21 世紀(jì)人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一不是溫飽，而是因微量元素不足導(dǎo)致的 “隱性饑餓”，全球僅因鐵營(yíng)養(yǎng)缺乏而導(dǎo)致的隱性饑餓人數(shù)就高達(dá)約 20 億，如兒童發(fā)育遲緩、注意力不集中、記憶力衰退以及缺鐵性貧血等疾病大多都與缺鐵有關(guān)，隱性饑餓已經(jīng)成為威脅人們正常生活的“致命殺手”。

造成人體鐵營(yíng)養(yǎng)缺乏的主要原因是大多數(shù)植物性主食的含鐵量較低，且含有較高抑制人體鐵吸收的抗?fàn)I養(yǎng)因子。

然而，植物中同時(shí)也含有一種特殊的非編碼氨基酸尼克胺（Nicotianamine, NA）,它不僅可以促進(jìn)鐵離子向植物種子的運(yùn)輸，同時(shí)還能逆轉(zhuǎn)抗?fàn)I養(yǎng)因子對(duì)人體鐵吸收的阻遏，甚至還可幫助人類降低血壓以及預(yù)防老年癡呆。

晁代印團(tuán)隊(duì)在植物中找到了兩個(gè)決定植物種子鐵含量的關(guān)鍵蛋白，正是它們負(fù)責(zé)將細(xì)胞內(nèi)合成的NA分泌到植物鐵運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵通道——維管組織，這為解決人類 “隱性饑餓” 問(wèn)題起到了重大推動(dòng)作用。

9 月 4 日，相關(guān)論文以《定位于類突觸狀囊泡中的 NPF 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以控制鐵和銅向種子的輸送》為題發(fā)表在 《科學(xué)》子刊 Science Advances 上，由中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士研究生晁振飛為第一作者，研究員晁代印為通訊作者。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) NAET1（NA efflux transporter 1）和 NAET2（NAefflux transporter 2）這兩個(gè)鐵運(yùn)輸關(guān)鍵基因編碼蛋白，主要在植物枝葉和根維管組織中表達(dá)，并且可以幫助 NA 從細(xì)胞中分泌出來(lái)，這揭示了植物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的一種“聰明”機(jī)制，對(duì)改善植物營(yíng)養(yǎng)和人類健康具有諸多益處。

由于鐵的重要性，科學(xué)界對(duì)植物中鐵運(yùn)輸問(wèn)題的探索從未停止。早在 1952 年就有科學(xué)家在 Science 上發(fā)表文章表示，鐵在正常的植物組織細(xì)胞環(huán)境中很容易被沉淀，因此必須依賴于一系列小分子化合物的螯合來(lái)幫助其溶解，而鐵與這些小分子化合物也以螯合物的方式得以運(yùn)輸。

到了上世紀(jì)末，又有科學(xué)家發(fā)現(xiàn) NA 就是這類小分子化合物中最重要的一種，并克隆了植物中合成 NA 的基因。

2001 年，有科學(xué)家找到了一個(gè)能夠?qū)㈣F - NA 復(fù)合物運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。然而一系列證據(jù)表明，要形成鐵 - NA 復(fù)合物首先需要將特定細(xì)胞內(nèi)合成的 NA 運(yùn)輸?shù)骄S管束的細(xì)胞間隙，但這一過(guò)程是由哪種蛋白負(fù)責(zé)的，科學(xué)界一直不清楚。后來(lái)科學(xué)家們做了很多猜測(cè)和嘗試，但均無(wú)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

晁代印與其學(xué)生一起仔細(xì)觀察了 NA 的分子結(jié)構(gòu)，他們注意到 NA 與編碼氨基酸形成的寡肽十分相似，于是晁代印團(tuán)隊(duì)大膽猜想，負(fù)責(zé)向細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)NA的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，很有可能來(lái)自可以運(yùn)輸小分子寡肽的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族(NPF)，而不是先前科學(xué)家們猜想的鐵 - NA 復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族。

