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中科院打开植物铁运输“大门”,有望让20亿“隐性饥饿”患者获益

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DeepTech深科技 2021-09-17 19:45

21 世纪人类面临的最大挑战之一不是温饱,而是因微量元素不足导致的 “隐性饥饿”,全球仅因铁营养缺乏而导致的隐性饥饿人数就高达约 20 亿,如儿童发育迟缓、注意力不集中、记忆力衰退以及缺铁性贫血等疾病大多都与缺铁有关,隐性饥饿已经成为威胁人们正常生活的“致命杀手”。

造成人体铁营养缺乏的主要原因是大多数植物性主食的含铁量较低,且含有较高抑制人体铁吸收的抗营养因子。

然而,植物中同时也含有一种特殊的非编码氨基酸尼克胺(Nicotianamine, NA),它不仅可以促进铁离子向植物种子的运输,同时还能逆转抗营养因子对人体铁吸收的阻遏,甚至还可帮助人类降低血压以及预防老年痴呆。

晁代印团队在植物中找到了两个决定植物种子铁含量的关键蛋白,正是它们负责将细胞内合成的NA分泌到植物铁运输的关键通道---维管组织,这为解决人类 “隐性饥饿” 问题起到了重大推动作用。

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图|晁代印(来源:受访者)

9 月 4 日,相关论文以《定位于类突触状囊泡中的 NPF 转运蛋白可以控制铁和铜向种子的输送》(NPF transporters in synaptic-like vesicles control delivery of iron and copper to seeds)为题发表在 Science 子刊 Science Advances 上,由中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士研究生晁振飞为第一作者,研究员晁代印为通讯作者。

图|相关论文(来源:Science Advances)

该团队发现 NAET1(NA efflux transporter 1)和 NAET2(NAefflux transporter 2)这两个铁运输关键基因编码蛋白,主要在植物枝叶和根维管组织中表达,并且可以帮助 NA 从细胞中分泌出来,这揭示了植物跨膜转运的一种“聪明”机制,对改善植物营养和人类健康具有诸多益处。

由于铁的重要性,科学界对植物中铁运输问题的探索从未停止。早在 1952 年就有科学家在 Science 上发表文章表示,铁在正常的植物组织细胞环境中很容易被沉淀,因此必须依赖于一系列小分子化合物的螯合来帮助其溶解,而铁与这些小分子化合物也以螯合物的方式得以运输。

到了上世纪末,又有科学家发现 NA 就是这类小分子化合物中最重要的一种,并克隆了植物中合成 NA 的基因。

2001 年,有科学家找到了一个能够将铁 - NA 复合物运输到细胞内的转运蛋白。然而一系列证据表明,要形成铁 - NA 复合物首先需要将特定细胞内合成的 NA 运输到维管束的细胞间隙,但这一过程是由哪种蛋白负责的,科学界一直不清楚。后来科学家们做了很多猜测和尝试,但均无实质性进展。

晁代印与其学生一起仔细观察了 NA 的分子结构,他们注意到 NA 与编码氨基酸形成的寡肽十分相似,于是晁代印团队大胆猜想,负责向细胞外转运NA的转运蛋白,很有可能来自可以运输小分子寡肽的转运蛋白家族(Nitrate/PeptideTransporter Family,NPF),而不是先前科学家们猜想的铁 - NA 复合物转运蛋白家族。

图|晁代印科研团队(来源:受访者)

聪明的 NPF 家族蛋可以将 NA 巧妙地分泌到细胞外

NA 是植物所特有的非编码氨基酸,而酵母则既不能合成这种化合物,也缺乏能够这种化合物排到细胞外的转运蛋白。于是该团队做了一个巧妙地设计,他们将合成NA的基因导入到酵母细胞,使得这种新的酵母株系具备细胞内合成NA的能力。之后,再分别将不同 NPF 家族成员基因单独地导入到这种能够合成NA的酵母细胞。

