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植物铁吸收调控机制尚不明确，研究人员聚焦拟南芥 BRUTUS（BTS）和 BTS-LIKE2（BTSL2）蛋白开展研究。结果发现其 N 端结构域结合铁及氧化还原特性，为 BTS/Ls 作为铁传感器的机制提供依据，助力植物铁代谢研究。
在植物的生长过程中，铁元素至关重要。它参与众多生理过程，像光合作用、呼吸作用等都离不开铁的 “助力”。然而，细胞和生物体必须严格把控铁的浓度，铁太少会影响正常生长，太多又会因游离铁的氧化还原循环产生毒性，就像一把双刃剑。在植物里，铁的吸收受特定的 E3 泛素 - 蛋白连接酶调控，其中 BRUTUS（BTS）蛋白在双子叶植物中起着关键作用，与之相关的 BTS-LIKE（BTSL）蛋白则在双子叶植物根的铁吸收调节中扮演重要角色。
尽管科学家们知道 BTS 和 BTSL 蛋白与植物铁稳态密切相关，但一直缺乏关键的生化证据来揭示它们的工作机制。比如，BTS 和 BTSL 蛋白到底如何感知铁的浓度变化？它们的结构与功能之间又有着怎样的联系？这些问题就像一团迷雾，笼罩着植物铁代谢的研究领域，也促使科研人员迫切地想要解开这些谜团。
为了突破这一困境，来自英国约翰英纳斯中心（John Innes Centre）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在拟南芥的 BTS 和 BTSL2 蛋白上，试图从分子层面揭示这两种蛋白的奥秘。经过一系列严谨的实验和分析，研究取得了重大突破。研究发现，BTS 和 BTSL2 蛋白的 N 端结构域分别结合三个和两个二铁中心，这些中心能被 O?和 H?O?可逆氧化，而且在还原状态下，部分铁具有动态结合的特性。此外，研究还证实了 BTS 蛋白中 H1 亚结构域铁结合和氧化还原活性受损会影响其在体内的功能。这一系列成果为理解 BTS/L 蛋白作为植物特有的铁传感器的工作机制提供了重要的生化基础，就像为植物铁代谢的研究点亮了一盏明灯，照亮了后续探索的道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。小角 X 射线散射（SAXS）技术用于解析 BTSL2 蛋白 N 端结构域的溶液结构，通过该技术可以了解蛋白质在溶液中的大小、形状等信息；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和定量分析相结合，精确测定了 BTS 和 BTSL2 蛋白中铁的含量及结合比例；电子顺磁共振（EPR）光谱则用于探究蛋白结合铁的氧化还原状态及相关信号变化。
研究结果如下：
- BTS/L 蛋白中 Hr 样序列的保守性：通过重新进行系统发育分析，发现绿色植物谱系中 BTS/L 蛋白的 N 端延伸序列带有三个 Hr 样序列，并且高度保守。大多数相关蛋白都有三个 Hr 样基序，不过在一些植物基因组中也发现了含有较少基序的同源物。而且，基因复制和功能特化在 HRZ/BTS 基因中至少发生了两次。
- BTSL2 蛋白的结构特征：对 BTSL2 蛋白 N 端（BTSL2-N）进行 SAXS 分析，结果表明其三个 Hr 样折叠形成了一个紧密堆积的刚性结构域，这与 AlphaFold2 的预测相符，进一步确定了其溶液结构。
- BTSL2 和 BTS 蛋白的铁结合特性：利用 ICP-MS 和定量分析确定，BTSL2 蛋白的 H1 和 H3 基序各结合一个二铁中心，而 H2 基序缺乏二铁中心；BTS 蛋白则在三个 Hr 样亚结构域中各有一个二铁中心。通过定点突变实验，也证实了这些铁结合位点的关键作用。
- BTSL2 和 BTS 蛋白的氧化还原活性：研究发现，BTSL2 和 BTS 蛋白的 Hr 样铁中心能与 O?和 H?O?发生反应，氧化还原滴定实验表明其反应的化学计量比接近理论最小值。而且，EPR 光谱分析显示，反应过程中蛋白结合铁的状态发生了变化。
- BTSL2 和 BTS 蛋白铁结合的可逆性：实验表明，在氧化状态下，BTSL2 和 BTS 蛋白的二铁位点相对稳定，铁不易释放；但在还原状态下，部分铁可以被铁螯合剂竞争结合并释放出来，且铁结合具有可逆性，重新添加铁后，蛋白能够恢复到原来的状态。
- H1 亚结构域对 BTS 功能的影响：研究人员构建了 BTS 蛋白 dgl 变体，发现该变体蛋白 H1 亚结构域铁结合能力受损，且氧化还原活性改变，在体内的 E3 泛素连接酶功能也受到影响，导致下游铁吸收基因的表达异常。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了 BTS/L 蛋白 N 端 Hr 样结构域的铁结合和氧化还原特性，为其作为铁传感器的激活机制提供了有力支持。在细胞内铁浓度升高时，二铁中心逐渐被填满，当遇到氧化应激，二铁中心快速氧化，增强了铁的结合亲和力，促使蛋白转变为活性构象，进而泛素化相关转录因子，抑制铁的吸收。这一机制的提出，不仅解释了植物如何感知铁浓度并调节吸收，也为后续研究指明了方向。例如，还有一些问题有待进一步探索，如如何区分铁诱导的氧化应激和其他来源的氧化应激，以及 E3 连接酶的激活机制等。同时，该研究成果为通过突变研究深入探究植物体内铁代谢机制奠定了基础，也为改善植物特定组织的铁吸收、实现生物强化提供了潜在的理论依据，有望为解决人类铁营养问题提供新的思路和方法 。
