线粒体铁硫蛋白生物合成：生命过程的关键机制探索

为探究线粒体在真核细胞中的关键功能，研究人员对铁硫（FeS）蛋白生物合成展开研究，揭示其机制及重要意义。

　　线粒体，这个被称为细胞 “能量工厂” 的微小细胞器，长期以来人们都认为它主要通过氧化磷酸化（OxPhos）合成生物化学能量来源 ATP，为细胞活动供能。然而，生命总是充满了意外，人们发现一些酵母和人类细胞，比如 rho⁰细胞，即便失去了功能性的氧化磷酸化，依然能够存活。这就像一个没有发动机的汽车却还能行驶，令人困惑不已，也让科学家们不禁思考：线粒体到底还有什么功能，对真核细胞来说如此不可或缺？

为了解开这个谜团，来自德国马尔堡大学合成微生物学中心细胞生物学研究所（INSTITUT FüR ZYTOBIOLOGIE IM ZENTRUM FüR SYNTHETISCHE MIKROBIOLOGIE SYNMIKRO, UNIVERSIT?T MARBURG）的 Roland Lill 团队深入开展研究。他们的研究成果发表在《BIOspektrum》上，为我们揭示了线粒体鲜为人知但至关重要的一面。

研究人员主要运用了多种技术手段。在探究过程中，他们通过基因编辑技术（如调控启动子、RNA 干扰或 CRISPR 方法）对相关基因进行敲除或沉默，以此研究特定基因在铁硫蛋白生物合成中的作用。还利用放射性标记技术，用⁵⁵Fe 同位素标记铁硫簇，追踪其在细胞内的传递过程。此外，借助冷冻电镜技术，解析相关蛋白复合物的结构，从分子层面探究铁硫蛋白生物合成的机制。

铁硫蛋白生物合成的重要性及相关蛋白的关键作用

铁硫（FeS）簇作为无机蛋白质辅因子，在电子转移（如氧化磷酸化过程）、酶催化、硫供体以及多种细胞过程调节中发挥着关键作用。其生物合成起始于线粒体，由铁硫簇组装（ISC）机制主导，这一过程涉及多达 18 种 ISC 蛋白。首先，早期 ISC 蛋白负责 [2Fe - 2S] 簇的从头合成，并将其插入线粒体脱辅基蛋白中，这是细胞存活必不可少的步骤。随后，晚期 ISC 蛋白通过还原融合两个 [2Fe - 2S] 簇，辅助线粒体 [4Fe - 4S] 蛋白的组装。

研究发现，早期 ISC 蛋白不仅对线粒体铁硫蛋白合成至关重要，还参与细胞质铁硫蛋白的生物合成，而这一过程由细胞质铁硫蛋白组装（CIA）机制完成。大多数 CIA 蛋白由必需基因编码，众多细胞质和细胞核中的 [4Fe - 4S] 靶蛋白需要组装好的铁硫簇才能发挥功能，比如细胞质中的 ABCE1（酵母中为 Rli1）在蛋白质翻译过程中起作用，细胞核中的 DNA 解旋酶、DNA 聚合酶和引发酶对基因组的合成和维持不可或缺。这也就解释了为什么缺失早期 ISC 蛋白，不仅会导致线粒体铁硫蛋白丢失，还会破坏细胞核中 DNA 的完整性。

线粒体 ABC 转运蛋白 ABCB7（酵母中为 Atm1）在早期 ISC 蛋白与细胞质之间起到关键的连接作用。它依赖 ATP 将一种尚未完全明确的底物从线粒体转运到细胞质，以促进细胞质中脱辅基蛋白的铁硫簇成熟。研究还发现，三肽谷胱甘肽（GSH）在 ABCB7 转运过程中不可或缺，缺乏线粒体 GSH 转运体 SLC25A39 的人类细胞无法组装细胞质和细胞核中的铁硫蛋白，这表明线粒体 GSH 在这一过程中至关重要。而且，从酵母 Atm1 的晶体结构来看，结合的 GSH 位于假定的底物结合口袋中，因此推测转运的底物可能是 GSH 稳定的 [2Fe - 2S] 簇，但这一假设还需进一步实验验证。

线粒体样细胞器与铁硫蛋白生物合成的关系

线粒体样细胞器 —— 纺锤剩体（Mitosomen）的发现，为线粒体在铁硫蛋白生物合成中的关键作用提供了有力证据。纺锤剩体是在进化过程中，由于几乎所有线粒体蛋白基因丢失而形成的细胞器。有趣的是，在含有纺锤剩体的生物中，通常仅保留了线粒体蛋白导入、折叠以及早期 ISC 系统相关基因。研究人员通过重组表达纺锤剩体的早期 ISC 蛋白，并在体外验证了其在 [2Fe - 2S] 簇合成中的功能。不过，目前尚未发现具有细胞质定位的早期 ISC 系统的生物，这或许意味着早期 ISC 蛋白在细胞质中无法正常发挥功能。而像 Oxymonade Monocercomonoides exilis 这种完全没有线粒体或纺锤剩体的生物，利用从细菌获得的 SUF 机制，结合简化的 CIA 系统，实现了铁硫蛋白的生物合成，这再次凸显了酶促铁硫蛋白生物合成对真核细胞的重要性。

