Neurotransmitter sind eine Klasse von Signalchemikalien, darunter Monoamine wie Serotonin, Dopamin und Histamin, die eine wichtige Rolle bei einer Vielzahl neurologischer Aktivitäten spielen, darunter Stimmung, Gedächtnis, Wachstum und Entwicklung sowie Drogenabhängigkeit. Die zytosolischen Neurotransmitter in präsynaptischen Neuronen müssen zur Speicherung und anschließenden Freisetzung in synaptische Vesikel transportiert werden.
Die Verpackung von Monoaminen in Vesikel wird durch den vesikulären Monoamintransporter 2 (VMAT2) vermittelt. Wichtig ist, dass mehrere gegen VMAT2 gerichtete Medikamente zur Behandlung von Bluthochdruck und Hyperaktivitätsstörungen eingesetzt wurden.
Humanes VAMT2 ist ein kleines Membranprotein mit einem Molekulargewicht von nur 56 kDa, was die Kryo-EM-Analyse äußerst schwierig macht. Die Gruppe von Prof. Jiang Daohua vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat die Herausforderung durch das Screening von Fusionsproteinen gemeistert und die hochauflösenden Strukturen der VMAT2-Bindung an drei klinische Medikamente und das Substrat Serotonin rekonstruiert.
In Kombination mit funktionellen Experimenten und molekulardynamischen Simulationen beschrieben die Forscher die molekularen Mechanismen der Substraterkennung und Arzneimittelhemmung von VMAT2. Die Studie mit dem Titel „Transport- und Hemmmechanismus von menschlichem VMAT2“ lautete veröffentlicht In Natur.
Die Kryo-EM-Strukturen wurden im zytoplasmazugewandten, verschlossenen und lumenzugewandten Zustand bestimmt und repräsentieren drei typische Konformationen im Transportzyklus von VMAT2. Die Strukturen enthüllten auch die Hemmmechanismen verschiedener Medikamente. Beispielsweise konkurriert Reserpin mit Serotonin um die Bindung an das VMAT2 zugewandte Zytoplasma, aber Tetrabenazin und Ketanserin stabilisieren VMAT2 im verschlossenen bzw. lumenzugewandten Zustand.
Darüber hinaus liefern die Strukturen wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der unterschiedlichen pharmakologischen Eigenschaften von Reserpin, Tetrabenazin und Ketanserin. Darüber hinaus nimmt Serotonin-gebundenes VMAT2 eine zum Lumen gerichtete Konformation ein, ein Zustand, der die Substratfreisetzung begünstigt.
Diese Studie fördert das Verständnis der VMAT2-Funktionen und erleichtert das mechanistische Verständnis der Substraterkennung, Arzneimittelhemmung und Arzneimittelentwicklung von VMAT2. In der Zwischenzeit könnte die in dieser Studie verwendete VMAT2-Fusionsproteinstrategie auf andere kleine Membranproteine angewendet werden, was die Strukturanalyse von Membrantransportproteinen und anderen kleinen Proteinen durch Kryo-EM erleichtern wird.
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Di Wu et al., Transport- und Hemmmechanismen von menschlichem VMAT2, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06926-4