如果某个 NPF 家族成员能够将酵母细胞内合成的 NA 外排到细胞外,那么就可以在培养这种酵母的培养液中检测到 NA ,反之则不能。利用这个系统,晁代印团队发现最终发现 NPF5.8 和 NPF5.9 这两个基因编码的蛋白具有外排 NA 转运能力,并将它们编码的蛋白分别命名为 NAET1 和 NAET2 。

为了进一步确定这两个蛋白在植物中的功能和作用机制,晁代印团队又利用基因编辑的技术将植物里对应的两个基因删除,然后观察到删除了这两个基因的植物突变体种子种铁、铜、钴以及NA中的含量降低了 75% ~ 90% ,证实了这两个基因确实在植物中负责铁、铜、钴以及 NA 本身的运输。

之后的嫁接实验以及木质部流、韧皮部流检测进一步增强了它们对于这两个蛋白以及它们运输的货物 NA ,帮助植物金属元素运输机制的理解,并对生物强化的努力产生了很大的影响。

图|酵母识别系统(来源:Science Advances)

接下来的研究,出乎晁代印研究团队的意料。已知的 NPF 家族成员都定位于细胞质膜或者液泡膜上面。细胞质膜是将细胞与其外界环境分开的半透膜,它像城墙一样拒绝大多数物质分子的随意扩散,从而使得细胞质膜上的转运蛋白可以像城门一样控制物质分子的进出。

然而,液泡膜则是细胞内储存仓库的墙,液泡膜转运蛋白则是仓库的门,控制着细胞内物质的储存和调用。因此,最初,该团队猜测 NAET1 和 NAET2 与 NPF 家族其它成员类似,在细胞质膜上控制着NA的排出,但结果发现并非如此。

晁代印团队发现,NAET1 和 NAET2 并不位于细胞质膜或液泡膜,而是位于细胞内一种特殊的小囊泡上,这种囊泡也是由一种半透膜组成。这使得 NAET1 和 NAET2 运送 NA 出细胞的作用机制非常巧妙,它们先把NA运送到这种小囊泡里面,而当这些小囊泡运动到细胞质膜位置的时候,囊泡膜就会与细胞质膜融合,两者融合后囊泡的内部就翻转变成了细胞质膜的外侧,而囊泡中的NA也因此被释放到细胞外。

图|NAET1 和 NAET2 将 NA 在囊泡中的传输(来源:Science Advances)

晁代印向 DeepTech 表示:“这是一个非常精巧的机制,以前只在动物细胞分泌神经递质时观察到这种现象,植物运输NA的这种方式,远比我们预想的要聪明。”

假设 NAET1 和 NAET2 位于细胞质膜上,NA 的运输效率不仅会很低,还会遇到很多阻碍。因为这种假设条件下NA不仅需要时间从细胞内合成处扩散到质膜处才能得以运输,而且在扩散的途中还可能遇到大量金属离子,而NA一旦结合了金属离子后就无法再被运送到细胞之外,如果以实际的这种方式则可以避免上述问题。

细胞质里面这种很小的颗粒状囊泡首先可以增大吸收表面积,其次散布于细胞内各处的囊泡使得 NA 一旦被合成就可以快速的转运到囊泡里面,而囊泡膜隔绝了运送过程中其它离子与NA结合的可能性。这相当于一个浓缩机制,它使整个运输效率更为快速和高效。

用 “小船” 协助铁离子长距离运输,“小船” 还可预防老年痴呆等疾病

物质被运输蛋白从细胞质膜一侧运输到另外一侧被称为“短距离运输”,而从一个器官运送到另外一个器官则被称为 “长距离运输”,铁从植物根、叶运送到籽粒的过程就是典型的后者。与短距离运输相比,长距离运输更为复杂。晁代印以城市间钢材运输的例子,形象生动地解释了NA是如何协助铁离子长距离运输的内在机理。

“如果我们可以把种子、种子根部、木质部及韧皮部、NA 分别比喻成上海、武汉和长江和船,如果想把铁从武汉运输到上海,第一件事不是把铁直接放到长江里面,而是要把铁放到船上,用船将铁运输上海,那么 NA 就起到船的作用,如果没有船作为运输载体,铁就会沉入江底,不可能运输至上海。”晁代印向 DeepTech 表示。

