囊泡单胺转运蛋白2 的研究进展

丁施燕 ，顾晓松

（1 南京中医药大学医学院整合医学学院，江苏210023；2 南通大学江苏省神经再生重点实验室）

囊泡单胺转运蛋白 2 （vesicular monoamine transporter 2，VMAT2）作为囊泡单胺转运蛋白家族成员之一，参与单胺类神经递质转运，其功能丧失会引发神经、消化、内分泌等系统多种疾病。随着分子生物学、电生理学、影像学等多学科领域的发展，对VMAT2 分子结构、生物学特征、作用机制等研究不断深入，为VMAT2 相关疾病的生理病理学研究和治疗提供了更多的依据和思路。

1 囊泡单胺转运蛋白家族

囊泡单胺转运蛋白（VMATs）是神经元和内分泌细胞分泌囊泡脂质双层膜的重要蛋白。其功能是传递乙酰胆碱及生物胺到分泌囊泡中，再通过胞吐作用转移至细胞外。VMATs 家族分为VMAT1、VMAT2和囊泡乙酰胆碱转运体（vesicular acetylcholine transporter，VAChT）[1]，这三种蛋白具有相似的同源序列，但发挥不同的作用。VMAT1 主要存在于各种神经内分泌细胞，在肠嗜铬细胞的致密核心囊泡中也有表达[2]。VAChT 与产生乙酰胆碱的生物合成酶、胆碱乙酰转移酶（choline acetyltransferase，ChAT）在神经元中共同表达。VAChT 是一种独特的标记物，可以对胆碱能突触和神经效应器连接进行标记[3]。VMAT2 主要在含有多种单胺能细胞的脑、交感神经系统、肥大细胞中表达，也在含有组胺的肠中表达[4]。

2 VMAT2 的结构

VMAT2 是一种酸性蛋白，表观分子质量为70kDa[5]。VMAT2 晶体结构尚未明确，但蛋白质氨基酸疏水图显示VMAT2 由515 个氨基酸构成，具有12 个跨膜结构域的跨膜蛋白[6]。VMAT2 结构与功能关系主要通过诱变和光亲和标记确定。

3 VMAT2 的分布

3.1 VMAT2 在周围神经系统中的表达 VMAT2 在灵长类动物肾上腺髓质的嗜铬细胞中均有表达，然而在啮齿类动物中只在“神经旁节”型细胞中表达。在胰岛、小叶内和小叶间导管以及外分泌软细胞组织中的静脉曲张神经纤维中也可检测到WMAT2[7]。

兼有去甲肾上腺素能和胆碱能的神经元是否存在VMAT2，明显影响其传递神经递质的功能，这一影响具有物种特异性，且在发育过程中发挥至关重要的作用[8]。目前研究较多的是来源于牛肾上腺嗜铬颗粒的VMAT2[9-10]。科学家证实单胺类物质的转移受浓度梯度和电化学梯度的共同作用，胞浆胺向内转运伴随两个质子的流出耦合[11-12]。第一质子从颗粒基质流出，产生在胞质相中具有高亲和力胺结合位点的转运蛋白构象。第二质子的流出与第二大构象变化相结合，导致胺从胞质相向基质相的移动，同时伴随胺结合亲和力的降低[13]。

3.2 VMAT2 在啮齿动物和灵长类动物脑中的表达 VMAT2 在啮齿动物和人脑的单胺多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）、组胺（His）和 5-羟色胺（5-HT）神经元以及中枢神经系统肥大细胞中均有表达。依据现有实验研究，在绝大多数成年啮齿动物和灵长类动物中，VMAT2 阳性细胞分布无明显的物种差异，然而在发育不同阶段VMAT2 阳性细胞具有差异性[14]。研究发现，啮齿动物自胚胎形成后VMAT2会在丘脑皮质的神经纤维中瞬时表达，胚胎16 天至出生6 天VMAT2 可以从细胞外清除5-HT[15]，但未发现灵长类动物VMAT2 在丘脑皮质具有瞬时表达作用[16]。

进一步研究发现，VMAT2 在啮齿动物中脑黑质区和腹侧背盖区域表达，免疫金标记法显示与黑质致密部（substantianigrapars compacta，SNpc）相比，腹侧背盖区（ventral dorsal tegmental，VTA）树突中VMAT2 的表达量更高[17]。放射性研究发现，VMAT2在纹状体中的表达量最高。此外，免疫组织化学及蛋白质印记技术研究发现，VMAT2 在纹状体沿腹侧至背外侧表达量最高[18]。

