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铁元素的摄入对致病菌在宿主体内的生存与繁殖至关重要。致病菌为了从宿主体内获取足够的铁，进化出一套摄取和降解血红素的机制。进入细菌细胞质的血红素通常被胞内血红素结合蛋白所结合保存或被血红素氧合酶降解。本实验室先期解析了幽门螺旋杆菌(H.pylori)血红素氧合酶HugZ的晶体结构，发现这是一类全新split-barrel结构血红素氧合酶，且与已知结合血红素的蛋白结构都不相同。本研究论文第一部分工作主要通过一系列定点突变分析研究HugZ的结构与功能关系。在之前的基础上，我们构建了重要保守残基Arg166和His245的突变体，测试了它们的活性，并测定了R166A与H245A的血红素复合物2.55(A)分辨率晶体结构，发现R166侧链的缺失改变了氧分子与血红素铁结合所需的氢键网络导致HugZ失活;而H245A突变体仍有血红素氧和酶活性，对这个突变体的晶体结构研究显示，His249可借助HugZ末端Loop的柔性代替His245与血红素结合，补偿245位His缺失的作用。双位点突变体H245A/H249A与C末端缺失HugZ的截短体(1-232)的酶学光谱实验结果显示它们同样具有血红素氧和酶活性，说明His245或His249与HugZ的催化活性无关;突变体R166K与R166Q在降解血红素的同时不能生成胆绿素，进一步证明了Arg166残基对HugZ正确降解血红素的重要性。以上结果说明HugZ的催化中心不同于之前发现的血红素氧合酶。
本论文还对与HugZ序列同源但功能相异的霍乱弧菌(V.cholerae)血红素代谢相关蛋白HutZ进行了结构-功能研究。HutZ与HugZ对各自所在的菌株利用血红素作为铁源起决定性作用，但HutZ没有血红素氧和酶活性。通过序列比对和基因组分析，我们发现HutZ与HugZ的C端结构域具有很高的同源性，HugZ的催化关键残基Arg166与His245在HutZ中均保守存在(对应残基为Arg92与His170)，且HugZ与HutZ在各自的血红素代谢通路中处于相同位置。HutZ与HugZ两个蛋白之间最显著的区别是HutZ缺失了后者的N端结构域。为了研究这个结构域是否在HugZ的氧在酶催化机制中起着重要作用，我们切除了HugZN端的81个氨基酸残基，酶学反应结果显示HugZ和HutZ反应产物存在明显区别;而N端结构域的缺失没有改变HugZ降解血红素生成胆绿素的活性，只是加快了反应的速率。为了说明造成HugZ与HutZ功能区别的原因和进一步了解血红素氧合酶的催化机制，我们解析heme-HutZ复合物2.8(A)分辨率晶体结构，HutZ的总体结构和血红素结合方式与HugZ非常类似。通过HugZ与HutZ的结构对比，我们发现尽管Arg92与Arg166具有相似的侧链取向，但在HugZ质子传递链中位于Arg166下游的亲水性残基Arg168和Arg219在HutZ中被替换侧链较短的疏水残基Thr94和Leu144，导致HutZ的质子传递链被破坏，不能从外界环境正常获取降解血红素所需的电子与质子，使HutZ与血红素的反应不同于HugZ。研究结果揭示了与血红素氧合酶活性相关的其他关键性残基。
以上两部分工作在结构与功能上鉴定了HugZ活性相关的重要残基，Arg166残基及其所在的质子传递链是这一类新发现的血红素氧合酶正确降解血红素所必须的结构基础，而与血红素中铁原子配位的His245以及HugZ蛋白的N端结构域可能不是这个蛋白的酶活机制所必需。