铁与硫相遇的亲密关系：铁-硫团簇组装机理 | MDPI Inorganics

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文章引言

铁-硫团簇是多种酶的蛋白质辅助因子，具有重要的生物功能。生物体内均具有专门的多蛋白机制来支持其生物合成，包括组装铁-硫团簇的支架蛋白，及以过硫化物形式提供硫的半胱氨酸脱硫酶。然而由于铁和硫的生物化学多功能性和铁-硫团簇的相对不稳定性，其组装理论机制一直未被阐明，但近年来人们基于生化、光谱和结构等研究方法，在体外重建系统领域取得了一系列进展。来自法国萨克雷大学的 Benoit D’Autréaux 教授团队在 Inorganics 发表了文章，综述了 [2Fe2S] 团簇 (所有其他铁-硫团簇的组成部分) 组装机制的最新进展；通过介绍团簇组装、硫化物及双核 [2Fe2S] 簇的产生过程，结合重构系统的生理相关性问题，研究了铁和硫插入支架蛋白的具体机制；报道了共济蛋白在铁-硫团簇生物合成中的功能作用。

研究结果

目前研究者们已确定了四种铁-硫团簇的作用机制：固氮 (Nitrogen Fixation, NIF)、铁-硫团簇 (Iron–Sulfur Cluster, ISC)、硫动员 (Sulfur Mobilization, SUF) 和胞质铁硫团簇组装 (Cytosolic Iron–sulfur Cluster Assembly, CIA)。在真核生物中，需要 30 多种蛋白质来完成铁-硫团簇的组装、运输和插入，而铁硫团簇的合成过程只需要用于组装 Fe-S 团簇的支架蛋白、用于提供硫元素的半胱氨酸脱硫酶和还原酶参与。其输运过程包括在伴侣蛋白和附属蛋白的协助下，将铁硫团簇转移到受体载脂蛋白上 (图 1)。

图 1. 细菌和真核生物 ISC 的主要组成部分示意图。

本文概述了铁-硫团簇聚集的研究进展，介绍了基于 ISC 组装铁-硫团簇的具体机理，以及基于 NIF 和 SUF 方法组装铁-硫团簇的机理和过程 (由于目前仍旧无法确定 CIA 是否能够合成 [2Fe2S]，因此本文不讨论该主题)。IscU/ ISCU 是一种 15 kDa 高度保守的小蛋白，在体内与所有其他 ISC 组分共表达时能够结合一个不稳定的 [2Fe2S] 簇，因此被确定为支架蛋白。金属滴定和三维结构的实验结果表明，从细菌细胞中纯化的 IscU/ ISCU 蛋白在组装位点并不含铁，而是含有锌离子 (图 2)，这是由于锌对 IscU/ IscU 的亲和力高于铁。

图 2. (A) ISCU 锌位点结构；(B) 不含共济蛋白和 (C) 含共济蛋白的 ISCU 结构示意图。

基于 ISC 方法组装铁-硫团簇的过程如下：(1) 在螯合酶作用下，IscU/ISCU 将首先释放出锌原子；(2) 半胱氨酸脱硫酶以过硫化物的形式提供硫，并与半胱氨酸结合，实现硫原子的插入；(3) 在催化半胱氨酸上形成过硫化物后，Fe²⁺ 离子与过硫化物相互作用，产生 Fe³⁺ 和硫化物离子；(4) 最后，通过设计实现 IscU/ IscU 二聚合来形成双核 [2Fe2S] 团簇 (图 3)。此外，共济蛋白在铁-硫团簇组装的调控时还会对半胱氨酸脱硫酶活性、过硫转移过程产生影响。

图 3. IscU/ISCU 二聚合形成 [2Fe2S] 簇的假设模型：(1) 两个 ISCU 的二聚作用配以一个单一核 [1Fe1S] 中间体，在 ISCU 的二聚体中生成一个桥接 [2Fe2S] 团簇；(2) [2Fe2S] 在一个单体上分离；(3) 二聚体解离生成一个空单体和一个含有 [2Fe2S] 团簇的单体。

综述内容

本文详细介绍了基于 ISC 方法组装 [2Fe2S] 团簇的过程，包括：铁原子的组装；硫原子的组装；Fe²⁺ 离子与过硫化物相互作用产生氧化的 [2Fe2S]²⁺ 团簇；形成 [2Fe2S] 团簇。该过程阐明了共济蛋白的功能和作用，证明了其作为过硫转移的动力学调节剂的作用。此外，本文还分别介绍了基于 NIF 和 SUF 方法组装铁-硫团簇的机理和过程，本综述为 [2Fe2S] 团簇的组装方法、过程和理论机制提供了系统性的参考。

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原文出自 Inorganics 期刊

Srour, B.; Gervason, S.; Monfort, B.; D’Autréaux, B. Mechanism of Iron–Sulfur Cluster Assembly: In the Intimacy of Iron and Sulfur Encounter. Inorganics 2020, 8, 55.

   Inorganics 期刊介绍

主编：

Duncan H. Gregory, University of Glasgow, UK

期刊范围涵盖固体无机化学、配位化学、生物无机化学、有机金属化学、无机材料化学、理论无机化学、超分子化学和应用无机化学等，着重报道新的和已知无机化合物的合成、热力学、动力学性质、谱学、结构和成键等性能。

2021 Impact Factor	3.149
2021 CiteScore	5.1
Time to First Decision	12.8 Days
Time to Publication	36.5 Days

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赖寿强 博士研究生

厦门大学

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