聰明的 NPF 家族蛋

可以將 NA 巧妙地分泌到細(xì)胞外

NA 是植物所特有的非編碼氨基酸，而酵母則既不能合成這種化合物，也缺乏能夠這種化合物排到細(xì)胞外的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。于是該團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)巧妙地設(shè)計(jì)，他們將合成NA的基因?qū)氲浇湍讣?xì)胞，使得這種新的酵母株系具備細(xì)胞內(nèi)合成NA的能力。之后，再分別將不同 NPF 家族成員基因單獨(dú)地導(dǎo)入到這種能夠合成NA的酵母細(xì)胞。

如果某個(gè) NPF 家族成員能夠?qū)⒔湍讣?xì)胞內(nèi)合成的 NA 外排到細(xì)胞外，那么就可以在培養(yǎng)這種酵母的培養(yǎng)液中檢測(cè)到 NA ，反之則不能。利用這個(gè)系統(tǒng)，晁代印團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)最終發(fā)現(xiàn) NPF5.8 和 NPF5.9 這兩個(gè)基因編碼的蛋白具有外排 NA 轉(zhuǎn)運(yùn)能力，并將它們編碼的蛋白分別命名為 NAET1 和 NAET2 。

為了進(jìn)一步確定這兩個(gè)蛋白在植物中的功能和作用機(jī)制，晁代印團(tuán)隊(duì)又利用基因編輯的技術(shù)將植物里對(duì)應(yīng)的兩個(gè)基因刪除，然后觀察到刪除了這兩個(gè)基因的植物突變體種子種鐵、銅、鈷以及NA中的含量降低了 75% ~ 90% ，證實(shí)了這兩個(gè)基因確實(shí)在植物中負(fù)責(zé)鐵、銅、鈷以及 NA 本身的運(yùn)輸。

之后的嫁接實(shí)驗(yàn)以及木質(zhì)部流、韌皮部流檢測(cè)進(jìn)一步增強(qiáng)了它們對(duì)于這兩個(gè)蛋白以及它們運(yùn)輸?shù)呢浳?nbsp;NA ，幫助植物金屬元素運(yùn)輸機(jī)制的理解，并對(duì)生物強(qiáng)化的努力產(chǎn)生了很大的影響。

圖｜酵母識(shí)別系統(tǒng)（來(lái)源：Science Advances）

接下來(lái)的研究，出乎晁代印研究團(tuán)隊(duì)的意料。已知的 NPF 家族成員都定位于細(xì)胞質(zhì)膜或者液泡膜上面。細(xì)胞質(zhì)膜是將細(xì)胞與其外界環(huán)境分開(kāi)的半透膜，它像城墻一樣拒絕大多數(shù)物質(zhì)分子的隨意擴(kuò)散，從而使得細(xì)胞質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以像城門一樣控制物質(zhì)分子的進(jìn)出。

然而，液泡膜則是細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)的墻，液泡膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則是倉(cāng)庫(kù)的門，控制著細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的儲(chǔ)存和調(diào)用。因此，最初，該團(tuán)隊(duì)猜測(cè) NAET1 和 NAET2 與 NPF 家族其它成員類似，在細(xì)胞質(zhì)膜上控制著NA的排出，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)并非如此。

晁代印團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，NAET1 和 NAET2 并不位于細(xì)胞質(zhì)膜或液泡膜，而是位于細(xì)胞內(nèi)一種特殊的小囊泡上，這種囊泡也是由一種半透膜組成。這使得 NAET1 和 NAET2 運(yùn)送 NA 出細(xì)胞的作用機(jī)制非常巧妙，它們先把NA運(yùn)送到這種小囊泡里面，而當(dāng)這些小囊泡運(yùn)動(dòng)到細(xì)胞質(zhì)膜位置的時(shí)候，囊泡膜就會(huì)與細(xì)胞質(zhì)膜融合，兩者融合后囊泡的內(nèi)部就翻轉(zhuǎn)變成了細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)，而囊泡中的NA也因此被釋放到細(xì)胞外。

晁代印表示：“這是一個(gè)非常精巧的機(jī)制，以前只在動(dòng)物細(xì)胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)觀察到這種現(xiàn)象，植物運(yùn)輸NA的這種方式，遠(yuǎn)比我們預(yù)想的要聰明?！?/p>

