT） 作为一种至关重要的转运蛋白，犹如一名技术娴熟的“打包员”，将乙酰胆碱打包进入囊泡 （见图1） 。几十年来，研究人员对VAChT已进行了广泛研究，但其选择性转运乙酰胆碱的分子机制仍未被完全阐明。此外，胆碱能神经元在脑内的丰度变化与多种神经退行性疾病的发生和进展密切相关。由于VAChT是胆碱能神经元标志性蛋白质分子，通过开发靶向VAChT的分子影像技术 （包括PET和SPECT等） 示踪剂是相关神经退行性疾病的早期诊断关键策略。目前，部分靶向VAChT的示踪剂已进入临床II期试验。然而，这些示踪剂与VAChT之间的相互作用机制仍未完全明确。
图1：胆碱能神经元中乙酰胆碱的循环及信号传递过程。
2025年1月13日，中国科学院生物物理研究所赵岩课题组在Nature Structural & Molecular Biology在线发表了题为“Binding mechanism and antagonism of the vesicular acetylcholine transporter VAChT”的最新研究成果。该研究通过冷冻电镜单颗粒技术重构出人类VAChT在无底物状态下、底物ACh结合状态下以及抑制剂vesamicol结合状态下的高分辨率结构，阐明了VAChT底物识别和质子耦合转运过程机制，其抑制剂vesamicol结合结构揭示了vesamicol与VAChT的抑制机制，为设计靶向VAChT的新型示踪剂提供了结构基础。
VAChT属于质子/溶质逆向转运蛋白家族，在质子电化学势的驱动下完成底物乙酰胆碱的跨膜转运。研究团队分别解析无底物及乙酰胆碱结合的囊泡开口结构 （见图2c） ，同时鉴定出独特的质子传递网络。乙酰胆碱结合在VAChT中央口袋中，通过与结合口袋周围关键氨基酸形成大量氢键和静电相互作用，从而实现特异性的结合与转运。为了深入理解这些相互作用对转运功能的影响，研究团队将与乙酰胆碱及质子结合密切相关的关键氨基酸进行了突变，并在小鼠大脑背侧纹状体内对胆碱能神经元释放乙酰胆碱的功能进行了研究（见图2a）。纹状体内乙酰胆碱的释放对包括运动控制、决策行为、学习和记忆在内的多种生理功能具有重要调节作用。我们发现相关的突变会直接影响乙酰胆碱在纹状体中的释放，直观地阐释了质子结合、底物转运与生理功能之间的关系，为理解VAChT在乙酰胆碱转运、储存和释放中的作用提供了重要见解。
Vesamicol 是特异性结合VAChT的高亲和力抑制剂，可以有效的阻断其转运活性。Vesamicol的衍生物，如[123I]iodobenzovesamicol （[123I]IBVM） 和[18F]fluoroethoxybenzovesamicol （[18F]FEOBV） ，都已进入临床二期阶段，用于检测胆碱能神经系统的数量和完整性，为神经退行性疾病的诊断提供关键信息。为了探究vesamicol结合VAChT的机制，研究人员成功解析了vesamicol与VAChT结合复合物的高分辨率结构 （见图2c） ，vesamicol通过与VAChT的特定结合位点相互作用结合在囊泡侧开口的口袋中，稳定转运蛋白在特定构象中，阻止VAChT从囊泡开口构象转变为胞质侧开口构象，进而抑制乙酰胆碱的转运。此外，通过放射性抑制剂结合实验，进一步验证了参与相互作用和选择性抑制的关键氨基酸 （见图2b） 。总之，这项研究加深了对VAChT底物识别和独特质子偶联底物转运机制的认识，为神经退行性疾病的示踪剂开发与优化奠定了重要基础。
图2：小鼠大脑纹状体VAChT介导乙酰胆碱囊泡填充的动态检测、抑制剂vesamicol特异性结合曲线及VAChT在天然状态、底物乙酰胆碱结合状态以及抑制剂vesamicol结合状态下的冷冻电镜结构。
中国科学院生物物理研究所赵岩研究员为该论文通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士研究生马乔、中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员马锟鹏、北京林业大学副教授董艳丽、博士研究生孟宇飞和北京大学现代农业研究院赵珺研究员为论文的共同第一作者。此外，实验室成员黎仁杰、白秦儒，中科院物理所姜道华研究员，博士研究生武迪和中国科学院深圳先进技术研究院孙坚原研究员也为本研究做出了重要贡献。
参考文献
- Qiu Y, Gao Y, Huang B, Bai Q, Zhao Y. Transport mechanism of presynaptic high-affinity choline uptake by CHT1. Nat Struct Mol Biol. 2024 Apr;31(4):701-709. doi: 10.1038/s41594-024-01259-w. Epub 2024 Apr 8. PMID: 38589607.
- Qiu Y, Gao Y, Bai Q, Zhao Y. Ion coupling and inhibitory mechanisms of the human presynaptic high-affinity choline transporter CHT1. Structure. 2024 Nov 26;S0969-2126(24)00499-4. doi: 10.1016/j.str.2024.11.009. Epub ahead of print. PMID: 39657660.