麻省理工學(xué)院的一項新研究表明，一些豆科植物為了建立與根瘤菌的共生關(guān)系，會產(chǎn)生數(shù)百種肽，以幫助細(xì)菌生活在植物根部。其中有一種肽具有令人意想不到的功能：它能夠吸收所有可用的血紅素。而這項功能與鐮狀細(xì)胞性貧血、敗血癥和瘧疾的治療密切相關(guān)。

那么植物、根瘤菌與疾病之間到底有什么關(guān)系呢？

豆科植物與根瘤菌之間的共生關(guān)系對植物生存至關(guān)重要。氮是構(gòu)建蛋白質(zhì)和其他生物分子所必需的元素，沒有這些細(xì)菌的固氮作用，空氣中的氮就不能為植物所用，植物便需依賴氮肥。

固氮作用，指將空氣中游離態(tài)的氮（氮氣）轉(zhuǎn)化為含氮化合物（如硝酸鹽、氨、二氧化氮）的過程?？煞譃樽匀还痰约叭斯す痰獌煞N。

自然固氮主要有兩種途徑，分別是氣電固氮和生物固氮。后者為自然界中自生或與植物共生的微生物，通過體內(nèi)固氮酶的作用，將大氣中的氮還原成氨的過程。該途徑約占自然固氮的90%。

在豆科植物中，與之共生的根瘤菌侵入寄主根內(nèi)，刺激根部皮層和中柱鞘的某些細(xì)胞，引起這些細(xì)胞的強烈生長，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在其中定居，植物供給根瘤菌以礦物養(yǎng)料和能源，根瘤菌固定大氣中游離氮氣，為植物提供氮素養(yǎng)料，兩者在拮抗寄生關(guān)系中處于均衡的狀態(tài)，表現(xiàn)共生的現(xiàn)象。

近40年來，本文通訊作者、麻省理工學(xué)院美國癌癥協(xié)會和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所教授沃克實驗室一直在研究豆類和根瘤菌之間的共生關(guān)系：固氮根瘤如何在豆類上發(fā)育，以及侵襲和感染所需的根瘤菌功能與哺乳動物發(fā)病機制之間的關(guān)系。

沃克的大部分工作都集中在蒺藜狀苜蓿上。這是一種一年生豆科植物，三葉草狀。該物種是研究豆科植物的模式生物，因其具有較小的二倍體基因組，自花授粉，生長時間短，多產(chǎn)，適應(yīng)遺傳轉(zhuǎn)化，基因組已被測序。

蒺藜狀苜蓿

蒺藜狀苜蓿與固氮根瘤菌和叢枝菌根真菌（包括不規(guī)則根瘤菌）形成共生。幾年前，植物生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)蒺藜狀苜蓿產(chǎn)生約700個富含半胱氨酸的根瘤肽（NCR），能夠幫助細(xì)菌從游離狀態(tài)嵌入到植物細(xì)胞之中。

Walker研究組選擇了其中最廣泛存在的一種肽，由24個氨基酸組成，稱為NCR247，以深入研究其作用機制。初步研究表明，當(dāng)固氮細(xì)菌暴露于這種肽時，15%的基因受到影響，其中許多變得更活躍的基因都參與鐵的運輸。

研究人員隨后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們將NCR247融合到更大的蛋白質(zhì)時，雜交蛋白質(zhì)出乎意料地呈紅色。這種偶然的觀察結(jié)果導(dǎo)致了NCR247可以結(jié)合血紅素的發(fā)現(xiàn)。

進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)NCR247被釋放到細(xì)菌細(xì)胞中時，它會隔離細(xì)胞中的大部分血紅素，使細(xì)胞進(jìn)入“缺鐵模式”，觸發(fā)它們開始從外部環(huán)境中導(dǎo)入更多的鐵。

血紅素是一種有機環(huán)狀的含鐵分子，是血紅蛋白的重要組成部分，血紅蛋白是紅細(xì)胞用來攜帶氧氣的蛋白質(zhì)。通過隔離血紅素及其結(jié)合的鐵，NCR247導(dǎo)致了“血紅素剝奪”的生理狀態(tài)。這反過來又在根瘤菌中誘導(dǎo)缺鐵反應(yīng)，導(dǎo)致鐵的導(dǎo)入，而鐵的導(dǎo)入是固氮酶活性所必需的。

固氮酶是固氮作用的主要酶，每個酶分子需要24個～32個鐵原子，因此鐵的“涌入”可能有助于這些酶變得更加活躍。而鐵涌入的時間也說明了這一點。

“這些肽在根瘤中以‘波浪’形式產(chǎn)生。當(dāng)細(xì)菌準(zhǔn)備固定氮時，這種特定肽的含量更高。如果整個過程一直分泌這種肽，細(xì)胞就會一直含有太多的鐵，這反而對細(xì)胞有害。”文中另一作者、麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家席瓦說。

研究顯示，如果沒有NCR247，蒺藜狀苜蓿和根瘤就不能形成有效的固氮共生關(guān)系。另外，NCR247的D-對映異構(gòu)體能夠以等效的方式結(jié)合和封存血紅素。

研究人員表示，NCR247及其D-對映異構(gòu)體螯合血紅素的特殊能力表明了與人類健康相關(guān)的廣泛潛在應(yīng)用。

這是因為，從血液中去除游離血紅素，可以幫助治療某些疾病，例如牙齦假單胞菌（牙周?。?、弓形蟲病、鐮狀細(xì)胞病、敗血癥等，這些疾病會導(dǎo)致過多的血紅素釋放到血液中，血紅素在血紅蛋白中時，可以發(fā)揮正常生理功能，但是當(dāng)其游離在血液中時，卻可以殺死細(xì)胞并促進(jìn)炎癥；此外，還可以治療由一些依賴血紅素才能生存的傳染性寄生蟲和細(xì)菌引起的疾病。

這項研究表明，用NCR427治療寄生蟲弓形蟲可以防止寄生蟲在人類細(xì)胞上形成斑塊。

目前，同樣可以與血紅素結(jié)合的人類蛋白質(zhì)β-1B-糖蛋白（屬于血紅素蛋白家族，是血紅素結(jié)合親和力最高的血漿蛋白）正在被研究作為鐮狀細(xì)胞性貧血的可能治療方法。不過，NCR247肽是一種更容易被應(yīng)用的替代品，因其分子小得多，更容易制造和輸送到體內(nèi)。

研究人員正在與麻省理工學(xué)院的其他實驗室合作，以探索其中一些潛在的應(yīng)用?！坝泻芏嗫赡艿姆较颍鼈兌继幱诜浅Ｔ缙诘碾A段?！蔽挚苏f。