动物磁导航：蛋白质磁性从哪里来？

引言：近日，中国科学院强磁场科学中心的谢灿课题组对动物磁导航中关键蛋白磁受体MagR的蛋白质磁性进行了研究，发现鸽子MagR同时结合单核铁和铁硫簇两种类型的金属辅基，且鸽子MagR的铁含量远高于其细菌同源蛋白IscA。尤其有意思的是，研究人员还发现铁结合和铁硫簇结合两者对鸽子MagR的蛋白质磁性缺一不可且协同作用。该研究结果以“Towards magnetism in pigeon MagR: Iron- and iron-sulfur binding work indispensably and synergistically”为题，于2023年01月18日在国际学术期刊Zoological Research以封面文章发表。

封面图片：Portrait of a pigeon against the backdrop of Earth and structural model of the MagR/Cry protein complex that guides pigeon navigation. Iron binding and iron-sulfur binding exhibit an indispensable synergistic effect on pigeon MagR magnetism.

封面设计：Gao-Wei Wang, Li-Bin Wu, Can Xie

正文：

长距离的导航能力对许多动物来说至关重要，它们依赖这种能力寻找栖息地、食物和繁殖地。许多动物在漫长的进化中，逐渐演化出对微弱地磁场的感知能力，实现令人类惊叹的长距离导航和精准定位功能。

关于动物迁徙与地磁场之间的关系，最早可以追溯到1855年的一项研究。俄罗斯动物学家Aleksandr von Middendorf记录并绘制了多种候鸟的迁徙路线，发现不同的候鸟在迁徙中似乎都遵循朝北飞行的趋势，他认为候鸟是利用地球的磁场进行导航和定位的。但这一观点，在历史上曾经一度被认为是伪科学，直到1965-1966年才迎来这个学科的转折点。德国的Wolfgang & Roswitha Wiltschko 夫妇用实验证实磁场影响鸟类的迁飞，其后又历经10年，该实验被国际上多个实验室重复，从而在学术界形成了磁场在动物导航中起着关键作用这一共识。

动物磁感应和磁导航的原理一直是自然科学中备受关注的基本科学问题，也是生物学和物理学等多学科高度融合和交叉的研究领域。然而动物到底如何感知微弱的地磁场，直至今天，仍是未解之谜。在过去一百多年的研究历史中，很多理论模型相继被提出，目前主要有（1）基于磁铁矿颗粒的磁感应模型；（2）基于隐花色素（Cry）的化学自由基对的磁感应模型也称为量子罗盘，和（3）谢灿课题组在2015年提出的基于磁受体(MagR)和MagR/Cry复合物的生物指南针模型（图1）。

图1、当前动物磁感应的三种主流模型小结（修改自Lohmann, Nature Materials，2016）。

不管哪个模型，都面临同一个问题：动物的磁受体或者磁感受器你的磁性和磁敏感性从哪里来？

磁铁矿模型认为是通过生物矿化产生的磁性颗粒对地磁场的响应赋予了动物感知磁场的能力。然而，生物矿化产生磁铁矿颗粒是一个随机的现象，同时也很难想象这种随机产生的无机磁铁矿如何与动物磁导航这么复杂的动物行为联系起来。基于Cry的量子罗盘模型则认为是光致自由基的两种自旋态（单线态和三线态）具有磁敏感性，可以作为磁倾角罗盘，但不能识别磁极（即南北极）信息。而基于磁受体MagR和MagR/Cry的生物指南针模型则认为，磁倾角识别依赖于基于Cry的量子罗盘，但磁极识别则依赖于MagR的内禀磁性，两者合二为一，构成完整的生物量子罗盘（图2）。

图2、基于MagR/Cry复合物的生物量子罗盘的多层级结构与功能图解 （修改自Xie, The Innovation, 2022）

我们已知电子自旋的不同量子态之间的转换对磁场的磁倾角敏感，但，关键的问题是，在磁极的识别上，蛋白质的磁性是如何产生的呢？它和哪些因素有关？

动物磁受体MagR，与细菌中的IscA同源。MagR（IscA）是一个高度保守的蛋白，在铁硫簇组装过程中起着重要的作用。以往的研究表明该蛋白的金属辅基结合情况非常复杂，不只是在不同的物种中，其金属辅基结合能力不同，且不同的研究中的结论也不尽相同。比如说，有研究组报道，酵母与人源的MagR具有单核铁的结合能力（Lill et al., 2012; Lu et al., 2010; Muhlenhoff et al., 2011）；另一个报告指出细菌IscA三个保守的半胱氨酸残基（大肠杆菌为C35、C99和C101）同时结合[2F-2S] 和[4Fe-4S] (Ollagnier-De-Choudens et al., 2001)。而另一课题组则认为大肠杆菌的IscA和人类MagR都只有铁结合活性(Ding and Clark, 2004; Landry et al., 2013; Yang et al., 2015)。

