科学家搞清了根瘤菌关闭结瘤蛋白质NolR的结构 为下一波绿色革命创造了条件
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美国密苏里州圣路易斯
2014年4月28日
作者：Diana Lutz
如果你拔起一棵黄豆或蚕豆植株，将泥土抖落，你可能会看到它的根上有奇怪的瘤节，就如风湿性手指关节。在凉爽的被土壤覆盖的瘤内包含细菌，在酶的帮助它可以固氮，就如一些化学工厂在催化剂的帮助下和高温和高压条件下制造的一样。
根瘤菌属的典型细菌打破空气中氮分子之间的强三键和将氮原子整个合到植物可以使用的化合物中。作为回报，植物给细菌提供糖分作为分裂氮分子所需的能量。
豆科植物- 根瘤菌共生关系给植物生产的氮素比今天所有工业化肥的总和还多，并且在正确的时间提供恰到好处的氮素。
与此相反，许多施用于农田的合成肥料都浪费了，或者从土壤流失而进入河流，或者以氮氧化物进入大气，给环境和健康带来风险。
农民已经可以买到根瘤菌丰富的生物肥料以增加根瘤的形成，提高土壤质量，而不需要合成肥料。现在，科学家们开始谈论使用基因工程方法改造作物，使它们像豆类植物一样拥有原位固氮系统，无论是通过根瘤或者是通过植物细胞本身。
要做到这一点，科学家们需要尽可能详细地了解生物固氮的机器，就像机械师了解汽车发动机的气门和活塞清楚。不同的是生物机器太小了，肉眼看不见。
科学已经向这个目标迈进了一步。最近，圣路易斯的华盛顿大学搞清楚了结瘤过程的主断开关叫NolR蛋白质的结构。通过建立蛋白质的精确的原子模型，他们能够“看到”该蛋白质是如何识别和卡入基因，以防止细菌开始建立共生体而开始新生命的。研究结果发表在4月29日发行的美国国家科学院院刊上（注：见文章结尾的链接）。
信任但要核查
结瘤的过程是如此怪异，如果你在一部科幻小说中读到它，你可能会归功于作者的巨大想像力。
首先，植物和土壤细菌进行分子对话，以确保它们是相互兼容的伙伴。寄主植物释放出一组黄酮类化合物，细菌的一个叫NodD的蛋白质可以感知这些物质，从而开启一组结瘤（nod）基因。所有的结瘤基因一起制造出一个很大的复杂分子，称为结瘤因子。
摄影：Hari Krishnan
像我们的红血细胞中的血红蛋白一样，一种含铁的蛋白给根瘤上色。所谓的豆血红蛋白（leghemoglobin，leg代表“豆科植物”）将氧气运输到呼吸细菌，就像血红蛋白将氧呼吸运送到我们的呼吸细胞。但是，豆血红蛋白与氧的结合远比血红蛋白紧密，对氧气的分配也更加严格，原因是氧气可以毒害细菌的固氮酶
结瘤因子触发植物的感染线或者一个管道，通过这个管道细菌可以进入到根的深处，在那里它们被包裹细胞膜内。在一个根瘤的根皮层细胞中，植物合成这些细胞膜并将它们隔离在囊泡管中。这些细菌的新陈代谢以及他们的繁殖能力被极大地改变了，就好像不同的生物一样，所以被称做类菌体，而不是细菌。
“这就像一个病原体的入侵，”华盛顿大学文理学院生物学副教授Joseph Jez博士说，“但根瘤菌不是病原体，它是一个有益生物。“
它卷曲或平躺？
在80年代中期和90年代初，科学家研究根瘤形成的遗传学，确定了负责开启结瘤的基因NodD和负责关闭结瘤的基因NolR。NoIR的作用更加广泛，包括关闭所有的结瘤基因、NodD和共生体需要的其它基因。
“这种细菌具有打开一组负责结瘤和共生的基因，但是，在它自主生活时它需要关闭这些基因，”Jex说。“这就是NolR基因的作用。”
“这就像驾驶一辆汽车，”Jez实验室的博士后研究助理Soon Goon Lee博士说。“NodD是油门踏板和NolR是刹车。但我们不知道NolR是如何其作用，直到我们了解了它的结构并理解它是怎样与DNA相互作用。“
这项工作弄清楚了这个长线状蛋白质分子如何自我折叠并形成一堆乱七八糟的螺旋和带状物和这个折叠的分子如何与DNA嵌合并结合的。
不幸的是，蛋白质折叠是一个很困难的问题，一个仍然超越计算机的计算能力。所以，大多数蛋白质结构仍然是由一种耗时的过程揭示的，即将蛋白质结晶，然后用X射线照射晶体，以便定位其中的原子。
2005年，美国农业部（在哥伦比亚密苏里大学）的科学家Hari R. Krishnan博士告诉Jez说他有一个NolR克隆细胞或群体，所有的细胞都由NolR蛋白质组成。Krishnan问Jez敢不敢兴趣将NolR结晶并找出该蛋白的结构。
Jez的愉快地接受了。在时间允许时，他或实验室中的另一成员会对NolR进行结晶筛选，将该蛋白质的液滴滴入含有不同溶液的小坑中，以便搜索会导致蛋白质结晶的条件。
起初，NolR不予合作。如果他们得到的晶体，在他们操作时晶体就土崩瓦解了，或者它们产生的衍射图案不能被解释。
轮到Lee时，他捡起了这个项目。他决定重新开始，采集有NoIR结合的DNA序列，将DNA剪断，然后试着对蛋白质和DNA的混合物一起结晶。
本来，应该比单独结晶蛋白质要困难些，但令他惊讶的是这竟然更容易。Lee从蛋白/ DNA复合物获得的低分辨率数据使得科学家解释从纯蛋白质获得的高分辨率数据变得容易。
该蛋白质含有在DNA结合蛋白中常螺旋 - 旋转 - 螺旋序列。这个DNA双螺旋结构有一个大槽和一个小槽，他们可以沿着双螺旋结构向下运动，就像螺丝钉的螺纹一样。许多蛋白质都通过较宽的大槽结合到DNA。
“大槽是打开着的，你可以在这个槽中嵌合一个蛋白质的螺旋，”Jez说。“因此，自然使用这个螺旋-旋转-螺旋域将螺旋定位到大槽中。该蛋白是一个二聚体，因此它有两个螺旋，其间隔正好将螺旋嵌合到两个连续大槽中“。
作为一个总开关，NolR必须能够识别并结合到许多不同的基因。因为每个基因都含有称为共有序列的相同序列的核苷酸，使这种结合成为可能。在这种情况下，所有NoIR结合的基因的两个连续的大槽都含有这样的序列。
科学家们对这个一进展感到高兴，也使他们更渴望结晶另一个蛋白质，比如上开启结瘤蛋白NodD。毕竟，如果一部汽车只有一个刹车而没有加速器，这部车就很难开。
