Ученые определили структуру ключевого белка в нейронной коммуникации

Нейроны общаются друг с другом, используя химические сигналы, называемые нейротрансмиттерами. Ученые из детской исследовательской больницы Св. Джуда использовали опыт структурной биологии, чтобы определить структуру везикулярного переносчика моноаминов 2 (VMAT2), ключевого компонента нейронной коммуникации. Визуализируя VMAT2 в разных состояниях, ученые теперь лучше понимают, как он функционирует и как различные формы, которые принимает белок, влияют на связывание лекарств; важная информация для разработки лекарств для лечения гиперкинетических расстройств (чрезмерных движений), таких как синдром Туретта. Работа была опубликована сегодня в Природа.

Как наши нейроны разговаривают друг с другом

Химические соединения, называемые моноаминами, которые включают дофамин, серотонин и адреналин, играют центральную роль в нейронной коммуникации. Эти молекулы влияют на работу мозга, контролируя наши эмоции, сон, движение, дыхание, кровообращение и многие другие функции. Моноамины — это нейротрансмиттеры (сигнальные молекулы), которые вырабатываются и высвобождаются нейронами, но прежде чем они смогут высвободиться, их сначала необходимо упаковать в везикулы.

Везикулы — это клеточные отсеки, в которых хранятся нейротрансмиттеры до того, как они высвободятся в синапсах (переходе, через который химические сигналы передаются от одного нейрона к другому). Думайте о пузырьках как о грузовых кораблях нейронной клетки. нейрохимические вещества упакованы внутри них и доставлены туда, куда им нужно. VMAT — это белки на мембране этих везикул, которые перемещают моноамины во внутреннее пространство, действуя как погрузочные краны для грузовых судов.

VMAT — это транспортеры, которые необходимы для упаковки этих моноаминовых нейротрансмиттеров в синаптические пузырьки».

Чиа-Сюэ Ли, доктор философии, соавтор, кафедра структурной биологии Сент-Джуда

Как только VMAT наполняет везикулу моноаминами, «грузовой корабль» движется к синаптической щели (пространству между нейронами), где высвобождает химические соединения.

Многоликость переносчиков моноаминов

Существует два типа VMAT: VMAT1 и VMAT2. VMAT1 более специализирован и обнаруживается только в нейроэндокринных клетках, тогда как VMAT2 обнаруживается во всей нейрональной системе и имеет значительную клиническую значимость.

«Мы знали, что VMAT2 физиологически очень важен», — сказал Ли. «Этот транспортер является мишенью для фармакологически значимых препаратов, используемых при лечении гиперкинетических расстройств, таких как хорея и синдром Туретта».

Несмотря на свою важность, структура VMAT2, которая позволила бы исследователям полностью изучить, как он работает, оставалась неуловимой. Ли и его команда использовали криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ) для получения структур VMAT2, связанных с моноамином серотонином и препаратами тетрабеназином и резерпином, которые используются для лечения хореи и гипертонии соответственно. Это был нелегкий подвиг.

«VMAT2 — это небольшой мембранный белок», — объяснил соавтор Яксин Дай, доктор философии, факультет структурной биологии Сент-Джуда. «Это делает его очень сложной целью для определения структуры крио-ЭМ».

Несмотря на трудности и использование некоторых хитрых уловок, команда захватила несколько структур VMAT2, что позволило им выяснить, как функционирует белок, и исследовать, как именно работают эти лекарства. «Транспортеры VMAT принимают несколько конформаций. [shapes] при транспортировке их субстрата. Это называется транспортом с попеременным доступом, когда белок обращен либо «наружу», либо «внутрь», — объяснил соавтор Шабариш Пидатала, доктор философии, факультет структурной биологии Сент-Джуда. «Чтобы полностью получить механистическое понимание при на атомном уровне нам нужно было захватить несколько конформаций этого транспортера».

Отвечаю на вопрос 40-летней давности

Исследователи обнаружили, что этот динамический механизм означает множество возможностей для связывания лекарств. Они подтвердили, что резерпин и тетрабеназин связывают две разные конформации VMAT2. «30 или 40 лет фармакологических исследований показали, что эти два препарата связываются с транспортером по-разному, — сказал Пидатала, — но никто не знал атомных подробностей того, как это работает. Наши структуры прекрасно демонстрируют, что эти два препарата стабилизируют две разные конформации. перевозчика, чтобы заблокировать его деятельность».

Структура VMAT2, связанного с серотонином, позволила исследователям точно определить конкретные аминокислоты, которые взаимодействуют с нейротрансмиттером и управляют транспортом. «Мы считаем, что это общий механизм, который этот транспортер использует для взаимодействия со всеми моноаминами», — сказал Ли.

Хотя эта работа предлагает огромный шаг вперед в понимании транспорта моноаминов, Ли и его команда углубляются в его механизм. Например, поступление моноаминов в везикулы обеспечивается протонами, движущимися в другом направлении. «Мы определили аминокислоты, которые важны для этого протон-зависимого процесса», — сказал Ли, — «но мы до сих пор не знаем, как именно протоны управляют этим транспортом. Определение этого механизма — наше будущее направление, которое поможет нам в полной мере оценить, как этот транспортер работает».

Авторы и финансирование

Другим первым автором исследования является Шуюнь Ляо из Школы наук о жизни Пекинского университета. Со-корреспондентом исследования является Чжэ Чжан из Школы наук о жизни Пекинского университета. Среди других авторов — Сяо Ли и Чи-Лунь Чанг из Университета Св. Иуды, а также Чанкунь Лун из Школы наук о жизни Пекинского университета.

Исследование было поддержано грантами Национальных институтов здравоохранения (R01GM143282), Национальной программы ключевых исследований и разработок Китая (2021YFA1302300), Национального фонда естественных наук Китая (32171201), инновационного фонда SLS-Qidong, Фонда Ли Ге- Молодежный исследовательский фонд наук о жизни Чжао Нин, Государственная ключевая лаборатория мембранной биологии Китая, и ALSAC, организация по сбору средств и повышению осведомленности Святого Иуды.