3.3 VMAT2 在消化系统中的表达 消化系统中含单胺细胞主要包括肠神经系统神经元、肠的肠嗜铬细胞和胃的肠嗜铬细胞细胞。胃的肠嗜铬细胞表达VMAT2，并从食物中合成和储存组胺。胃的肠嗜铬细胞中His 和5-HT 高表达，从而使得肠的肠嗜铬细胞中出现单胺[19]。人类胰腺β 细胞也表达VMAT2，但胰岛素瘤或胰腺内分泌肿瘤通常使VMAT2 无法表达[20]。VMAT2 在肥大细胞和肠道中的肥大细胞瘤中也具有较高的表达量[21-22]。在整个肠神经系统中均存在VMAT2 神经元，研究者认为VMAT2 神经元可代表经典的“5-羟色胺能肠神经系统”假说[23]。然而事实上，VMAT2 与TH 和色氨酸羟化酶的协同作用揭示除了5-羟色胺能神经元亚群外，人类肠道还有大量的多巴胺能神经元。

4 VMAT2 的作用机制

4.1 翻译后修饰 VMAT2 翻译后修饰主要包括磷酸化和糖基化。VMAT2 的N 端和C 端胞质区均被磷酸化，虽然磷酸化的作用尚不清楚，但是初步研究发现VMAT2 的N 端磷酸化对维持VMAT2 单胺类摄取是必要的，可能对于刺激性诱导的突触小泡单胺类流出也至关重要[24]。对VMAT2 的N 端结构研究初步确定N 端磷酸化的蛋白激酶为PKA 和PKC，而C 端磷酸化激酶主要为磷酸化激酶Ⅰ和Ⅱ，这两种激酶有助于VMAT2 留在致密核囊泡中[25-26]，可见C末端磷酸化在VMAT2 定位到单胺能突触小泡中起重要作用。进一步研究发现，除了N 端和C 端存在磷酸化外，第六和第七个跨膜结构域之间的胞质连接区域也存在一些具有激酶结合基序的氨基酸，但目前无证据表明这些氨基酸也参与VMAT2 的调控。

VMAT2 囊泡靶向主要由于第一、第二跨膜结构域之间连接区和C 末端的N-连接糖基化。VMAT2在内质网中合成，在高尔基体中糖基化。如果只有两个跨膜区域糖基化是不能将VMAT2 转运到致密核心的囊泡中的，若没有C 端和连接域糖基化，VMAT2 只能被转运至小囊泡中。多巴胺终端的VMAT2 主要储存在小的突触小泡中，意味着只有一小部分VMAT2 在高尔基体中糖基化，从而在多巴胺能细胞中会被分选成大而致密的核心小泡，另外一部分非糖基化VMAT2 会被分选成组成性分泌囊泡。这些分泌囊泡随后被运输到轴突并整合到质膜上，进一步形成VMAT2 突触小泡。

4.2 VMAT2 与蛋白质的相互作用 关于VMAT2与蛋白质相互作用机制的研究较少。依据现有的研究，VMAT2 与 TH、芳香氨基酸脱羧酶（aromatic amino acid decarboxylase，AADC）形成复合物，其中TH 和AADC 分别是多巴胺合成的限速酶和终止酶，可以直接和多巴胺脑区分离的突触小泡上的VMAT2 相互作用[27]。VMAT2-TH-AADC 复合物表明多巴胺在突触前终端内受到空间限制，如果该复合物丢失，则会导致突触前终端功能障碍。

此外，VMAT2 也可与热激伴侣蛋白 70（heat shock chaperone70，Hsc70）相互作用。Hsc70 是一种热休克蛋白，它主要的作用是去除囊泡中的网格蛋白层，进而进入内吞途径[28]。研究发现，Hsc70 与VMAT2 在突触小泡中结合会降低单胺摄取量，这意味在内化和突触小泡重组的特定阶段，VMAT2 的功能可能受到抑制。因此，如果VMAT2 所在的突触小泡在不恰当的时机释放，会损害转运体的功能。

4.3 突触前定位 VMAT2 转运功能与其在突触小泡中的位置有关。例如，精神刺激剂在膜结合和细胞质粗大的突触囊泡组分之间差异性地重新分配VMAT2，会改变VMAT2 的摄取和囊泡多巴胺的含量。虽然还不清楚VMAT2 重新分布是引起VMAT2减少的原因还是结果，但是突触前的定位在调节VMAT2 螯合单胺的能力中起着关键作用。

