可结合血红素，MIT团队发现豆科植物调控固氮菌多肽

麻省理工学院的一项新研究表明，一些豆科植物为了建立与根瘤菌的共生关系，会产生数百种肽，以帮助细菌生活在植物根部。其中有一种肽具有令人意想不到的功能：它能够吸收所有可用的血红素。而这项功能与镰状细胞性贫血、败血症和疟疾的治疗密切相关。

近日，该研究成果发表于 Nautre Microbiology，题为“A haem-sequestering plant peptide promotes iron uptake in symbiotic bacteria”。

那么植物、根瘤菌与疾病之间到底有什么关系呢？

豆科植物与根瘤菌之间的共生关系对植物生存至关重要。氮是构建蛋白质和其他生物分子所必需的元素，没有这些细菌的固氮作用，空气中的氮就不能为植物所用，植物便需依赖氮肥。

固氮作用，指将空气中游离态的氮（氮气）转化为含氮化合物（如硝酸盐、氨、二氧化氮）的过程。可分为自然固氮以及人工固氮两种。

自然固氮主要有两种途径，分别是气电固氮和生物固氮。后者为自然界中自生或与植物共生的微生物，通过体内固氮酶的作用，将大气中的氮还原成氨的过程。该途径约占自然固氮的 90%。

在豆科植物中，与之共生的根瘤菌侵入寄主根内，刺激根部皮层和中柱鞘的某些细胞，引起这些细胞的强烈生长，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在其中定居，植物供给根瘤菌以矿物养料和能源，根瘤菌固定大气中游离氮气，为植物提供氮素养料，两者在拮抗寄生关系中处于均衡的状态，表现共生的现象。

近 40 年来，本文通讯作者、麻省理工学院美国癌症协会和霍华德休斯医学研究所教授 Graham Walker 实验室一直在研究豆类和根瘤菌之间的共生关系：固氮根瘤如何在豆类上发育，以及侵袭/感染所需的根瘤菌功能与哺乳动物发病机制之间的关系。

▲图 | Graham Walker（来源：[3]）

Walker 的大部分工作都集中在蒺藜状苜蓿（Medicago truncatula）上。这是一种一年生豆科植物，三叶草状。该物种是研究豆科植物的模式生物，因其具有较小的二倍体基因组，自花授粉，生长时间短，多产，适应遗传转化，基因组已被测序。

蒺藜状苜蓿与固氮根瘤菌（Sinorhizobium meliloti、Sinorhizobium medicae）和丛枝菌根真菌（包括不规则根瘤菌）形成共生。几年前，植物生物学家发现蒺藜状苜蓿产生约 700 个富含半胱氨酸的根瘤肽（NCR），能够帮助细菌从游离状态嵌入到植物细胞之中。

▲图 | 蒺藜状苜蓿（来源：维基百科）

Walker 研究组选择了其中最广泛存在的一种肽，由 24 个氨基酸组成，称为 NCR247，以深入研究其作用机制。初步研究表明，当固氮细菌暴露于这种肽时，15% 的基因受到影响，其中许多变得更活跃的基因都参与铁的运输。

研究人员随后发现，当他们将 NCR247 融合到更大的蛋白质时，杂交蛋白质出乎意料地呈红色。这种偶然的观察结果导致了 NCR247 可以结合血红素的发现。

进一步的研究表明，当 NCR247 被释放到细菌细胞中时，它会隔离细胞中的大部分血红素，使细胞进入“缺铁模式”，触发它们开始从外部环境中导入更多的铁。

血红素是一种有机环状的含铁分子，是血红蛋白的重要组成部分，血红蛋白是红细胞用来携带氧气的蛋白质。通过隔离血红素及其结合的铁，NCR247 导致了“血红素剥夺”的生理状态。这反过来又在根瘤菌中诱导缺铁反应，导致铁的导入，而铁的导入是固氮酶活性所必需的。

固氮酶是固氮作用的主要酶，每个酶分子需要 24 到 32 个铁原子，因此铁的“涌入”可能有助于这些酶变得更加活跃。而铁涌入的时间也说明了这一点。

“这些肽在根瘤中以‘波浪’形式产生。当细菌准备固定氮时，这种特定肽的含量更高。如果整个过程一直分泌这种肽，细胞就会一直含有太多的铁，这反而对细胞有害。” 文中另一作者、麻省理工学院研究科学家 Siva Sankari 说。

研究显示，如果没有 NCR247，蒺藜状苜蓿和根瘤就不能形成有效的固氮共生关系。另外，NCR247 的 D-对映异构体能够以等效的方式结合和封存血红素。

（来源：pixabay）

研究人员表示，NCR247 及其 D-对映异构体螯合血红素的特殊能力表明了与人类健康相关的广泛潜在应用。

这是因为，从血液中去除游离血红素，可以帮助治疗某些疾病，例如牙龈假单胞菌（牙周病）、弓形虫病、镰状细胞病、败血症等，这些疾病会导致过多的血红素释放到血液中，血红素在血红蛋白中时，可以发挥正常生理功能，但是当其游离在血液中时，却可以杀死细胞并促进炎症；此外，还可以治疗由一些依赖血红素才能生存的传染性寄生虫和细菌引起的疾病。

这项研究表明，用 NCR427 治疗寄生虫弓形虫可以防止寄生虫在人类细胞上形成斑块。

目前，同样可以与血红素结合的人类蛋白质 β-1B-糖蛋白（属于血红素蛋白家族，是血红素结合亲和力最高的血浆蛋白）正在被研究作为镰状细胞性贫血的可能治疗方法。不过，NCR247 肽是一种更容易被应用的替代品，因其分子小得多，更容易制造和输送到体内。

研究人员正在与麻省理工学院的其他实验室合作，以探索其中一些潜在的应用。“有很多可能的方向，但它们都处于非常早期的阶段。” Walker 说。