科学家鉴定出一种植物分子 可以吸收富含铁的血红素

该肽被豆类用于控制固氮细菌;它还可能为治疗血液中血红素过多的患者提供线索。

豆类与根部生长的细菌之间的共生关系对植物的生存至关重要。没有这些细菌，植物就没有氮的来源。这种元素对于构建蛋白质和其他生物分子至关重要，这将取决于土壤氮肥。

为了建立这种共生关系，一些豆科植物产生数百种肽，帮助细菌生活在其根部称为结节的结构中。麻省理工学院的一项新研究表明，其中一种肽具有意想不到的功能：它可以吸收所有可用的血红素，一种含铁分子。这使细菌进入铁饥饿模式，从而增加氨的产生，氨是植物可用的氮形式。

“这是该系统中700种肽中的第一个，已经制定了非常详细的分子机制，”麻省理工学院美国癌症协会生物学研究教授，霍华德休斯医学研究所教授，该研究的资深作者Graham Walker说。

研究人员表示，这种血红素螯合肽可能在治疗各种人类疾病方面具有有益的用途。从血液中去除游离血红素可能有助于治疗由需要血红素才能生存的细菌或寄生虫引起的疾病，例如牙龈卟啉单胞菌(牙周病)或弓形虫病，或镰状细胞病或败血症等将过多血红素释放到血液中的疾病。

“这项研究表明，植物 - 微生物相互作用的基础研究也有潜力转化为治疗应用，”麻省理工学院研究科学家，该研究的主要作者Siva Sankari说，该研究发表在Nature Microbiology上。

该论文的其他作者包括麻省理工学院研究科学家维涅什·巴布;Kevin Bian和Mary Andorfer，都是麻省理工学院的博士后;Areej Alhhazmi，前KACST-MIT沙特阿拉伯妇女学者Ibn Khaldun奖学金;麻省理工学院研究生关允和但丁·阿瓦洛斯;麻省理工学院生物学讲师泰勒·史密斯;凯瑟琳·德伦南，麻省理工学院化学和生物学教授，霍华德休斯医学研究所研究员;迈克尔·亚菲(Michael Yaffe)，大卫·H·科赫科学教授，麻省理工学院科赫综合癌症研究所成员;以及麻省理工学院莱瑟姆家族生物学职业发展教授、怀特黑德生物医学研究所成员塞巴斯蒂安·洛里多。

铁控制

近40年来，沃克的实验室一直在研究豆类和根瘤菌(一种固氮细菌)之间的共生关系。这些细菌将氮气转化为氨，这是地球氮循环的关键步骤，使植物(以及吃植物的动物)可以使用这种元素。

沃克的大部分工作都集中在一种名为Medicago truncatula的三叶草状植物上。固氮细菌在这些植物的根部引起结节的形成，最终进入植物细胞内，在那里它们转化为称为拟杆菌的共生形式。

几年前，植物生物学家发现Medicago truncatula产生约700种肽，有助于这些拟杆菌的形成。这些肽以波的形式产生，帮助细菌从自由生活过渡到嵌入植物细胞中，在那里它们充当固氮机器。

沃克和他的学生选择了其中一种被称为NCR247的肽进行更深入的研究。初步研究表明，当固氮细菌暴露于这种肽时，其15%的基因受到影响。许多变得更加活跃的基因都参与了铁的进口。

研究人员随后发现，当他们将NCR247融合到更大的蛋白质上时，杂交蛋白质的颜色出乎意料地呈红色。这种偶然的观察导致了NCR247结合血红素的发现。这种有机环形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。

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，使细胞进入铁饥饿模式，触发它们开始从外部环境进口更多的铁。

“通常细菌会微调它们的铁代谢，当已经有足够的铁时，它们不会吸收更多的铁，”桑卡里说。“这种肽很酷的地方在于它超越了这种机制，间接调节了细菌的铁含量。

研究人员说，氮酶是细菌用来固定氮的主要酶，每个酶分子需要24至32个铁原子，因此额外铁的流入可能有助于这些酶变得更加活跃。他们发现，这种涌入的时间与固氮相吻合。

“这些肽在结节中以波浪形式产生，当细菌准备固定氮时，这种特殊肽的产生更高。如果这种肽在整个过程中都分泌，那么细胞就会一直含有过多的铁，这对细胞不利，“桑卡里说。

研究人员表示，如果没有NCR247肽，Medicago truncatula和根瘤菌就不能形成有效的固氮共生关系。

“许多可能的方向”

研究人员在这项工作中研究的肽可能具有潜在的治疗用途。当血红素被掺入血红蛋白中时，它在体内起着至关重要的作用，但是当它在血液中松散时，它可以杀死细胞并促进炎症。游离血红素可以积聚在储存的血液中，因此在血液输注给患者之前有一种过滤掉血红素的方法可能是有用的。

各种人类疾病导致游离血红素在血液中循环，包括镰状细胞性贫血、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，但不能产生血红素，因此它们从环境中清除血红素。用吸收所有可用血红素的蛋白质治疗此类感染可以帮助防止寄生细胞或细菌细胞生长和繁殖。

在这项研究中，Lourido和他的实验室成员表明，用NCR427治疗寄生虫刚地弓形虫可以防止寄生虫在人体细胞上形成斑块。

研究人员现在正在寻求与麻省理工学院其他实验室的合作，以探索其中一些潜在的应用，资金来自Amar G. Bose教授研究基金。

“有很多可能的方向，但它们都处于非常早期的阶段，”沃克说。“潜在的临床应用数量非常广泛。你可以在这个游戏中下不止一个赌注，这很有趣。

人类蛋白血红素也与血红素结合，正在探索作为镰状细胞性贫血的可能治疗方法。研究人员说，NCR247肽可以提供一种更容易部署的替代品，因为它更小，更容易制造和输送到体内。