乙酰胆碱（acetylcholine）是人类发现的第一种神经递质。因其在"神经冲动的化学传递"中里程碑式的重要意义，该发现于1936年获得诺贝尔生理学或医学奖。乙酰胆碱是胆碱能神经元合成并利用的主要神经递质。当乙酰胆碱从神经末梢释放时，它能够结合并激活定位在突触前/后膜上的乙酰胆碱受体，诱导神经元的兴奋，介导并调控大脑中认知以及运动相关过程的信息传递。当乙酰胆碱在突触间隙完成信号传递后，乙酰胆碱酯酶会将其分解为醋酸盐和胆碱。游离的胆碱会进一步被定位在突触前膜上的高亲和力胆碱转运蛋白CHT1（high-affinity choline transporter 1）摄取，回收到突触前末梢中，再次参与乙酰胆碱的合成代谢循环。先前研究表明，CHT1介导的胆碱回收是乙酰胆碱合成的限速步骤。因此，CHT1的表达异常和功能障碍会诱发多种疾病，例如遗传性运动神经元病、肌无力综合征、动脉粥样硬化、抑郁症和阿尔兹海默病等。

　　CHT1（SLC5A7）是钠离子/溶质同向转运家族成员，借助细胞内外钠离子的电化学势，驱动胆碱的高亲和力跨膜转运。HC-3（hemicholinium-3）是选择性靶向CHT1的小分子药物，竞争性地抑制了CHT1介导的胆碱转运，被用作神经肌肉阻滞剂。然而，人们对CHT1识别胆碱的关键位点尚不明确，其构象变化的结构基础以及小分子HC-3对转运活性的抑制机制也有待阐明。

　　2024年4月8日，金沙集团1862cc赵岩研究组在国际学术期刊《Nature Structural & Molecular Biology》上发表题为"Transport mechanism of presynaptic high-affinity choline uptake by CHT1"的研究论文。该研究利用单颗粒冷冻电镜技术，首次解析了CHT1在外向HC-3结合状态、内向无底物结合状态和内向胆碱结合状态的高分辨率结构；并借助放射性同位素示踪、底物摄取实验和分子动力学模拟等一系列实验方法，阐释了CHT1识别和转运胆碱的分子模型以及HC-3抑制转运活性的机制，并为新型CHT1靶向药物的开发提供了结构基础。

图：CHT1结合不同配体后处于不同的构象状态以及假定的底物转运机制图

　　在结合了HC-3的CHT1外向结构中（图A-B），HC-3呈现出棒状形态，并从外侧插入底物结合口袋，将蛋白锁定在外向开口状态。在内向胆碱结合状态下，CHT1的胞内口袋向内开放，胆碱仍然被色氨酸三联体稳定（图C）。在内向无底物结合状态下，色氨酸三联体口袋发生构象变化，胆碱向胞内溶剂侧暴露，进而导致胆碱从底物结合口袋中释放。

　　此外，胞内短螺旋IH1也是CHT1转运过程中发挥作用的重要元件（图D）。在外向的CHT1结构中，IH1螺旋参与维持了构象的稳定。当底物与CHT1结合，CHT1从外向转变到内向状态。此时，IH1螺旋被释放，暴露了CHT1的胞内口袋，促进了转运的发生。进一步实验表明，IH1螺旋缺失突变体完全丧失了底物转运活性，且无法从内向转变到外向状态。

　　金沙集团1862cc赵岩研究员是该论文的通讯作者，生物物理所博士研究生邱云龙、高逸伟为共同第一作者。此外，北京望石智慧黄博和赵岩组白秦儒也为该研究提供了帮助。金沙集团1862cc生物成像中心为该研究提供了设备和技术支持。研究工作得到科技创新2030-"脑科学与类脑研究"重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金和金沙集团1862cc战略性先导科技专项的支持。

　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41594-024-01259-w

（供稿：赵岩研究组）