乙酰膽堿作為人體中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)，廣泛參與學(xué)習(xí)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白（VAChT）是唯一負(fù)責(zé)將乙酰膽堿裝載至突觸小泡的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對維持膽堿能信號正常傳遞至關(guān)重要。研究表明，小鼠中VAChT的基因敲除或敲低會引發(fā)嚴(yán)重的運(yùn)動缺陷和認(rèn)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(guān)。

目前，Vesamicol是最常用的VAChT抑制劑，其衍生物及F18標(biāo)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(guān)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(yán)重限制了其診斷應(yīng)用價值。因此，解析基于新型化學(xué)骨架的VAChT抑制劑的識別機(jī)制，對開發(fā)高選擇性探針至關(guān)重要。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)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(jī)磷類和氨基甲酸酯類殺蟲劑通過抑制乙酰膽堿酯酶，導(dǎo)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(guān)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(jī)制尚不明確，亟待深入解析。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和北大-清華生命科學(xué)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(jié)合的高分辨率結(jié)構(gòu)，并結(jié)合功能實驗系統(tǒng)闡明其抑制機(jī)制。結(jié)合課題組此前發(fā)表的VAChT與底物及Vesamicol結(jié)合的結(jié)構(gòu)（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(gòu)象偏好與結(jié)合模式差異（如圖）。

VAChT識別乙酰膽堿及抑制劑的分子機(jī)制

研究采用與前期工作一致的蛋白構(gòu)建策略，成功捕獲了VAChT在結(jié)合Spiroindoline和Alkylsulfone時呈現(xiàn)的lumen-facing構(gòu)象。結(jié)構(gòu)分析表明，兩種抑制劑均占據(jù)VAChT的中央結(jié)合口袋，與經(jīng)典抑制劑Vesamicol共享結(jié)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(guān)鍵殘基Asp398之間的靜電相互作用實現(xiàn)結(jié)合。然而，就整體結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)合親和力。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)盡管不同物種VAChT的結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，不僅深化了對囊泡乙酰膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的理解，也為針對VAChT的靶向藥物設(shè)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)依據(jù)。

張哲為本文通訊作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xué)生命科學(xué)學(xué)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(xué)基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)全國重點實驗室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院啟東產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金、成都前沿交叉生物技術(shù)研究院創(chuàng)新基金以及“臨床醫(yī)學(xué)+X”青年專項基金的資助；并得到北京大學(xué)冷凍電鏡平臺和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院公共儀器中心鳳凰工程蛋白質(zhì)平臺的技術(shù)支持。

來源：北京大學(xué)