横滨市立大学研究生院生命医科学研究科的高桥捷也（博士生）、Jeremy R.H.Tame教授、西泽知宏教授、李勇灿助教等组成的研究团队，与丹麦奥胡斯大学、美国内布拉斯加大学以及大阪大学蛋白质研究所的栗栖源嗣教授、川本晃大助教等合作发表研究成果称，通过冷冻电镜单粒子解析，明确了鳄鱼血红蛋白的立体构造以及使得鳄鱼能够长时间潜水的特有的异位控制相关的碳酸氢根离子与鳄鱼血红蛋白的结合方式。这一发现将有助于理解血红蛋白等普遍分子的生物进化机制。相关研究成果于8月2日发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。
大分县别府市鳄鱼园中的鳄鱼（摄影：客观日本编辑部）
血红蛋白是一种在血液中负责运输氧的蛋白质，在所有生物体中都发挥着共通的功能。血红蛋白中的两个α亚基和两个β亚基分别结合形成四聚体结构，每个亚基都含有一个被称为血红素的红色铁离子复合物，能够与一个氧分子结合。氧与血红素结合后，血红蛋白四聚体就呈R（Relaxed）型“开放”结构；氧与血红素脱离后，血红蛋白四聚体就转换为T（Tense）型“闭合”结构。
在大多数脊椎动物中，这种结构变化是在有机磷酸的作用下通过异位来控制的。异位控制是指，血红蛋白四聚体的一个亚基与氧结合后，会将结构变化连锁性地传递给四聚体的其他亚基，从而提高对氧的亲和性，通过这种机制血红蛋白与氧的结合和解离过程协调发生。
40多年前科学家们就已发现，只有鳄鱼能够不受有机磷酸的作用，而是受到碳酸氢根离子作用的影响。这种碳酸氢根离子的作用使得鳄鱼能够长时间潜水，但由于无法获得高质量的晶体，所以用X射线晶体结构分析来解析碳酸氢根离子的作用机理一直是件困难的事情。
为此，本次研究通过冷冻电镜单粒子解析方法来明确鳄鱼血红蛋白的结构。研究结果成功揭示了氧结合态、一氧化碳结合态和氧解离状态（脱氧态）三种状态下的鳄鱼血红蛋白立体结构。
图a）一氧化碳结合态鳄鱼血红蛋白的冷冻电镜密度图；b）脱氧态鳄鱼血红蛋白的冷冻电镜密度图。α1、β1、α2和β2亚基分别以洋红色、青色、青柠色和橙色显示。血红素以黄色显示。（供图：横滨市立大学高桥捷也）
而且研究人员通过脱氧态鳄鱼血红蛋白的立体结构发现，血红蛋白四聚体的α亚基和β亚基的界面上结合了合计两个分子的碳酸氢根离子，结合位点与其他脊椎动物血红蛋白中的有机磷酸结合位点也不同，说明这是鳄鱼血红蛋白独立获得的机制。
碳酸氢根离子可以被合计8种氨基酸识别，研究人员发现在鳄鱼体内两种氨基酸置换（β亚基的第38个苏氨酸和第41个苯丙氨酸）是获得碳酸氢根离子作用的关键。
本次研究成果今后还有望应用于输血用途的人造血液等医疗领域。
西泽教授表示:“鳄鱼血红蛋白的独特性质早在40多年前就有过报告，但其详细机制一直未被查明。在我来到横滨市立大学并成立研究室后，遇到了血红蛋白专家Tame教授，他建议用冷冻电镜来测定那些长期存放在冰箱里的样本，从而开始了联合研究。非常高兴我们利用冷冻电镜技术最终取得了如此有意义的成果。”
原文：《科学新闻》翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：The unique allosteric property of crocodilian haemoglobin elucidated by cryo-EM
DOI：10.1038/s41467-024-49947-x