清华大学闫创业等团队合作1月不到发表3篇Nature子刊！

γ-氨基丁酸(GABA)是中枢神经系统中一种重要的抑制性神经递质，通过特异性GABA转运体(GATs)进行循环。GAT1主要表达于轴突的突触前末端，由于其在GABA转运中的重要作用，是神经系统疾病的潜在药物靶点。

2023年7月3日，清华大学闫创业和Yafei Yuan共同通讯在Nature Structural & Molecular Biology在线发表了题为“Molecular basis for substrate recognition and transport of human GABA transporter GAT1”的研究论文，该研究报告了人类GAT1的四种冷冻电镜结构，分辨率为2.2-3.2 Å。无底物形式的GAT1或与抗癫痫药物替加滨结合表现出内向开放的构象。在GABA或尼泊替酸存在的情况下，向内封闭的结构被捕获。

GABA结合结构揭示了一个由氢键和离子配位桥接的相互作用网络，用于GABA识别。无底物结构解开跨膜螺旋TM1a的最后一个螺旋转，释放钠离子和底物。辅以结构导向的生化分析，该研究揭示了GABA识别和转运的详细机制，并阐明了抑制剂尼泊替酸和替加滨的作用方式。

另外，2023年6月20日，清华大学刘翔宇、闫创业、Yosuke Toyoda及斯坦福大学Brian K. Kobilka共同通讯在Nature Communications 发表题为“Structural basis of α1A-adrenergic receptor activation and recognition by an extracellular nanobody”的研究论文，该研究介绍了人α1AAR与内源性激动剂去甲肾上腺素、其选择性激动剂羟间唑啉和拮抗剂坦索罗辛结合的三种冷冻电子显微镜结构，分辨率范围从2.9 Å到3.5 Å。与其他肾上腺素能受体亚型相比，活性和非活性α1AAR结构揭示了去甲肾上腺素的激活机制和不同的配体结合模式。此外，该研究发现了一种纳米抗体，当与选择性激动剂羟间唑啉结合时，该纳米抗体优先与α1AAR的细胞外前庭结合。这些结果将有助于设计更有选择性的治疗药物，同时靶向该受体家族的直立位和变构位（点击阅读）。

2023年6月15日，南开大学龚德顺、陈佺及清华大学闫创业共同通讯在Nature Communications 发表题为“Structural insight into the human SID1 transmembrane family member 2 reveals its lipid hydrolytic activity”的研究论文，该研究报告了人类SIDT2的冷冻电子显微镜（EM）结构，它形成一个紧密堆积的二聚体，由两个以前未表征的细胞外/管腔β链丰富的结构域和独特的跨膜结构域（TMD）介导的广泛相互作用。每个SIDT2原型的TMD包含11个跨膜螺旋（TMs），在TMD内没有发现可识别的核酸传导通路，提示它可能是一个转运体。有趣的是，TM3-6和TM9-11形成一个具有催化锌原子的大空腔，由三个保守的组氨酸残基和一个天冬氨酸残基协调，这些残基位于膜的胞外/腔表面约6 Å处。值得注意的是，SIDT2可以缓慢水解C18神经酰胺为鞘氨醇和脂肪酸。这些信息促进了对SID1家族蛋白结构-功能关系的理解（点击阅读）。

γ-氨基丁酸(GABA)是人类中枢神经系统中一种重要的抑制性神经递质。GABA释放到突触间隙是由突触前膜的去极化刺激的。GABA随后通过间隙扩散，激活突触后膜上的GABA靶受体，从而触发受体随后的打开，根据Na+-K+-Cl-共转运体(NKCC1)和K+-Cl -共转运体(KCC2)调节的细胞内Cl -浓度，分别导致成熟或未成熟神经元突触后膜的超极化或去极化。突触GABA的作用通过突触前神经末梢和周围胶质细胞的再摄取而终止。这种清除过程完全取决于特定的GABA转运蛋白(GATs)。

目前，在哺乳动物中已鉴定出四种不同的GAT亚型，均属于神经递质钠同向转运蛋白(NSS)家族，包括GAT1-3和甜菜碱/GABA转运蛋白BGT1。GAT1主要在脑神经元中表达，而GAT3仅在星形胶质细胞中表达。GAT2和BGT1主要表达于肝、肾、脑膜和血脑屏障。GAT1和GAT3主要将突触间隙中的GABA再循环到细胞中。具体来说，GABA可以通过GAT1进入突触前神经元，并通过囊泡性抑制性氨基酸转运蛋白(也称为囊泡性GAT)进入突触囊泡，等待神经冲动传递释放。

GAT1维持了抑制性神经元微回路的稳态，GAT1的功能或表达异常可能导致许多神经系统疾病，如自闭症、精神分裂症和癫痫。因此，由于GAT1在GABA转运中的重要作用，几十年来一直被认为是一个潜在的药物靶点。抑制GABA转运可以阻止GABA从突触间隙清除，从而减弱神经冲动，减少癫痫发作。这些靶向GAT1的化合物主要是尼皮酸、guvacine和homo-β-脯氨酸的衍生物，在这些先导化合物的氮基与各种亲脂性基团连接。替加滨是一种特异性抑制GAT1的尼泊替酸衍生物，于1997年被美国食品和药物管理局批准用于辅助治疗癫痫。

人类NSS成员，也被称为溶质载体6 (SLC6)家族，主要是钠和氯化物依赖的转运蛋白，包括GATs、去甲肾上腺素转运蛋白、多巴胺转运蛋白(DAT)、血清素转运蛋白(SERT)和两种甘氨酸转运蛋白(GlyT1和GlyT2)。在中枢神经系统中，这些转运蛋白是有效的神经元突触传递和维持神经递质稳态所必需的。它们利用细胞膜上的Na+梯度运输具有两个保守的钠结合位点的相应底物。运输过程对细胞外Na+离子有绝对的要求，对Cl-离子有额外的依赖性，并且在一个运输周期中特定的底物离子化学计量依赖于转运体。

原核生物NSS同源亮氨酸转运体LeuT的X射线晶体学解析结构为该家族的结构和功能提供了机制见解。随后，果蝇DAT、人类SERT、人类GlyT1等真核生物NSS成员的结构也相继被解析，加深了研究人员对高等生物NSS家族的认识。最近报道了一个分辨率为3.8 Å的GAT1的tiagabine结合结构，揭示了GAT1的抑制机制。到目前为止，还没有报道GATs与底物GABA结合的相关结构，要深入了解GABA的再摄取和抑制，还需要额外的高分辨率GATs结构。

人源GAT1的冷冻电镜结构（图源自Nature Structural & Molecular Biology ）

该研究报道了人类GAT1在不同构象状态下的四种高分辨率结构，分辨率为2.2-3.2 Å。无底物形式的GAT1或与抗癫痫药物替加滨配合物表现出内向开放的构象。该研究还解析了GAT1与GABA和nipecotic酸复合物的结构，它们都处于内向封闭状态。这些结构和广泛的生化表征为GATs的工作和抑制机制提供了详细的了解，这将有助于发现治疗相关神经元疾病的药物。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-023-00983-z

转自：“iNature”微信公众号

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