Nature | 小身材大能量：Shethna蛋白II保护固氮酶免受氧化破坏的机制

氮是生命体不可或缺的元素，然而大气中的氮气 （N₂） 由于其稳定的三键结构而难以被生物利用。固氮酶能够将氮气还原为生物可利用的氨 （NH₃） ，然而固氮酶对氧气极为敏感，容易氧化失活。为了应对这一挑战，固氮微生物进化出了多种保护机制，其中最有意思的是利用含铁硫簇的小蛋白Shethna蛋白II （FeSII） 。

FeSII于1968年由Shethna等人首次报到，随后发现了它在固氮菌应对氧气胁迫中的关键作用。当氧气浓度升高时，FeSII能够与固氮酶结合，形成一种保护性复合物。这种结合虽暂时抑制了固氮酶的活性，但同时也保护了其金属簇免受氧气的破坏。当氧气浓度降低时，复合物迅速解离，固氮酶重新恢复活性。这一机制使得固氮菌能够在氧气浓度波动的环境中维持生存并持续固氮。然而，FeSII在分子层面的作用机制尚未清晰。

2025年1月8日，德国弗莱堡大学生物化学研究所Oliver Einsle团队在Nature杂志上发表了题为Conformational protection of molybdenum nitrogenase by Shethna protein II的研究论文，揭示了FeSII通过构象变化保护固氮酶的分子机制。

同时，Nature背靠背发表了美国加州大学圣地亚哥分校F. Akif Tezcan团队的题为Structural basis for the conformational protection of nitrogenase from O2的论文。

Nature编委会邀请了美国西北大学金属酶领域权威Amy Rosenzweig撰写了题为How a small but mighty protein protects a life-sustaining enzyme专门评述。

下面主要对Einsle团队的工作做简要介绍。

团队首先摸索出复合物形成的条件，并通过单颗粒冷冻电镜分析揭示了FeSII与固氮酶复合物的三维结构。FeSII为二聚体，能够与两个铁蛋白NifH和两个钼铁蛋白NifDK结合，形成一个620 kDa的核心复合物。该复合物进一步聚合成纤维状结构，使固氮酶的金属簇处于一种催化失活但免受氧化的保护状态（图1）。

图1. 固氮酶NifDK-NifH和FeSII的复合物结构

FeSII的构象变化是其发挥功能的关键。团队比较了还原和氧化状态下FeSII的晶体结构，以及在复合体内的构象。在还原状态下，FeSII的N-loop （一个柔性区域） 折叠回蛋白质核心；而在氧化状态下，N-loop展开并与固氮酶组分相互作用，触发复合物的形成。这种构象变化依赖于FeSII的[2Fe:2S]簇的氧化还原状态（图2）。

图2. FeSII多重构象变化

最后，团队提出了FeSII氧化还原状态驱动的高氧胁迫保护复合体FeSII:NifH:NifDK形成的机制（图3）。

图3. FeSII:NifH:NifDK复合体的顺序组装

Shethna蛋白II的构象保护机制是一种精巧的分子策略，它不仅解决了固氮酶对氧气敏感的问题，也为人工固氮系统构建和蛋白质工程提供了重要的理论支持。例如，可通过改造FeSII的氧化还原敏感性，开发在不同生境条件下仍能高效固氮的工程菌株，以及解决植物自主固氮系统构建中的高氧微环境问题，从而减少农业生产中对化学氮肥的依赖。

德国弗莱堡大学Philipp Franke博士为该论文的第一作者，Simon Freiberger和张霖（Lin Zhang） 博士为参与作者，Oliver Einsle教授为通讯作者。

Oliver Einsle教授是德国弗莱堡大学化学和药学学院生物化学研究所所长，2020被选为德国科学院院士。他和他的团队长期研究复杂酶系统的结构功能及生物合成。他们的工作重点是氮气、氧化亚氮和一氧化碳等小分子的酶促活化，这些小分子由于其化学稳定性而难以转化，但同时又具有重要的生态和经济意义。

值得一提的是，Einsle团队在半年前揭示了固氮酶电子供体RNF1复合物利用质子动势实现跨膜逆向电子传递的机制。相关工作发表于Nature Chemical Biology，第一作者为张霖博士。张博士已入职深圳理工大学合成生物学院，开展微生物来源金属酶和膜蛋白的生物化学与结构生物学，以及在合成生物学领域的应用研究。目前正在组建研究团队，欢迎同行交流合作。E-mail: zhanglin@suat-sz.edu.cn

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08355-3

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08311-1

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01641-1

制版人：十一

参考文献

1. Franke, P.; Freiberger, S.; Zhang, L.; Einsle, O., Conformational protection of molybdenum nitrogenase by Shethna protein II.Nature(2025).

2. Narehood, S. M.; Cook, B. D.; Srisantitham, S.; Eng, V. H.; Shiau, A. A.; McGuire, K. L.; Britt, R. D.; Herzik, M. A., Jr.; Tezcan, F. A., Structural basis for the conformational protection of nitrogenase from O2.Nature(2025)

3. Rosenzweig, A. C., How a small but mighty protein protects a life-sustaining enzyme.Nature(2025)

4. Zhang, L.; Einsle, O., Architecture of the RNF1 complex that drives biological nitrogen fixation.Nat. Chem. Biol.20, 1078-1085 (2024)

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