铁硫蛋白生物合成的基本原理

近二十年的研究表明，铁硫蛋白生物合成在几乎所有细胞系统和区室中遵循相似的原理。简单来说，铁硫簇（无论是 [2Fe - 2S] 型还是 [4Fe - 4S] 型）首先在支架蛋白上合成，然后暂时转移到转运蛋白上，转运蛋白可以直接或借助特定的靶向蛋白将铁硫簇插入脱辅基蛋白中。通过对 ISC 或 CIA 因子中的铁硫簇进行放射性标记，并利用基因编辑技术敲除相关蛋白，研究人员发现敲除支架蛋白会导致所有蛋白上都没有铁硫簇，而敲除后期起作用的转运和靶向蛋白只会影响后续相关蛋白及靶蛋白。不过，体外实验由于转运和靶向蛋白可可逆交换结合的铁硫簇，导致运输方向难以明确。

线粒体中 [2Fe - 2S] 簇合成的分子机制

以线粒体支架蛋白 ISCU2 上 [2Fe - 2S] 簇的从头合成为例，这一过程需要 7 种 ISC 蛋白的协同作用。首先，半胱氨酸脱硫酶复合物 NFS1 - ISD11 - ACP1 将游离半胱氨酸与 NFS1 结合的磷酸吡哆醛内部醛亚胺转化为外部半胱氨酸醛亚胺 / 酮亚胺，半胱氨酸的硫转移到 NFS1 活性中心的半胱氨酸残基（Cys₃₈₁^NFS1）上，形成过硫化物（-SSH）和游离丙氨酸。Cys₃₈₁^NFS1的过硫化物通过柔性臂摆动与 ISCU2 结合的铁离子（Fe^{2 +}）配位。铁离子由 Mitoferrin1/2 转运到线粒体基质中。在这一过程中，ISC 蛋白 Frataxin（FXN）能将硫转移速度提高约 30 倍。通过 X 射线和冷冻电镜结构数据发现，FXN 结合到 NFS1 - ISD11 - ACP1 - ISCU2 复合物上后，会使 ISCU2 的 His₁₃₇^ISCU2从活性中心摆动到由 Trp₁₅₅^FXN和 Pro₁₆₃形成的口袋中，从而诱导相关 α - 螺旋旋转，使 Cys₁₃₈^ISCU2靠近铁离子，接受来自 Cys₃₈₁^NFS1过硫化物的硫。这种空间灵活性是硫转移特异性的关键，也解释了为什么其他更靠近供体的半胱氨酸残基不能作为硫受体。

随后，FXN 从 ISC 复合物上解离，为还原型铁氧还蛋白 FDX2 腾出结合位点。FDX2 结合后发生轻微旋转，使其 [2Fe - 2S] 簇靠近 ISCU2 活性中心，实现电子转移，将 Cys₁₃₈^ISCU2过硫化物的硫还原为硫化物，形成（假设的）[1Fe - 1S] 中间体。氧化型 FDX2 解离后，由依赖 NADPH 的铁氧还蛋白还原酶 FDXR 再生。两个携带 [1Fe - 1S] 的 ISC 复合物二聚化，最终在 ISCU2 上形成 [2Fe - 2S] 簇，这一过程中保守的 Tyr₃₅^ISCU2至关重要，它通过形成 Tyr - Tyr 二聚体促进两个携带 [1Fe - 1S] 的 ISCU2 蛋白靠近，以未知途径形成桥连的 [2Fe - 2S] 簇。ISCU2 上暂时结合的 [2Fe - 2S] 簇通过特定的 Hsp40 - Hsp70 类伴侣蛋白转移到谷氧还蛋白 GLRX5 上，然后自发插入脱辅基蛋白中。而晚期 ISC 蛋白（ISCA1、ISCA2、IBA57）通过 FDX2 介导的两个 [2Fe - 2S] 簇的还原融合形成 [4Fe - 4S] 簇，并借助靶向蛋白将其整合到脱辅基蛋白中，但这一过程的具体分子机制还需进一步的结构研究来阐明。

研究人员通过一系列深入研究，揭示了线粒体在铁硫蛋白生物合成中的核心地位，这不仅是线粒体的基本功能，更是真核细胞生存的关键。铁硫蛋白生物合成异常与多种疾病相关，如弗里德赖希共济失调（Friedreich - Ataxie），其致病原因是早期 ISC 蛋白 Frataxin 功能缺陷。近期还发现了由 CIA 基因突变导致的疾病。对这一过程的深入理解，为相关疾病的研究和治疗提供了重要的理论基础，也为未来探索生命奥秘、开发新型治疗策略指明了方向。后续，研究人员有望借助更先进的技术手段，如更高分辨率的冷冻电镜技术、更精准的基因编辑技术等，进一步深入探究铁硫蛋白生物合成过程中尚未明确的分子机制，挖掘更多与疾病相关的潜在靶点，推动生命科学和医学领域的发展。