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2023年11月1日， 北京大学生命科学学院张哲课题组和美国圣裘德儿童研究医院李佳学课题组合作在Nature杂志发布了题为Mechanisms of neurotransmitter transport and drug inhibition in human VMAT2的研究论文。该工作首次报道了人源VMAT2蛋白结合抑制剂TBZ、RSP及其底物5-羟色胺（5-HT）的冷冻电镜结构，揭示了两种抑制剂发挥功能以及VMAT2转运底物的分子机制。
VMAT2蛋白的分子量仅约56 kDa且缺乏可溶结构域，这对使用冷冻电镜技术进行结构解析提出了巨大的挑战。研究人员采取融合蛋白的策略，将MBP蛋白刚性融合在VMAT2的N端，同时将与MBP特异性结合的DARPin蛋白融合在VMAT2的C端，从而增大了VMAT2的分子量并提高了蛋白的稳定性，借此获得了VMAT2与几种小分子复合物的高分辨率结构（2.9-3.7 ?）。研究人员首先解析了VMAT2结合TBZ的结构。在该结构中，VMAT2蛋白呈现lumen-facing构象，TBZ的结合将VMAT2进一步锁定在occluded状态，此时VMAT2对膜两侧均不开放，由此阻碍了底物的结合和转运。此前的研究表明，VMAT2在cytoplasm-facing构象时与RSP的亲和力较强，为了获得与RSP的复合物结构，研究人员对VMAT2胞质侧门控处关键氨基酸残基进行了突变，最终解析了VMAT2突变体Y418S在cytoplasm-facing构象下与RSP以及底物5-HT的复合物结构。
这两个结构显示，5-HT与RSP结合在VMAT2中的相同位点，由于RSP分子量较大，与VMAT2亲和力较强，因此可以竞争性抑制底物的结合和转运。研究人员进一步通过比较两种不同构象状态的结构变化，提出了VMAT2利用alternating access方式转运底物的工作模型。期间，研究人员利用大量的功能实验验证了VMAT2中的关键氨基酸残基在抑制剂结合和底物转运中的作用，极好地印证了结构方面的分析和发现，并阐明了TBZ特异性抑制VMAT2而非VMAT1的分子机制。总之，这项研究加深了人们对VMAT2及SLC18家族相关囊泡神经递质转运蛋白结构和功能机制的理解，并为针对这些蛋白质的药物研发和改造提供了重要的参考。