图|NAETs 调控离子稳态模型(来源:Science Advances)

NAET1 和 NAET2 就这样通过控制 NA 的短距离运输,控制了铁的长距离运输。当然,NA 不仅可以运输铁离子,还可以帮助铜离子及其它的二价阳离子的运输。

更有意思的是,晁代印研究员介绍到,“NAET1 和 NAET2 对于植物和人类健康都很重要,不仅仅在于它们控制了籽粒中的铁,它们同时也控制了 NA 在籽粒中的含量。

而 NA 本身对人体也有诸多好处,比如,NA 可以逆转抗营养因子对铁的螯合,促进人体对铁的吸收,还可以用来降血压,预防老年痴呆等疾病。NAET 蛋白在食品健康领域也具有广阔作用,可以把NA合成的基因和 NAET 蛋白的编码基因一起导入到酵母细胞,利用合成生物学合成大量的NA并添加到食品中去,也可帮助补血补铁,预防高血压和老年痴呆。”

图|晁代印做实验场景(来源:受访者)

困难不足惧,愈磨剑愈亮

因为 NAET 蛋白是定位在尺寸极小的囊泡里面,所以无法直接利用常规电生理或摄入实验直接验证转运蛋白转运活性。

该团队因为这个问题,曾一度陷入长时间的困扰之中。他们尝试了各种方法试图改变这两个蛋白的定位,但经过将近两年的摸索还是以失败告终。他们曾想过放弃,让问题留待后人解决,但出于对科学完美的追求,他们没有放弃。

最终,该团队利用超速离心的方式将含有 NAET 蛋白的微粒体分离出来,然后将 NA 与含有 NAET 蛋白的微粒体一起孵育,直接证实了 NAET1 和 NAET2 具备转运蛋白的动力学特征,是作为转运蛋白将NA转运到特定囊泡中的。这使得该研究成果有以下三大亮点:

第一,研究清楚了NA分泌到细胞外的具体过程,解决了长期以来营养学亟待回答的问题。

第二,创造了新的实验技术体系,可为将来类似科学研究提供一定的借鉴。譬如,如何通过酵母异源表达方式筛选相关的转运蛋白,如何利用底物分子结构的相似性去推测转运蛋白,以及利用微粒体去做转运蛋白的动力学特征等。

第三,在植物中发现了具有类似于动物神经递质的运输方式,表明了动植物生命运动规律可能比原来想象的更为相似。

晁代印研究员还介绍了植物矿质营养研究领域的其它一些常见的困难。比如,实验结果更容易受环境影响,往往需要大量的重复以及严格控制变量。但这方面的研究意义很大,与食品安全、环境保护以及人类身体健康全都息息相关。

“我们不畏困难,将来会继续提升我们的研究,现在已经对玉米和水稻里面的同源基因和类似的基因进一步研究了,接下来会更多地聚焦于农作物研究。”晁代印告诉 DeepTech 。

热衷猜测 “上帝的谜语”,争做科学 “珠峰” 第一人

据悉,晁代印从 2001 年就开始投身于科研事业,至今已有 20 个年头,支撑其枯燥科研生活的最大动力是 “对自然的好奇心” 和 “自我实现感”。

他将大自然比作上帝,甚至将探究生命运动的规律看作是在猜上帝的谜语,当发现 NAET 蛋白的奥秘时,更加惊叹于 “上帝” 造物的巧妙性,并将这种感觉比作 “上帝的奖赏”。

图|晁代印(来源:受访者)

具体到植物领域来讲,“当我看到种子从发芽到开花结果,年复一年的循环,应对恶劣环境变化对人生也是一种启发,每当我在科研道路上遇到困难时,总会想尽一切办法去解决,当困难被克服,仿佛有一种登上珠穆朗玛峰的感觉,我常跟学生们讲,一定要有要勇攀科研珠峰的勇气。” 晁代印向 DeepTech 表示。

除了对大自然先观为妙的成就感,晁代印希望自己的研究成果将来可以造福于人类,如果能够增强铁在谷物里面的含量,对人类解决农作物的问题具有很大的帮助,那么我就真正做到学以致用的要求了。

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