乙酰膽堿是一種重要的神經遞質，在中樞及外周神經系統中都發揮不可或缺的作用，與學習記憶、骨骼肌收縮、心率和血壓調節、腸道蠕動、以及腺體分泌等生理過程密切相關。乙酰膽堿的缺乏會引發多種疾病，如阿爾茲海默症和重症肌無力等。VAChT（SLC18A3）蛋白在膽堿能神經元中特異性表達，負責将胞質中的乙酰膽堿包裝到突觸囊泡中，這是乙酰膽堿能夠正常被突觸分泌并發揮功能的前提。小鼠中VAChT的基因敲除或敲低會導緻嚴重的運動缺陷和認知障礙。同時，VAChT 的遺傳突變也會引起人類先天性肌無力綜合征。鑒于VAChT的表達特異性，它的靶向性結合分子可以用于膽堿能神經元的标記。目前，vesamicol是應用最為廣泛的VAChT抑制劑，它的衍生物以及F¹⁸同位素标記物有望被用于特定神經退行性疾病的早期診斷，如阿爾茲海默症等。

beat365官方网站張哲課題組于2024年6月11日在Cell Research雜志發表了題為“Structural insights into VAChT neurotransmitter recognition and inhibition”的研究論文。該項工作報道了人源VAChT蛋白分别與底物乙酰膽堿以及抑制劑vesamicol結合的冷凍電鏡結構。結合分子動力學模拟以及功能實驗，本研究闡明了VAChT識别底物和抑制劑的分子機制（圖1）。

圖1. VAChT識别抑制劑vesamicol和底物乙酰膽堿（ACh）的分子機制。

本課題組利用此前在囊泡單胺轉運蛋白VMAT2（SLC18A2）研究中所開發的蛋白改造方法（Pidathala et al. Nature 2023），成功解析了VAChT與vesamicol以及底物乙酰膽堿結合的冷凍電鏡結構。在這些結構中，VAChT均呈現MFS超家族轉運蛋白的經典lumen-facing構象。Vesamicol結合在VAChT中帶負電的口袋。其中，VAChT第398位天冬氨酸通過靜電相互作用與vesamicol結合，對其識别至關重要。而乙酰膽堿的結合位點與vesamicol部分重合，由此表明，vesamicol可能通過與底物競争結合位點而抑制VAChT的轉運活性。然而，vesamicol也可能将VAChT鎖定在lumen-facing構象而阻礙其功能。通過比較VAChT和VMAT2的底物結合模式，作者進一步提出，整個SLC18家族蛋白均利用一個保守的酸性氨基酸殘基識别底物中帶部分正電的膽堿或氨基基團，而二者則利用結合位點處幾個不保守的氨基酸殘基實現了對各自底物的特異性選擇。總之，該研究加深了人們對VAChT乃至整個SLC18家族蛋白底物識别機制的理解，并為針對vesamicol和VAChT的藥物設計提供了重要參考。

beat365官方网站張哲研究員、中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉中心張一小研究員、北京大學定量生物學中心宋晨研究員、以及美國聖裘德兒童研究醫院Chia-Hsueh Lee研究員為本文共同通訊作者。beat365官方网站2021級博士生張陽、中科院生物與化學交叉中心博士生戴飛、以及北京大學定量生物學中心陳楠浩博士為本文共同第一作者。另外，北京大學前沿交叉學科研究院2020級博士生周棟對本文做出重要貢獻。

本研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、生命科學聯合中心、膜生物學國家重點實驗室、beat365官方网站以及北京大學成都前沿交叉生物技術研究院創新基金的資助；并依托北京大學冷凍電鏡平台、中科院生物與化學交叉中心冷凍電鏡平台和beat365官方网站公共儀器中心鳳凰工程蛋白質平台的技術支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41422-024-00986-5