乙酰膽堿作為人體中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)的關鍵神經(jīng)遞質，廣泛參與學習記憶、肌肉收縮、心率調(diào)節(jié)等核心生理過程。囊泡乙酰膽堿轉運蛋白（VAChT）是唯一負責將乙酰膽堿裝載至突觸小泡的轉運蛋白，對維持膽堿能信號正常傳遞至關重要。研究表明，小鼠中VAChT的基因敲除或敲低會引發(fā)嚴重的運動缺陷和認知障礙，人類VAChT遺傳突變也被證實與先天性肌無力綜合征相關。

目前，Vesamicol是最常用的VAChT抑制劑，其衍生物及F18標記物在神經(jīng)退行性疾病早期診斷藥物的研發(fā)中備受關注。然而，Vesamicol類化合物與大腦中的σ受體同樣存在較高親和力，這種選擇性不足嚴重限制了其診斷應用價值。因此，解析基于新型化學骨架的VAChT抑制劑的識別機制，對開發(fā)高選擇性探針至關重要。

在農(nóng)業(yè)領域，多種農(nóng)藥和殺蟲劑以神經(jīng)毒素形式作用于膽堿能信號通路。例如，有機磷類和氨基甲酸酯類殺蟲劑通過抑制乙酰膽堿酯酶，導致乙酰膽堿積累，引發(fā)昆蟲痙攣、麻痹及死亡；而新煙堿類殺蟲劑則選擇性激活煙堿型乙酰膽堿受體（nAChR），造成神經(jīng)持續(xù)興奮。隨著這些藥劑的廣泛使用，害蟲耐藥性問題日益突出，新型作用靶點的研發(fā)迫在眉睫。VAChT作為膽堿能信號通路的關鍵環(huán)節(jié)，近年來已成為殺蟲劑研發(fā)的新靶點。研究人員已發(fā)現(xiàn)兩類具潛力的新型VAChT抑制劑（spiroindoline和alkylsulfone），但其分子識別機制尚不明確，亟待深入解析。

北京大學生命科學學院和北大-清華生命科學聯(lián)合中心張哲課題組于2025年10月30日在Structure期刊上發(fā)表題為“Structural basis of VAChT inhibition by spiroindolines and alkylsulfones”的研究論文。該研究通過冷凍電鏡解析了人源VAChT蛋白與兩種新型抑制劑——Spiroindoline和Alkylsulfone結合的高分辨率結構，并結合功能實驗系統(tǒng)闡明其抑制機制。結合課題組此前發(fā)表的VAChT與底物及Vesamicol結合的結構（Zhang et al. Cell Research2024），本研究完整揭示了VAChT在識別不同配體過程中的構象偏好與結合模式差異（如圖）。

VAChT識別乙酰膽堿及抑制劑的分子機制

研究采用與前期工作一致的蛋白構建策略，成功捕獲了VAChT在結合Spiroindoline和Alkylsulfone時呈現(xiàn)的lumen-facing構象。結構分析表明，兩種抑制劑均占據(jù)VAChT的中央結合口袋，與經(jīng)典抑制劑Vesamicol共享結合區(qū)域，但在具體相互作用上存在顯著差異。與天然底物乙酰膽堿類似，Vesamicol和Spiroindoline作為帶正電分子，均依賴與關鍵殘基Asp398之間的靜電相互作用實現(xiàn)結合。然而，就整體結合模式而言，Alkylsulfone與Vesamicol更為相似。相比之下，Spiroindoline因其獨特的螺環(huán)結構，在中央口袋內(nèi)占據(jù)額外空間，與VAChT形成更廣泛的接觸界面，從而表現(xiàn)出更高的結合親和力。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)盡管不同物種VAChT的結合口袋殘基高度保守，但其它區(qū)域（如TM1與TM2間的loop區(qū)）的序列差異也會影響抑制劑的結合特性，這為開發(fā)物種特異性的VAChT抑制劑提供了新的思路。

該研究從原子層面揭示了Spiroindoline和Alkylsulfone抑制VAChT的結構基礎，不僅深化了對囊泡乙酰膽堿轉運機制的理解，也為針對VAChT的靶向藥物設計——特別是在神經(jīng)退行性疾病診斷工具與新型殺蟲劑研發(fā)方面提供了關鍵結構依據(jù)。

張哲為本文通訊作者。北京大學生命科學學院2021級博士生張陽為本文第一作者。本研究還得到了北京大學化學與分子工程學院來魯華教授課題組在納米差示掃描熒光法實驗方面的重要支持，以及北京大學生命科學學院2025級博士生陳怡彤在蛋白純化方面的協(xié)助。

本研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北大-清華生命科學聯(lián)合中心、膜生物學全國重點實驗室、北京大學生命科學學院啟東產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金、成都前沿交叉生物技術研究院創(chuàng)新基金以及“臨床醫(yī)學+X”青年專項基金的資助；并得到北京大學冷凍電鏡平臺和北京大學生命科學學院公共儀器中心鳳凰工程蛋白質平臺的技術支持。

來源：北京大學