5 VMAT2 的功能

在中枢神经系统中VMAT2 可以将神经元的神经递质转移至突触前末端的囊泡中。VMAT2 充当信使，将某些神经递质、激素、旁分泌或自分泌因子从细胞质转运至突触小泡中，最终释放至胞外。VMAT2不仅参与递质的传递、释放等，还负责多巴胺储存。多巴胺在神经元中合成后，被VMAT2 隔离至囊泡[29]。未被包装的多巴胺被单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）降解为 3，4-二羟基苯乙醛（3，4-dihydroxyphenylacetaldehyde，DOPAL），并被醛脱氢酶进一步氧化为3，4-二羟基苯乙酸（3，4-dihydroxyphenylacetic acid，DOPAC）[30-31]。负责运输多巴胺的囊泡通过运动蛋白转移到质膜，并与一系列蛋白质复合物相互作用，进一步引发囊泡膜融合[32]。

6 VMAT2 与中枢神经系统疾病

6.1 迟发型运动障碍 迟发型运动障碍（tardive dyskinesia，TD）是一种由于多巴胺受体阻滞而引起的运动障碍性疾病[33]，症状表现为面部和舌头的不自主运动，如咀嚼、舔唇以及四肢的舞蹈状运动等。TD 病理生理机制尚未清楚，但大多数研究表明是由于多巴胺受体长时间受阻造成。对遗传标记进行检测后发现，VMAT2 抑制剂可以缓解TD。由于管腔囊泡的 pH 较低，VMAT2 可以将 DA、NE 以及 5-HT 转运至突触小泡中，VMAT2 抑制剂参与单胺氧化酶中断单胺的运输和降解，从而降低单胺含量。突触后多巴胺受体的超敏性会引起TD，因此VMAT2 对研究TD 病理生理具有重要意义[34]。临床上可使用VMAT2抑制剂缬苯那嗪和二苯嗪靶向治疗TD 患者。

6.2 亨廷顿病 亨廷顿病（Huntington disease，HD）是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，影响运动及精神功能，严重者最终会死亡，目前尚无有效方法治疗HD。研究发现采用VMAT2 抑制剂可以减少多巴胺释放，从而缓解HD。2008 年美国FDA 批准四苯那嗪用于治疗HD。此外，氘化四苯那嗪、氘苯丁嗪也可以改善TD。

6.3 帕金森病 帕金森病（Parkinsondisease，PD）是一种常见的神经退行性疾病，主要集中在老年人。随着多巴胺能神经元显著缺失和路易小体形成，患者表现为静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势步态异常等经典运动症状，也会出现非运动症状，如睡眠障碍、焦虑、抑郁和便秘等，患者生活质量严重下降[35]。PD 病理特征是黑质区域多巴胺损害以及纹状体区域多巴胺的耗竭[36]。研究发现，VMAT2 是神经末端多巴胺的重要调节因子，它可以利用电化学梯度将多巴胺包装成突触核泡，从而提高多巴胺的含量[37]。

7 VMAT2 与糖尿病

糖尿病（diabetes mellitus，DM）患者主要临床表现为高血糖，分为1 型糖尿病（T1DM）和2 型糖尿病（T2DM），两者共同点是β 细胞的质量下降，对β 细胞质量检测成为监测糖尿病的一个重要方面，通过正电子发射断层扫描可以测量β 细胞的质量。在糖尿病动物模型中，研究者发现可以使用VMAT2 作为胰岛素的组织特异性替代标志物，还可利用11C二氢丁苯那嗪作为特异性放射配体。VMAT2 作为标记物既可以对β 细胞进行无创成像，又可以直接将β 细胞可视化。此外，体外研究也表明VMAT2 也可以进行胰腺成像。原位杂交、免疫组织化学和共聚焦显微镜等技术显示，VMAT2 和胰岛素共定位在人胰岛β 细胞中。

8 展 望

既往关于VMAT2 的研究多局限于微观，大多集中于细胞之间或单系统，如VMAT2 在脑、消化系统特定细胞中作用机制的探讨。如今关于脑-肠轴理论，代谢组学、转录组测序技术、生物信息学技术的发展为更广泛深入研究VMAT2 提供了新的工具和方法。随着对VMAT2 进一步研究，将为解答诸多生物学问题，开发新的治疗神经系统、消化系统、内分泌系统疾病的药物带来曙光。