子科生物報道：乙酰膽堿（acetylcholine）是人類發(fā)現的第一種神經遞質。因其在"神經沖動的化學傳遞"中里程碑式的重要意義，該發(fā)現于1936年獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。乙酰膽堿是膽堿能神經元合成并利用的主要神經遞質。當乙酰膽堿從神經末梢釋放時，它能夠結合并激活定位在突觸前/后膜上的乙酰膽堿受體，誘導神經元的興奮，介導并調控大腦中認知以及運動相關過程的信息傳遞。當乙酰膽堿在突觸間隙完成信號傳遞后，乙酰膽堿酯酶會將其分解為醋酸鹽和膽堿。游離的膽堿會進一步被定位在突觸前膜上的高親和力膽堿轉運蛋白CHT1（high-affinity choline transporter 1）攝取，回收到突觸前末梢中，再次參與乙酰膽堿的合成代謝循環(huán)。先前研究表明，CHT1介導的膽堿回收是乙酰膽堿合成的限速步驟。因此，CHT1的表達異常和功能障礙會誘發(fā)多種疾病，例如遺傳性運動神經元病、肌無力綜合征、動脈粥樣硬化、抑郁癥和阿爾茲海默病等。

　　CHT1（SLC5A7）是鈉離子/溶質同向轉運家族成員，借助細胞內外鈉離子的電化學勢，驅動膽堿的高親和力跨膜轉運。HC-3（hemicholinium-3）是選擇性靶向CHT1的小分子藥物，競爭性地抑制了CHT1介導的膽堿轉運，被用作神經肌肉阻滯劑。然而，人們對CHT1識別膽堿的關鍵位點尚不明確，其構象變化的結構基礎以及小分子HC-3對轉運活性的抑制機制也有待闡明。

　　2024年4月8日，中國科學院生物物理研究所趙巖研究組在國際學術期刊《Nature Structural & Molecular Biology》上發(fā)表題為"Transport mechanism of presynaptic high-affinity choline uptake by CHT1"的研究論文。該研究利用單顆粒冷凍電鏡技術，首次解析了CHT1在外向HC-3結合狀態(tài)、內向無底物結合狀態(tài)和內向膽堿結合狀態(tài)的高分辨率結構；并借助放射性同位素示蹤、底物攝取實驗和分子動力學模擬等一系列實驗方法，闡釋了CHT1識別和轉運膽堿的分子模型以及HC-3抑制轉運活性的機制，并為新型CHT1靶向藥物的開發(fā)提供了結構基礎。

圖：CHT1結合不同配體后處于不同的構象狀態(tài)以及假定的底物轉運機制圖

　　在結合了HC-3的CHT1外向結構中（圖A-B），HC-3呈現出棒狀形態(tài)，并從外側插入底物結合口袋，將蛋白鎖定在外向開口狀態(tài)。在內向膽堿結合狀態(tài)下，CHT1的胞內口袋向內開放，膽堿仍然被色氨酸三聯(lián)體穩(wěn)定（圖C）。在內向無底物結合狀態(tài)下，色氨酸三聯(lián)體口袋發(fā)生構象變化，膽堿向胞內溶劑側暴露，進而導致膽堿從底物結合口袋中釋放。

　　此外，胞內短螺旋IH1也是CHT1轉運過程中發(fā)揮作用的重要元件（圖D）。在外向的CHT1結構中，IH1螺旋參與維持了構象的穩(wěn)定。當底物與CHT1結合，CHT1從外向轉變到內向狀態(tài)。此時，IH1螺旋被釋放，暴露了CHT1的胞內口袋，促進了轉運的發(fā)生。進一步實驗表明，IH1螺旋缺失突變體完全喪失了底物轉運活性，且無法從內向轉變到外向狀態(tài)。