假設(shè) NAET1 和 NAET2 位于細(xì)胞質(zhì)膜上，NA 的運(yùn)輸效率不僅會(huì)很低，還會(huì)遇到很多阻礙。因?yàn)檫@種假設(shè)條件下NA不僅需要時(shí)間從細(xì)胞內(nèi)合成處擴(kuò)散到質(zhì)膜處才能得以運(yùn)輸，而且在擴(kuò)散的途中還可能遇到大量金屬離子，而NA一旦結(jié)合了金屬離子后就無(wú)法再被運(yùn)送到細(xì)胞之外，如果以實(shí)際的這種方式則可以避免上述問(wèn)題。

細(xì)胞質(zhì)里面這種很小的顆粒狀囊泡首先可以增大吸收表面積，其次散布于細(xì)胞內(nèi)各處的囊泡使得 NA 一旦被合成就可以快速的轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡里面，而囊泡膜隔絕了運(yùn)送過(guò)程中其它離子與NA結(jié)合的可能性。這相當(dāng)于一個(gè)濃縮機(jī)制，它使整個(gè)運(yùn)輸效率更為快速和高效。

用 “小船” 協(xié)助鐵離子長(zhǎng)距離運(yùn)輸

“小船” 還可預(yù)防老年癡呆等疾病

物質(zhì)被運(yùn)輸?shù)鞍讖募?xì)胞質(zhì)膜一側(cè)運(yùn)輸?shù)搅硗庖粋?cè)被稱為“短距離運(yùn)輸”，而從一個(gè)器官運(yùn)送到另外一個(gè)器官則被稱為 “長(zhǎng)距離運(yùn)輸”，鐵從植物根、葉運(yùn)送到籽粒的過(guò)程就是典型的后者。與短距離運(yùn)輸相比，長(zhǎng)距離運(yùn)輸更為復(fù)雜。晁代印以城市間鋼材運(yùn)輸?shù)睦樱蜗笊鷦?dòng)地解釋了NA是如何協(xié)助鐵離子長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)膬?nèi)在機(jī)理。

“如果我們可以把種子、種子根部、木質(zhì)部及韌皮部、NA 分別比喻成上海、武漢和長(zhǎng)江和船，如果想把鐵從武漢運(yùn)輸?shù)缴虾?，第一件事不是把鐵直接放到長(zhǎng)江里面，而是要把鐵放到船上，用船將鐵運(yùn)輸上海，那么 NA 就起到船的作用，如果沒(méi)有船作為運(yùn)輸載體，鐵就會(huì)沉入江底，不可能運(yùn)輸至上海。”晁代印向記者表示。

NAET1 和 NAET2 就這樣通過(guò)控制 NA 的短距離運(yùn)輸，控制了鐵的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。當(dāng)然，NA 不僅可以運(yùn)輸鐵離子，還可以幫助銅離子及其它的二價(jià)陽(yáng)離子的運(yùn)輸。

更有意思的是，晁代印研究員介紹到，“NAET1 和 NAET2 對(duì)于植物和人類健康都很重要，不僅僅在于它們控制了籽粒中的鐵，它們同時(shí)也控制了 NA 在籽粒中的含量。

而 NA 本身對(duì)人體也有諸多好處，比如，NA 可以逆轉(zhuǎn)抗?fàn)I養(yǎng)因子對(duì)鐵的螯合，促進(jìn)人體對(duì)鐵的吸收，還可以用來(lái)降血壓，預(yù)防老年癡呆等疾病。NAET 蛋白在食品健康領(lǐng)域也具有廣闊作用，可以把NA合成的基因和 NAET 蛋白的編碼基因一起導(dǎo)入到酵母細(xì)胞，利用合成生物學(xué)合成大量的NA并添加到食品中去，也可幫助補(bǔ)血補(bǔ)鐵，預(yù)防高血壓和老年癡呆。”

困難不足懼，愈磨劍愈亮

因?yàn)?nbsp;NAET 蛋白是定位在尺寸極小的囊泡里面，所以無(wú)法直接利用常規(guī)電生理或攝入實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)活性。

