可結合血紅素發現豆科植物調控固氮菌多肽

麻省理工學院的一項新研究表明，一些豆科植物為了建立與根瘤菌的共生關系，會產生數百種肽，以幫助細菌生活在植物根部。其中有一種肽具有令人意想不到的功能：它能夠吸收所有可用的血紅素。而這項功能與鐮狀細胞性貧血、敗血癥和瘧疾的治療密切相關。

那么植物、根瘤菌與疾病之間到底有什么關系呢？

豆科植物與根瘤菌之間的共生關系對植物生存至關重要。氮是構建蛋白質和其他生物分子所必需的元素，沒有這些細菌的固氮作用，空氣中的氮就不能為植物所用，植物便需依賴氮肥。

固氮作用，指將空氣中游離態的氮（氮氣）轉化為含氮化合物（如硝酸鹽、氨、二氧化氮）的過程。可分為自然固氮以及人工固氮兩種。

自然固氮主要有兩種途徑，分別是氣電固氮和生物固氮。后者為自然界中自生或與植物共生的微生物，通過體內固氮酶的作用，將大氣中的氮還原成氨的過程。該途徑約占自然固氮的90%。

在豆科植物中，與之共生的根瘤菌侵入寄主根內，刺激根部皮層和中柱鞘的某些細胞，引起這些細胞的強烈生長，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在其中定居，植物供給根瘤菌以礦物養料和能源，根瘤菌固定大氣中游離氮氣，為植物提供氮素養料，兩者在拮抗寄生關系中處于均衡的狀態，表現共生的現象。

近40年來，本文通訊作者、麻省理工學院美國癌癥協會和霍華德休斯醫學研究所教授沃克實驗室一直在研究豆類和根瘤菌之間的共生關系：固氮根瘤如何在豆類上發育，以及侵襲和感染所需的根瘤菌功能與哺乳動物發病機制之間的關系。

沃克的大部分工作都集中在蒺藜狀苜蓿上。這是一種一年生豆科植物，三葉草狀。該物種是研究豆科植物的模式生物，因其具有較小的二倍體基因組，自花授粉，生長時間短，多產，適應遺傳轉化，基因組已被測序。

蒺藜狀苜蓿

蒺藜狀苜蓿與固氮根瘤菌和叢枝菌根真菌（包括不規則根瘤菌）形成共生。幾年前，植物生物學家發現蒺藜狀苜蓿產生約700個富含半胱氨酸的根瘤肽（NCR），能夠幫助細菌從游離狀態嵌入到植物細胞之中。

Walker研究組選擇了其中最廣泛存在的一種肽，由24個氨基酸組成，稱為NCR247，以深入研究其作用機制。初步研究表明，當固氮細菌暴露于這種肽時，15%的基因受到影響，其中許多變得更活躍的基因都參與鐵的運輸。

研究人員隨后發現，當他們將NCR247融合到更大的蛋白質時，雜交蛋白質出乎意料地呈紅色。這種偶然的觀察結果導致了NCR247可以結合血紅素的發現。

進一步的研究表明，當NCR247被釋放到細菌細胞中時，它會隔離細胞中的大部分血紅素，使細胞進入“缺鐵模式”，觸發它們開始從外部環境中導入更多的鐵。

血紅素是一種有機環狀的含鐵分子，是血紅蛋白的重要組成部分，血紅蛋白是紅細胞用來攜帶氧氣的蛋白質。通過隔離血紅素及其結合的鐵，NCR247導致了“血紅素剝奪”的生理狀態。這反過來又在根瘤菌中誘導缺鐵反應，導致鐵的導入，而鐵的導入是固氮酶活性所必需的。

固氮酶是固氮作用的主要酶，每個酶分子需要24個～32個鐵原子，因此鐵的“涌入”可能有助于這些酶變得更加活躍。而鐵涌入的時間也說明了這一點。

“這些肽在根瘤中以‘波浪’形式產生。當細菌準備固定氮時，這種特定肽的含量更高。如果整個過程一直分泌這種肽，細胞就會一直含有太多的鐵，這反而對細胞有害。”文中另一作者、麻省理工學院研究科學家席瓦說。

研究顯示，如果沒有NCR247，蒺藜狀苜蓿和根瘤就不能形成有效的固氮共生關系。另外，NCR247的D-對映異構體能夠以等效的方式結合和封存血紅素。

研究人員表示，NCR247及其D-對映異構體螯合血紅素的特殊能力表明了與人類健康相關的廣泛潛在應用。

這是因為，從血液中去除游離血紅素，可以幫助治療某些疾病，例如牙齦假單胞菌（牙周病）、弓形蟲病、鐮狀細胞病、敗血癥等，這些疾病會導致過多的血紅素釋放到血液中，血紅素在血紅蛋白中時，可以發揮正常生理功能，但是當其游離在血液中時，卻可以殺死細胞并促進炎癥；此外，還可以治療由一些依賴血紅素才能生存的傳染性寄生蟲和細菌引起的疾病。

這項研究表明，用NCR427治療寄生蟲弓形蟲可以防止寄生蟲在人類細胞上形成斑塊。

目前，同樣可以與血紅素結合的人類蛋白質β-1B-糖蛋白（屬于血紅素蛋白家族，是血紅素結合親和力最高的血漿蛋白）正在被研究作為鐮狀細胞性貧血的可能治療方法。不過，NCR247肽是一種更容易被應用的替代品，因其分子小得多，更容易制造和輸送到體內。

研究人員正在與麻省理工學院的其他實驗室合作，以探索其中一些潛在的應用。“有很多可能的方向，但它們都處于非常早期的階段。”沃克說。