德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所Nat. Commun. | Mössbauer光谱研究生理[2Fe-2S]簇组装关键机制

文摘科学 2024-11-02 09:47 辽宁

近日，德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所 Bonnie J. Murphy 与马尔堡菲利普斯大学细胞生物学研究所 Roland Lill 课题组在 Nature Communications 上报道了题为“Mechanism and structural dynamics of sulfur transfer during de novo [2Fe-2S] cluster assembly on ISCU2”的最新研究成果。

研究内容

铁硫（Fe/S）簇是存在于几乎所有生物体中的古老无机蛋白辅因子，参与许多生物过程，包括呼吸、代谢、DNA 复制和修复、翻译、调节和抗病毒防御。尽管 Fe/S 簇的化学简单性，但它们的生物合成和插入载脂蛋白需要复杂的蛋白质机制。线粒体 Fe/S 蛋白生物发生始于支架蛋白 ISCU2 上 Fe²⁺ 和 Cys 衍生的过硫化物（SSH）的 [2Fe-2S] 簇的从头组装。组装需要由 ISCU2、半胱氨酸脱硫酶亚复合物 NFS1-ISD11-ACP1、FXN 和铁氧还蛋白 FDX2组成的多蛋白“核心 ISC 复合物”。组装好的 [2Fe-2S] 簇然后通过专用的 HSP70 伴侣系统从 ISCU2 中释放出来，并通过大量 ISC 运输和靶向因子转移到线粒体客户端 Fe/S 载脂蛋白。尽管对核心 ISC 复合物进行了大量生化和结构研究，但在分子水平上对 ISCU2 上从头 [2Fe-2S] 簇组装的生化机制知之甚少。在该工作中作者研究定义了生理 [2Fe-2S] 簇组装的关键机制阶段，并阐明了共济蛋白在这个基本过程中的分子作用。

本文要点

该工作结合使用结构、生化和光谱方法来解决线粒体从头 [2Fe-2S] 簇合成过程中硫转移的分子机制。在结构和生化上鉴定硫转移前后的过硫化物中间体，了解 FXN 的分子作用，鉴定参与硫转移的 ISCU2 组装位点残基，以及定义各种反应过程中 Fe 配位的动态变化。提供了对核心 ISC 复合物内硫转移机制和结构动力学的分子理解。此外，它阐明了 FXN 在此过程中的分子作用，这可能与弗里德赖希共济失调治疗方法的开发有关。下面是通过穆斯堡尔谱得到的相关信息：

要点1. 识别 ISCU2 结合的铁物种： 通过分析 Mössbauer 光谱，研究人员识别出两种不同的 ISCU2 特定 Fe²⁺ 物种，分别为 ISCU2 特异性组分 1（异构体位移 δ = 0.89，四极杆分裂 ΔEQ = 3.4-3.6 mms^-1）和特异性组分 2（异构体位移 δ = 1.10-1.14，四极杆分裂 ΔEQ = 3.15-3.70 mms^-1）表示。其中组分 1 具有四方配位，是 (Fe-NIAU)2 中的主要 ISCU2 特异性 Fe 种类，而组分 2 具有八面体配位，在含 FXN 的 (Fe-NIAUX)2 和 (Fe-NIAUSX)2 复合物中构成了 ISCU2 特异性 Fe 种类的主要部分。

要点2. 铁配位变化：组分 1 主要存在于未加 FXN 和 Cys 的 (Fe-NIAU)2 复合物中，表明在形成 (Fe-NIAU)2 复合物时，ISCU2 以四方配位与 Fe²⁺ 结合。随着 FXN 和 Cys 的添加，组分 2 的含量逐渐增加，尤其是在 FXN 存在的情况下，表明 FXN 和 Cys 的添加促进了 ISCU2 铁配位状态的转变。

要点3. FXN 和 Cys 对铁配位的影响：FXN 的结合和 Cys 的添加都导致 ISCU2 铁配位状态的转变。FXN 的结合导致 His137^ISCU2 移动到一个由 Pro163^FXN 和 Trp155^FXN 形成的疏水口袋中，而 Cys69^ISCU2 移动得更远，从而使 Cys138^ISCU2 更靠近 Fe²⁺ 和 Cys381^NFS1。Cys 的添加导致 Cys381^NFS1 形成过硫酸盐，并与 Fe²⁺ 配位，但同时也改变了 ISCU2 铁配位状态。

要点4. 铁配位平衡：Mössbauer 数据表明，ISCU2 铁配位状态之间存在动态平衡，该平衡可以通过 FXN 和 Cys 的添加而改变。组分 1 和组分 2 的相对含量反映了这种平衡状态。

小结

真核生物中的 Fe/S 蛋白生物发生始于线粒体内 [2Fe-2S] 簇的从头合成，涉及几个步骤：（1）半胱氨酸脱硫酶复合物 NFS1-ISD11-ACP1 从游离 Cys 中释放硫，（2）FXN 刺激的 NFS1 结合的过硫化物转移到具有 Fe²⁺ 结合的支架蛋白 ISCU2，（3）FDX2 依赖性过硫化物还原为硫化物，（4）两个含 [1Fe-1S] 的 ISCU2 在不同的核心 ISC 复合物上相互作用形成 [2Fe-2S] 簇。迄今为止，人们对产生 [2Fe-2S] 簇的 ISC 蛋白如何处理 Fe 和硫的许多分子机制细节知之甚少。作者在厌氧条件下结合使用结构生物学、生物化学和 Mössbauer 光谱法，对这一多阶段过程的各种中间体进行结构和生化表征，包括含有瞬时过硫化物的中间体。定义了过硫从 Cys381^NFS1 到接收 Cys138^ISCU2 的途径，并阐明在这个硫运输过程和 ISCU2 结合的 Fe 配位中五个必需的 ISCU2 活性位点残基的构象重排。

参考文献：

Schulz, V., Steinhilper, R., Oltmanns, J. et al. Mechanism and structural dynamics of sulfur transfer during de novo [2Fe-2S] cluster assembly on ISCU2. Nat Commun 15, 3269 (2024).

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47310-8

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●Science | 原位穆斯堡尔谱确定MOF活化氧产生的高自旋铁(IV)-氧位点

●Science | 同步辐射穆斯堡尔谱观测奇异金属的临界电荷模式

●纽约州立布法罗大学Nat. Catal. | 穆斯堡尔谱助力打破Fe-N-C氧还原燃料电池催化剂的活性-稳定性平衡

●美国威斯康星大学JACS | 穆斯堡尔谱定量Fe-N-C催化剂活性位点和化学动力学与分子探针方法的相关性

●日本九州大学JACS | 穆斯堡尔谱研究自旋交叉[FeCo]配合物中电子重排增强磁电性质

●美国加州理工学院Nat. Commun | 穆斯堡尔谱研究地核-地幔边界压力下FeO的熔化和缺陷转变

●耶鲁大学JACS | 穆斯堡尔谱确定碳氮材料中明确结构的铁位点