Nature Microbiology | 研究揭示豆科植物多肽控制固氮共生细菌的分子机制！

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至关重要。没有这些细菌，植物就没有氮的来源，而氮是构建蛋白质和其他生物大分子所必需的元素，它们将依赖土壤中的氮肥。为了建立这种共生关系，一些豆科植物产生了数百种肽，帮助细菌在其根部被称为根瘤的结构中生存。麻省理工学院的一项新研究显示，这些多肽中的一种具有意想不到的功能。它吸走了所有可用的血红素，一种含铁分子。这将使细菌进入一种铁饥饿模式，从而提高其氨的产量，而氨是可用于植物的氮的形式。

2022年8月11日，国际权威学术期刊Nature Microbiology发表了美国麻省理工学院Graham Walker团队的最新相关研究成果，题为A haem-sequestering plant peptide promotes iron uptake in symbiotic bacteria的研究论文。这种血红素分离肽可以在治疗各种人类疾病方面发挥有益作用。清除血液中的游离血红素可以帮助治疗由需要血红素生存的细菌或寄生虫引起的疾病，如牙周炎或弓形虫病，或镰状细胞病或脓毒症等向血液中释放过多血红素的疾病。这项研究表明，植物-微生物相互作用的基础研究也有可能被转化为医疗应用。

铁的控制

近40年来，Walker的实验室一直在研究豆科植物和根瘤菌（一种固氮细菌）之间的共生关系。这些细菌将氮气转化为氨气，这是地球氮循环的一个关键步骤，使植物（以及食用植物的动物）可以获得该元素。Walker的大部分工作都集中在一种名为蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）的三叶草类植物上。固氮细菌促使这些植物的根部形成根瘤，并最终进入植物细胞内，在那里它们转化为称为细菌的共生形式。几年前，植物生物学家发现，蒺藜苜蓿产生了大约700种肽，有助于这些细菌的形成。这些肽一波接一波地产生，帮助细菌从自由生活过渡到嵌入植物细胞中，在那里充当固氮机器。

科研人员挑选了这些肽中的一种，称为NCR247，进行了更深入的挖掘。最初的研究显示，当固氮细菌暴露于这种肽时，它们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输入。研究人员随后发现，当他们将NCR247与一个更大的蛋白质融合时，混合蛋白质的颜色意外地偏红。这一偶然的观察导致他们发现NCR247与血红素结合，血红素是一种有机的环形含铁分子，是血红蛋白的重要组成部分，是红细胞用来携带氧气的蛋白质。进一步的研究显示，当NCR247被释放到细菌细胞中时，它将细胞中的大部分血红素封存起来，使细胞进入铁饥饿模式，引发它们开始从外部环境中输入更多的铁。

通常情况下，细菌会对它们的铁代谢进行微调，当铁已经足够时，它们不会吸收更多的铁。这种肽的厉害之处在于，它推翻了这种机制，间接地调节了细菌的铁含量。细菌用来固氮的主要酶—固氮酶，每个酶分子需要24到32个原子的铁，因此额外铁的涌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作用相吻合。这些肽在根瘤中是以波浪形式产生的，当细菌准备固氮时，这种特定肽的产量更高。如果这种肽在整个过程中都被分泌出来，那么细胞就会一直有太多的铁，这对细胞是不利的。研究人员表明如果没有NCR247肽，蒺藜苜蓿和根瘤菌不能形成有效的固氮共生关系。

图1：NCR247诱导铁饥饿反应并驱动铁输入到苜蓿中华根瘤菌

图2：NCR247结合并封存血红素

图3：NCR247与细胞内血红蛋白结合，通过调节Irr介导的铁调节来驱动铁的吸收

未来的方向

研究人员在这项工作中研究的肽可能有潜在的医疗用途。当血红素被纳入血红蛋白时，它在体内发挥着关键功能，但当它在血液中松散时，它可以杀死细胞并促进炎症。游离的血红素可以在储存的血液中积累，因此在血液被输给病人之前有办法过滤掉血红素可能是有用的。各种人类疾病都会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，一些传染性的寄生虫和细菌依靠血红素生存，但不能生产血红素，因此它们从环境中清除血红素。用一种能吸收所有可用血红素的蛋白质来治疗这种感染，可以帮助防止寄生虫或细菌细胞能够生长和繁殖。

在这项研究中，科研人员表明，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。研究人员现在正寻求与麻省理工学院的其他实验室合作，探索其中一些潜在的应用。有许多可能的方向，但它们都处于非常早期的阶段，潜在的临床应用的数量是非常广泛的。目前，同样与血红素结合的人类蛋白质血红素正在被探索作为镰状细胞贫血的可能治疗方法。NCR247多肽可以提供一个更容易部署的替代品，因为它更小，可以更容易制造和输送到体内。

图4：NCR247-血红素结合的潜在治疗应用

图5：NCR247封存血红素并推翻细菌的铁调节，以帮助共生

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