甘氨酸是一种重要的抑制性神经递质，其在中枢神经系统中的浓度调控对于维持神经功能至关重要。人源甘氨酸转运蛋白2（GlyT2）是负责将突触间隙中的甘氨酸重摄取回神经元的主要转运体，从而终止甘氨酸的信号作用。GlyT2的功能异常与遗传性惊跳症（hyperekplexia）和慢性疼痛等多种神经系统疾病密切相关，使其成为潜在的药物靶点。然而，由于缺乏高分辨率的结构信息，GlyT2的精确转运机制及其与抑制剂的相互作用方式长期未能完全阐明。
近日，一项发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的研究利用冷冻电子显微镜（Cryo-EM）技术，首次成功解析了人源GlyT2的高分辨率三维结构。这项研究揭示了GlyT2在不同构象状态下的精细结构，详细阐明了其协同转运甘氨酸、钠离子和氯离子的分子机制，并揭示了抑制剂如何精确结合并阻断其功能。
研究团队首先获得了GlyT2在结合甘氨酸和离子（两个钠离子和一个氯离子）时的外向开放构象结构，分辨率达到原子级别。该结构展示了甘氨酸和离子在转运体内部的结合位点，甘氨酸被锚定在一个由多个跨膜螺旋残基组成的口袋中，而钠离子和氯离子则分别占据特定结合位点，并通过静电相互作用和氢键网络与转运体蛋白紧密结合。这些发现证实了GlyT2作为神经递质钠/氯离子协同转运体（NCS）家族成员的特性。
进一步的结构分析表明，GlyT2通过“交替通路”（alternating access）机制完成甘氨酸的跨膜转运。在这一机制中，转运体蛋白在不同构象状态之间转换，依次向细胞外和细胞内开放其结合位点。研究人员捕获了不同构象状态的结构，推断出GlyT2在外向开放状态下结合甘氨酸和离子，随后进入“封闭”状态，最终转变为内向开放状态，将甘氨酸和离子释放到细胞质中。这一过程的驱动力主要来自于钠离子的跨膜电化学梯度。
此外，该研究还深入探索了GlyT2的抑制机制。研究团队解析了GlyT2与一种选择性抑制剂结合时的结构，发现抑制剂结合在一个独特的位点，与甘氨酸的结合位点部分重叠但有所不同。抑制剂的结合使GlyT2被锁定在非转运构象，有效阻止了其构象转换，从而阻断了甘氨酸和离子的结合或释放。这一发现为开发针对GlyT2的特异性、高效抑制剂提供了精确的分子蓝图。
这项研究意义重大。它首次提供了人源GlyT2的原子分辨率结构，填补了该领域的结构空白；详细揭示了GlyT2协同转运甘氨酸和离子的分子机制，加深了对神经递质转运体家族功能的理解；并通过阐明抑制剂的结合模式，为基于结构的药物设计提供了坚实的基础。未来，科学家可以利用这些结构信息，设计出更具选择性和效力的GlyT2抑制剂，以开发治疗慢性疼痛、惊跳症等与甘氨酸信号失调相关的神经系统疾病的新型药物。
参考文献：Transport and inhibition mechanisms of human glycine transporter 2. Nature Communications.