编辑推荐：
多胺在人体生理中意义重大，其稳态失衡与多种疾病相关。研究人员针对人类囊泡多胺转运体（VPAT）展开研究，解析其结构和机制。他们发现了 VPAT 与底物及抑制剂的相互作用机制，这为相关疾病治疗提供了新方向。
在生命的微观世界里，多胺就像一群忙碌的小工匠，对基因表达和神经元传递起着关键作用。它们参与构建细胞的各种 “建筑”，维持细胞的正常运转。然而，当多胺的 “工作” 出现问题，就会引发一系列健康危机。比如在一些神经退行性疾病，像肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默病中，多胺水平就会出现异常。这背后的 “捣蛋鬼” 之一，就是囊泡多胺转运体（VPAT）。VPAT 属于 SLC18 家族，它负责利用跨膜 H
+梯度，将多胺转运到分泌囊泡中。可目前，关于它的工作机制，科学家们还知之甚少。为了揭开 VPAT 的神秘面纱，来自 Rosalind Franklin University of Medicine & Science、University of Minnesota、Brookhaven National Laboratory 等机构的研究人员，踏上了探索之旅。
这项研究成果发表在《Nature Communications》上，具有重大意义。它不仅让我们更深入地了解了 VPAT 的工作原理，还为开发治疗多胺稳态失调相关疾病的药物，提供了新的思路和靶点。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 冷冻电镜技术（cryo - EM）：通过该技术，研究人员获得了人类 VPAT 与不同配体（如精胺、亚精胺、H+、丁苯那嗪）结合状态下的结构，为后续机制研究提供了重要基础。
- 基于蛋白质脂质体的转运和配体结合实验：以此来推断 VPAT 的反向转运机制，明确其如何将跨膜质子运动与多胺神经调节剂的装载耦合起来。
- 定点突变研究：对 VPAT 进行定点突变，探究特定氨基酸残基在转运过程中的功能，验证结构研究中观察到的相互作用的重要性。
研究结果
- 结构测定概述
研究人员在研究 VPAT 结构时遇到了难题，由于其性质不稳定且分子量小，难以用常规方法获得高分辨率结构。于是，他们采用融合标签的策略，成功得到了 VPAT 与不同配体结合的冷冻电镜密度图，并通过深度学习软件提升了密度图质量，为后续分析奠定了基础。
- hVPAT 与精胺的相互作用
研究人员解析了 hVPAT 与精胺结合的结构，发现精胺与 hVPAT 通过盐桥、氢键等相互作用结合。定点突变实验表明，与精胺结合的关键氨基酸残基对 hVPAT 的转运功能至关重要，这些残基的突变会显著影响转运速度和亲和力。
- hVPAT 的亚精胺结合结构
通过解析 hVPAT 与亚精胺结合的结构，发现亚精胺与 hVPAT 的结合方式与精胺有所不同，亚精胺只形成一个盐桥，且结合较弱。功能实验验证了亚精胺结合位点的功能相关性，以及 E171 在亚精胺结合中不直接参与的特点。
- 低 pH 下 hVPAT 的结构
在低 pH 条件下解析的 hVPAT 结构显示，此时为无底物的质子化状态。与精胺结合状态相比，多个氨基酸残基发生了结构变化，这些变化有助于底物释放和防止底物重新结合，同时也为转运体进入面向胞质的状态做准备。
- hVPAT 与丁苯那嗪的相互作用
研究发现丁苯那嗪（TBZ）对 hVPAT 介导的精胺摄取具有非竞争性抑制作用。通过解析 TBZ 结合的 hVPAT 结构，揭示了 TBZ 与 hVPAT 的相互作用方式，TBZ 与 hVPAT 结合的口袋更深，且结合不受低 pH 影响，这为解释 TBZ 的抑制机制提供了结构基础。
- hVPAT 的面向胞质模型
利用 AlphaFold 预测 hVPAT 的面向胞质构象，发现其 N - 和 C - 结构域在转变过程中会发生旋转运动。预测结果还表明，E83 在面向胞质状态下可能与精胺相互作用，并且 K60 和 E264 形成的盐桥对转运体的构象变化有重要作用。
- hVPAT 的反向转运机制
综合结构和生化数据，研究人员推断出 hVPAT 介导精胺转运的反向转运机制。在转运过程中，H+和多胺在 hVPAT 内存在直接和间接的竞争，每转运一个精胺分子，hVPAT 会交换四个质子，而转运亚精胺时，H+/ 亚精胺的化学计量比为 3:1 ，整个过程呈电中性。
研究结论与讨论
研究人员成功解析了人类 VPAT 的多种结构，揭示了其与底物和抑制剂的相互作用机制，以及独特的反向转运机制。研究发现，VPAT 与其他 SLC18 家族成员在 H+/ 底物耦合机制上存在显著差异，尽管它们具有相似的结构折叠。这些差异为开发针对 VPAT 的特异性药物提供了潜在靶点，有望用于治疗多胺稳态失调相关的神经系统疾病、心血管疾病和癌症等。此外，研究中发现的一些关键氨基酸残基，如 R137 和 D140，虽然不在底物结合位点中心，但对转运功能起着关键作用，这为药物设计开辟了新的方向。未来，进一步研究 VPAT 的结构和功能，将有助于更深入地理解多胺稳态的调控机制，为相关疾病的治疗带来新的希望。
