《Nature Communications》：Structural basis for selective inhibition of human GABA transporter GAT3
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本研究针对GAT3选择性抑制剂缺乏及作用机制不明的难题，通过冷冻电镜解析了人源GAT3结合选择性抑制剂、GABA及空载状态的高分辨率结构。研究发现抑制剂结合于胞内渗透通道，GABA结合状态首次揭示离子配位网络及阳离子-π相互作用机制，为癫痫等神经系统疾病的新型药物设计提供了结构蓝图。
在大脑复杂的神经信号传导网络中，γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）作为最重要的抑制性神经递质，通过激活GABA受体来维持神经系统的平衡。当GABA能信号传递完成后，位于星形胶质细胞表面的GABA转运体GAT3负责迅速清除突触间隙的GABA，这一过程对终止神经信号至关重要。然而，在癫痫等神经系统疾病中，GABA能信号传导异常导致神经兴奋性失衡。提高细胞外GABA水平已成为治疗此类疾病的重要策略，其中选择性抑制GAT3功能被认为是极具潜力的治疗方向。尽管这一思路提出多年，但高选择性GAT3抑制剂的研发进展缓慢，其分子水平的抑制机制更是如同黑箱般难以窥见。由于缺乏精确的结构信息，药物设计往往依赖于试错模式，严重制约了靶向GAT3的疗法开发。
为破解这一难题，研究团队在《Nature Communications》上发表了关于人源GAT3（human GAT3, hGAT3）的最新研究成果。他们采用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）技术，成功解析了全长野生型hGAT3的三种关键状态的高分辨率结构：与选择性抑制剂复合物、与天然底物GABA复合物以及底物游离状态。这些结构如同分子水平的“高清照片”，首次在原子层面揭示了GAT3的工作机制和抑制剂的作用原理。
研究团队主要依靠冷冻电镜技术解析蛋白质结构，通过表达纯化全长野生型人源GAT3蛋白，分别制备与抑制剂、GABA结合及空载的样品，利用单粒子分析获得高分辨率三维结构。
结构分析显示，hGAT3与抑制剂结合或处于底物游离状态时均呈现向内开放（inward-open）构象。抑制剂分子精确嵌入由跨膜螺旋（transmembrane helices）1、2、3、6、7和8围成的胞内渗透通道中，如同特制的钥匙插入锁芯，通过空间位阻效应阻断GABA的转运路径。尤为重要的是，研究首次捕获到hGAT3与GABA结合的向内闭合（inward-occluded）状态结构，清晰展现了GABA分子在结合口袋中的精确定位。
在底物识别机制方面，研究发现GABA的γ-氨基团与跨膜螺旋6上的苯丙氨酸残基（phenylalanine residue）形成阳离子-π相互作用（cation-π interaction），这一发现解释了GAT3对底物识别的特异性。同时，结构揭示了钠离子和氯离子的精确配位网络，阐明了GAT3依赖离子梯度进行底物转运的分子基础。
研究结论表明，该工作不仅揭示了GAT3选择性抑制的结构基础，更阐明了底物识别与转运的完整机制。这些发现为针对GAT3的理性药物设计提供了精确模板，有望推动新一代神经系统疾病治疗药物的开发。通过结构指导的抑制剂优化，未来可能实现更高效、更低毒性的癫痫治疗策略，为数百万相关患者带来新的希望。
