2024年3月18日，华盛顿大学圣路易斯分校的栗卫凯教授和明尼苏达大学霍尔梅尔研究所刘斌副教授合作，在世界知名期刊Nature上发表了一篇题为Structural insights into vesicular monoamine storage and drug interactions的研究论文。该研究通过冷冻电子显微镜技术得到了人类VMAT1的八个结构，揭示了其在胞质开放和腔内开放构象中的形态，并与四种单胺神经递质、降压药利血平、精神刺激剂安非他命和神经毒素MPP+形成的复合物。这些结构和功能研究揭示了单胺存储和药理相互作用的机制，为理解疾病的关联提供了框架，并激发了未来开发靶向药物的发展方向。
研究人员发现，在表达和纯化VMAT1时存在困难，导致蛋白的产量低且结构不稳定。为了克服这些问题，他们采用了一种新的策略，即通过删除VMAT1中的一个糖基化环来提高蛋白的产量和稳定性。经过改造的VMAT1被验证在细胞中的位置和功能上与原始蛋白基本相同，证实了这一策略的有效性。随后，研究人员利用冷冻电子显微镜技术对改造后的VMAT1进行了结构分析。在无配体状态下，即VMAT1未与利血平结合时，它呈现出一种开放构象，暴露于细胞质侧。这种构象可能有助于单胺分子的进入和绑定。而当VMAT1与利血平结合时，利血平会在VMAT1的一个单体中形成密集的结合位点，VMAT1呈现出了二聚体结构。
研究人员还发现，不同类型的神经递质和神经毒素与VMAT1之间存在特异性的结合方式。与利血平结合：在没有配体的情况下，VMAT1呈现出一种开放的构象，使得单胺分子能够进入和结合到其深部腔室中。这种构象被称为"lumenal-open"，并且受到NTD和CTD之间大量的相互作用所稳定。而在利血平结合的状态下，这些相互作用丧失，导致了VMAT1的构象发生变化，呈现出另一种开放的构象，但此时细胞质端的单胺通道打开，而不是深部腔室。作者观察到细胞质开放状态下的底物结合口袋与结合利血平时的口袋保持一致，暗示细胞质开放构象可能用于单胺的进口。通过对两种VMAT1构象进行比较，发现了E320残基在两种状态下的局部环境显著变化，表明其在质子诱导的细胞质开放状态中可能发挥重要作用。作者还提出了质子反向转运机制的模型，强调了E320和其他潜在质子化位点在单胺转运过程中的作用，并指出了E320可能在摇臂开关转换中发挥关键作用。
总的来说，这些结构洞察和支持的功能研究阐明了囊泡单胺转运的机制，并为开发治疗神经退行性疾病和物质滥用的新型药物提供了基础。结合对VMATs结构与功能的深入理解，未来可能开发针对神经递质转运过程的新药物治疗策略。这些治疗策略可能包括针对不同构象的药物设计、针对特定结合位点的药物开发等，为神经系统疾病和物质成瘾的治疗提供新的方向。
