植物

来源：中国生物技术网2022-08-17 10:23

麻省理工学院(MIT)生物学教授格雷厄姆沃克(Graham Walker)实验室的研究发现，豆科植物用来控制固氮菌的肽可以为血液中游离血红素过量的患者带来潜在的治疗方法。

使血液呈现红色的血红蛋白是红细胞中运输氧气的特殊蛋白质。由血红素和珠蛋白结合而成。在人体中，每个血红蛋白由四个血红素和一个珠蛋白组成，每个血红素由四个吡咯亚基组成一个环，中心有一个亚铁离子。

数十亿年来，血红素一直是自然界中最常见和最重要的分子之一。它在细胞燃烧热量产生生存所需能量的过程中起着关键作用。氰化物和一氧化碳等有毒物质是致命的，因为它们结合后会使血红素失活。另一方面，红细胞破裂后释放的游离血红素也会杀死细胞，促进炎症，导致牙周病、弓形体病、镰状细胞病、败血症等疾病。

因此，从血液中去除游离血红素有助于治疗由依赖血红素的细菌或寄生虫引起的疾病，

2022年8月11日，在《Nature Microbiology》发表的一项新研究中，麻省理工学院(MIT)生物学教授格雷厄姆沃克(Graham Walker)实验室的一项研究发现，豆科植物用来控制固氮细菌的肽可以为血液中游离血红素过量的患者带来潜在的治疗方法。这项研究强调，关于植物-微生物相互作用的基础研究也可以转化为治疗应用。

豆科植物与生长在其根部的细菌之间的共生关系对植物的生存非常重要。没有这些细菌，植物将失去氮源，而氮源是构建蛋白质和其他生物分子的必要元素，它们依赖土壤中的氮肥。

为了建立共生关系，一些豆科植物产生数百种肽，帮助细菌在其根瘤结构中生存。其中一种肽具有意想不到的功能：它吸收所有可利用的血红素，使细菌进入缺铁状态，从而增加氨的产生。

近40年来，沃克实验室一直在研究豆科植物与根瘤菌(一种固氮细菌)的共生关系。这些细菌将氮转化为氨，这是地球氮循环的关键步骤，使以植物为食的植物和动物能够获得氮。

目前，他们的大部分工作集中在一种叫做截形苜蓿的类似三叶草的植物上。固氮菌会在这些植物的根部形成根瘤，并进入植物细胞，最终形成一种叫做类杆菌的共生形式。

几年前，植物生物学家发现截形分枝杆菌可以产生大约700个富含半胱氨酸的根瘤多肽家族(NCR)，这些多肽家族可以引导内吞细菌分化为固氮细菌。然而，这700个肽的分子机制尚未被探索。

在这项新研究中，沃克实验室选择了一种名为NCR247的肽进行进一步研究。初步研究表明，当固氮细菌接触这种肽时，15%的基因会受到影响，许多变得更加活跃的基因参与铁输入。

后来，他们发现当NCR247融合到一个更大的蛋白质上时，这种杂交蛋白质的颜色出人意料地变成了红色。这一偶然现象导致研究人员发现NCR247会与血红素结合。

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，并使细胞进入铁饥饿状态，从而触发细胞开始从外界环境中进口更多的铁。

沃克说，在正常情况下，细菌会微调铁的代谢。当铁足够时，它们不会吸收更多。然而，NCR247的神奇之处在于，它突破了这一机制，间接调节了细菌的铁含量。

固氮酶是细菌固定氮的主要酶，每个酶分子需要24到32个铁原子。因此，额外铁的流入可能有助于固氮酶变得更活跃。他们发现铁流入的时间与固氮的时间相吻合。

研究人员解释说，NCR247在根瘤中以波浪的形式产生，当细菌准备好固氮时，这种特定肽的产量会更高；如果NCR247全程分泌，那么细胞将面临铁过载，对细胞不利；但是如果没有NCR247肽，根瘤菌和根瘤菌就不能形成有效的固氮共生。

沃克说，这是第一个具有真正详细分子机制的肽。它可用于治疗各种人类疾病。

多种人类疾病导致游离血红素在血液中循环，包括镰状细胞贫血、败血症和疟疾。此外，一些传染性寄生虫和细菌依靠血红素生存，但它们不能产生血红素。因此，用一种可以吸收所有可用血红素的蛋白质来治疗这种感染，将有助于防止寄生虫或细菌细胞的生长和繁殖。

在这项研究中，研究人员发现，用NCR427治疗弓形虫可以防止寄生虫在人体细胞上形成斑块。

沃克说：这项研究成果有很多潜在的临床应用。虽然还处于非常早期的阶段，但是这个领域已经有很多可能性了。

目前，沃克实验室正在研究人类血红素结合蛋白作为镰状细胞贫血的潜在治疗方法。他们说，NCR247肽体积小，更容易制造和输送到体内。因此，它可以提供一种更易于部署的替代方案。

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