該團(tuán)隊(duì)因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題，曾一度陷入長(zhǎng)時(shí)間的困擾之中。他們嘗試了各種方法試圖改變這兩個(gè)蛋白的定位，但經(jīng)過(guò)將近兩年的摸索還是以失敗告終。他們?cè)脒^(guò)放棄，讓問(wèn)題留待后人解決，但出于對(duì)科學(xué)完美的追求，他們沒(méi)有放棄。

最終，該團(tuán)隊(duì)利用超速離心的方式將含有 NAET 蛋白的微粒體分離出來(lái)，然后將 NA 與含有 NAET 蛋白的微粒體一起孵育，直接證實(shí)了 NAET1 和 NAET2 具備轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的動(dòng)力學(xué)特征，是作為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將NA轉(zhuǎn)運(yùn)到特定囊泡中的。這使得該研究成果有以下三大亮點(diǎn)：

第一，研究清楚了NA分泌到細(xì)胞外的具體過(guò)程，解決了長(zhǎng)期以來(lái)營(yíng)養(yǎng)學(xué)亟待回答的問(wèn)題。

第二，創(chuàng)造了新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系，可為將來(lái)類似科學(xué)研究提供一定的借鑒。譬如，如何通過(guò)酵母異源表達(dá)方式篩選相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，如何利用底物分子結(jié)構(gòu)的相似性去推測(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，以及利用微粒體去做轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的動(dòng)力學(xué)特征等。

第三，在植物中發(fā)現(xiàn)了具有類似于動(dòng)物神經(jīng)遞質(zhì)的運(yùn)輸方式，表明了動(dòng)植物生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律可能比原來(lái)想象的更為相似。

晁代印研究員還介紹了植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域的其它一些常見(jiàn)的困難。比如，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更容易受環(huán)境影響，往往需要大量的重復(fù)以及嚴(yán)格控制變量。但這方面的研究意義很大，與食品安全、環(huán)境保護(hù)以及人類身體健康全都息息相關(guān)。

“我們不畏困難，將來(lái)會(huì)繼續(xù)提升我們的研究，現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)玉米和水稻里面的同源基因和類似的基因進(jìn)一步研究了，接下來(lái)會(huì)更多地聚焦于農(nóng)作物研究?！标舜「嬖V記者 。

熱衷猜測(cè) “上帝的謎語(yǔ)”

爭(zhēng)做科學(xué) “珠峰” 第一人

據(jù)悉，晁代印從 2001 年就開(kāi)始投身于科研事業(yè)，至今已有 20 個(gè)年頭，支撐其枯燥科研生活的最大動(dòng)力是 “對(duì)自然的好奇心” 和 “自我實(shí)現(xiàn)感”。

他將大自然比作上帝，甚至將探究生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律看作是在猜上帝的謎語(yǔ)，當(dāng)發(fā)現(xiàn) NAET 蛋白的奧秘時(shí)，更加驚嘆于 “上帝” 造物的巧妙性，并將這種感覺(jué)比作 “上帝的獎(jiǎng)賞”。

具體到植物領(lǐng)域來(lái)講，“當(dāng)我看到種子從發(fā)芽到開(kāi)花結(jié)果，年復(fù)一年的循環(huán)，應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境變化對(duì)人生也是一種啟發(fā)，每當(dāng)我在科研道路上遇到困難時(shí)，總會(huì)想盡一切辦法去解決，當(dāng)困難被克服，仿佛有一種登上珠穆朗瑪峰的感覺(jué)，我常跟學(xué)生們講，一定要有要勇攀科研珠峰的勇氣。” 晁代印向記者表示。

除了對(duì)大自然先觀為妙的成就感，晁代印希望自己的研究成果將來(lái)可以造福于人類，如果能夠增強(qiáng)鐵在谷物里面的含量，對(duì)人類解決農(nóng)作物的問(wèn)題具有很大的幫助，那么我就真正做到學(xué)以致用的要求了。

編輯：王星

責(zé)任編輯：唐聞佳

來(lái)源：DEEPTECH深科技

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