线虫“神经血红蛋白”GLB-6：不运氧，专做“氧化警报器”

搁浅

线虫“神经血红蛋白”GLB-6：不运氧，专做“氧化警报器”(DOI: 10.1021/bi100710a)

在秀丽隐杆线虫（C. elegans）基因组里，藏着33个“类血红蛋白”基因。加州大学伯克利分校Marletta小组盯上了其中一个——GLB-6。它与人类神经球蛋白（Ngb）同属“双组氨酸六配位”家族，却拒绝结合CO、NO乃至O₂；相反，它在毫秒级时间内把Fe²⁺“送给”O₂，生成超氧阴离子，并借此调控线虫的聚群行为。1.40 Å晶体结构揭示：缺失D-螺旋、E-螺旋加长，把远端组氨酸“锁”在E11位，形成一条专司氧化还原传感的分子开关。该研究2010年发表于《Biochemistry》，首次为“globin＝传感器”提供原子级证据。
一、为什么是GLB-6？

• 表达位置：RMG神经元——线虫“社交中枢”
• 表型线索：过表达GLB-6可抑制低氧诱导的聚群（McGrath & Bargmann, 个人通信）
• 序列特征：典型globin折叠，但远端口袋狭窄，预示配基亲和性极低
  

二、光谱“指纹”：六配位低自旋
UV-Vis：Fe³⁺ 411 nm/532 nm；Fe²⁺ 425 nm/560-530 nm（α/β≈2）
共振拉曼：ν₄ 1362→1375 cm⁻¹（Fe²⁺→Fe³⁺）；ν₃ 1494→1507 cm⁻¹
→ 与Ngb/Cgb一样，血红素被His254（远端）与His286（近端）“上下夹住”，形成bis-His低自旋中心。
三、拒绝配体的“铁门”
CO、NO、CN⁻在常规压力下均无法产生可检测光谱变化；高压CO仅引起<1 nm蓝移，且拉曼未见ν(Fe-CO)与ν(C-O)。
结构根源：

• E-螺旋加长4个残基，远端His254位于E11而非经典的E7，角度更陡；
• 缺少D-螺旋，C-E直接相连，口袋刚性增加；
• F-螺旋缩短，近端His286半暴露于水，极性环境不利配体稳定。
  

四、“自毁式”氧化：秒级自氧化
停流测定：kobs = 3.7×10³ M⁻¹s⁻¹·[O₂] + 0.075 s⁻¹
→ 空气饱和缓冲液中t½≈0.6 s，比人Ngb快200倍，比人Hb快10⁵倍！
无Fe²⁺-O₂中间体吸收，直接“外层电子转移”生成Fe³⁺ + O₂•⁻。
五、超低氧化还原电位
电位滴定：E°′ = −193 ± 2 mV（vs SHE），低于O₂/O₂•⁻（−160 mV），因此Fe²⁺→Fe³⁺被O₂“热力学允许”。
对比：人Ngb −115 mV，人Cgb −28 mV；GLB-6更“易失电子”，适合作电子供体。
六、1.40 Å晶体结构：锁定配体的“钳形”构象

• 整体：7条螺旋 A-B-C-E-F-G-H，典型globin fold，但D-螺旋完全缺失
• 血红素：Fe-Nε距离2.05 Å/1.98 Å，键长缩短→“强配位”
• 对比：与鼠Ngb Cα-rmsd 2.2 Å；与可结合配基的Geobacter GsGCS相比，A-B-C区段差异显著，解释为何GsGCS仍能结合O₂/CO而GLB-6不能
  

七、生理模型：超氧“脉冲”调控社交
工作假设：
低O₂ → GLB-6保持Fe²⁺ → 超氧生成少 → RMG神经元氧化应激低 → 线虫分散
高O₂ → GLB-6快速自氧化 → O₂•⁻爆发 → 激活下游氧化还原通路 → 抑制聚群
实验支持：过表达GLB-6的转基因虫在低氧（5–12 % O₂）下分散率↑，与野生型差异显著。
八、展望

• 在体电化学/荧光探针：实时监测Fe²⁺/Fe³⁺比例与O₂•⁻水平
• CRISPR敲除+行为学：验证“氧化脉冲-社交输出”因果链
• 非血红素域（1-186 aa）功能：预测含蛋白-蛋白相互作用位点，可能偶联离子通道或转录因子
• 工程化移植：把“超氧开关”搬进哺乳动物神经细胞，构建光-氧化双模探针
  

结语
GLB-6用“拒绝配体、拥抱氧化”的策略，重新定义了globin的功能边界：

• 不是氧载体，而是氧浓度→氧化还原信号的转换器；
• 不是缓慢变构，而是毫秒级自氧化“数字脉冲”；
• 不是单一传感器，而是线虫33个globin网络中的“氧化警报器”。
  这项研究为理解“呼吸蛋白”如何跨界进入“信号转导”提供了范本，也为设计新型氧化还原生物传感器和神经调控工具提供了可借鉴的分子模块。