鸽子作为磁导航的明星物种，鸽子磁受体MagR（clMagR）到底具有什么样的金属辅基结合特征呢？谢灿课题组对这一问题进行了系统研究。

此前已经证明了鸽子MagR通过3个保守的半胱氨酸残基（C60、C124和C126）与[2F-2S]和[3Fe-4S]两种铁硫簇结合（Guo et al., 2021）。近日，谢灿课题组发表在ZR的这一工作，进一步发现鸽子MagR不只是能够结合以上两种铁硫簇，同时还能结合单核铁，而细菌的IscA则只结合铁。研究人员还发现鸽子MagR的总铁含量远高于其细菌同源蛋白IscA（图3），可能与鸽子MagR能同时结合两种不同类型的金属辅基有关，也可能相对于其他物种来说，鸽子MagR对金属辅基的结合具有更高的亲和力和稳定性。由此可见，即使是像MagR（IscA）这样在进化中高度保守的蛋白，也有着截然不同的生化性质。这一特点可能在一定程度上解释了为什么这样一个高度保守的蛋白可以介导多种多样的生理功能和磁导航的行为。

图3、鸽子与大肠杆菌中MagR (IscA)的铁结合。A：七个代表物种的MagR序列比对，红色背景氨基酸为保守的铁硫簇结合位点，蓝色背景氨基酸为铁结合位点；B：鸽子MagR(clMagR)和细菌IscA(ecIscA)蛋白的总铁含量对比；C：clMagR和ecIscA的紫外全光谱比较显示clMagR具有经典的铁硫簇吸收峰，而ecIscA以铁结合为主；D-E：鸽子MagR的三维结构模型显示铁结合位点(Y65)和铁硫簇结合位点(C60，C124和C126)相距较远。

鸽子MagR的第65位氨基酸（Y65），被鉴定为其铁结合位点之一，对其进行突变则使得MagR彻底丧失了铁结合能力。鸽子MagR的三维结构模型显示铁结合位点（Y65）和铁硫簇结合位点（C60，C124和C126）相距较远（图3）。进一步的研究表明，铁硫簇的结合独立于单核铁的结合，但单核铁的结合则依赖于铁硫簇的结合。

此前，我们业已知道，鸽子MagR结合不同的铁硫簇会导致磁性的不同，比如说结合了[3Fe-4S]的MagR常常为超顺磁（300K）或者顺磁（5K），但如果只结合[2F-2S]则是微弱的顺磁（5K）或者抗磁性（300K），所以，不同的铁硫簇结合构成了MagR的磁性开关（Guo et al.,2021）。但，当时研究人员并不知道鸽子MagR除了铁硫簇结合之外，还有铁的结合能力。

那，既然鸽子的MagR同时具有单核铁和铁硫簇两种类型的金属辅基结合，这两种不同类型金属辅基的结合是否对MagR的蛋白质磁性也有不同的贡献和影响呢？

在刚发表的这一工作中，研究人员使用超导量子干涉装置（SQUID）磁力计对同时结合了铁和铁硫簇的野生型鸽子MagR（clMagR^WT），只结合铁硫簇而不结合铁的MagR突变体（clMagR^Y65A），铁和铁硫簇均不结合的MagR突变体（clMagR^3M）的蛋白质磁性进行了测量，发现野生型MagR在不同温度下均为顺磁性，缺失了铁和铁硫簇的MagR为抗磁性，这与以前的报道基本一致。说明金属辅基对蛋白磁性是至关重要的。但意外的是，缺失了铁结合，但保留了完好的铁硫簇结合能力的MagR（clMagR^Y65A）竟然只有几乎不可检测的顺磁性（5K低温下，图4A），在室温下则表现出明显的抗磁性（图4B）。

图4、单核铁结合与铁硫簇结合对鸽子MagR的磁性是缺一不可且协同作用。

这一研究修正了此前我们对于磁受体MagR磁性来源的观点。我们第一次发现，鸽子MagR除了结合铁硫簇以外，还有非常高亲和力的单核铁的特异性结合。铁结合与铁硫簇结合对蛋白质的磁性不可或缺，两者缺一不可。MagR的蛋白质磁性需要两者协同作用来维持。有理由相信，这种不同的金属辅基结合对蛋白磁性的复杂调控机制，有可能是动物磁导航所必需的。这一研究不只是为MagR的磁性起源提供了新的解释，也扩展了我们对MagR磁学性质和生物指南针模型这一复杂系统的认知，同时还在分子水平上对高度保守的MagR蛋白如何介导动物磁感应和生物导航的多样性提供了可能的解释。

ZR由中国科学院昆明动物研究所及中国动物学会共同主办，由姚永刚研究员担任主编。ZR目前已被SCIE（2021年影响因子为6.975，排名全球动物学学科176种SCI期刊的第2名，位于Web of Science JCR动物学学科Q1分区）、Scopus（2022年12月6日发布的CiteScore为6.7）、PubMed/PMC、DOAJ和CSCD等国内外重要数据库收录，是中科院期刊分区中位于动物学1区期刊。ZR主要发表以下三方面研究结果：1）灵长类动物与动物模型；2）动物资源保护与利用；3）动物多样性与进化。同时关注新方法、新技术及其应用的交叉学科研究成果与发展态势。

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