线粒体铁蛋白(FtMt)揭示独特的铁氧化学机制：与阿尔茨海默病等神经退行性疾病的潜在关联

研究人员针对线粒体铁蛋白(FtMt)在低氧环境下异常的Fe2+氧化机制展开研究，通过EPR和停流光谱技术发现其通过混合价态铁中心(MVFC)和Tyr34自由基激活O2，揭示了与胞质H链铁蛋白(HuHF)的显著差异。该研究为线粒体铁代谢紊乱相关疾病（如阿尔茨海默病）提供了新靶点，发表于《Nature Communications》。

　　

铁是生命活动不可或缺的元素，但它在需氧环境中的氧化还原特性如同一把双刃剑——既能催化关键生化反应，又可能通过芬顿反应产生活性氧(ROS)造成细胞损伤。为了驾驭这种矛盾，生物体演化出铁蛋白(Ferritin)家族，通过将Fe²⁺氧化为惰性的Fe³⁺矿物核心实现铁存储与解毒。在哺乳动物中，线粒体铁蛋白(FtMt)因其独特的亚细胞定位和组织分布（高表达于脑、心脏等高代谢器官），与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病密切相关。然而，与胞质铁蛋白(HuHF)高达80%的序列相似性背后，FtMt的催化机制却存在诸多未解之谜。

英国东安格利亚大学Nick E. Le Brun团队在《Nature Communications》发表的研究，首次揭示了FtMt在低氧条件下通过混合价态铁中心(MVFC)和酪氨酸自由基(Tyr34)激活O₂的独特机制。研究人员结合快速冷冻淬灭电子顺磁共振(RFQ-EPR)和停流光谱技术，发现尽管FtMt与HuHF的催化双铁中心(FC)配体完全保守，但其Fe²⁺氧化路径却存在本质差异：在O₂限制条件下（模拟线粒体微环境），FtMt会通过FC间的电子转移形成稳定的Fe²⁺/Fe³⁺混合价态中间体，而保守的Ser144残基和Tyr34自由基在此过程中扮演关键角色。

关键技术方法包括：1) 通过位点定向突变构建Y34F、S144A等变体；2) 停流光谱监测340 nm（铁矿物核心形成）和650 nm（双铁过氧中间体DFP）动力学；3) 低温EPR检测MVFC（g<2信号）和酪氨酸自由基（g=2信号）；4) 快速冷冻淬灭捕获毫秒级反应中间体；5) Amplex Red荧光法量化H₂O₂产率。

野生型FtMt在空气饱和条件下产生蛋白质自由基而非MVFC
停流光谱显示，FtMt催化Fe²⁺氧化呈现双相动力学：快速相对应FC位点双铁氧化（k=1.8×10⁵ M^-1s^-1），慢速相反映矿物核心形成。EPR检测到g=2的酪氨酸自由基信号，但MVFC信号强度不足1%，表明在富氧条件下FtMt主要通过经典DFP路径完成氧化。

Tyr34是自由基形成位点并调控初始Fe²⁺氧化
Y34F突变体表现出三个显著异常：1) 快速相振幅降低70%，表明Tyr34参与电子传递；2) DFP形成速率下降35倍；3) EPR检测到占蛋白单体30%的MVFC（g<2信号）和脂质过氧化自由基（ROO）。这说明Tyr34在维持FC氧化效率的同时，抑制了MVFC的异常积累。

O₂限制条件下野生型FtMt形成MVFC
在亚化学计量O₂条件下，野生型FtMt产生占蛋白15%的MVFC。RFQ-EPR显示其形成动力学滞后于DFP水解，表明MVFC源于双铁Fe²⁺与Fe³⁺位点的电子重排，而非直接O₂氧化。Ser144在此过程中起关键作用——S144A突变使MVFC产量减半，而HuHF的对应突变体A144S则完全不产生MVFC。

O₂还原产物分析
Amplex Red实验证实无论野生型还是Y34F变体，H₂O₂均为主要产物（占消耗O₂的25%），结合DMPO自旋捕获未检测到超氧自由基，表明FtMt通过FC间电子转移实现双电子O₂还原。

这项研究揭示了FtMt适应线粒体低氧环境的分子创新：1) 通过Tyr34自由基和Ser144协同作用，在O₂限制下形成高反应活性的MVFC；2) 建立FC间电子传递网络确保双电子O₂还原；3) 与HuHF的机制差异源于局部微环境（如10 ?外的阳离子结合位点）而非FC本身。这些发现为理解线粒体铁代谢紊乱在神经退行性疾病中的作用提供了新视角——MVFC可能作为"分子缓冲器"响应线粒体铁/O₂波动，其异常积累或与氧化应激直接相关。该研究同时为设计靶向FtMt的小分子调控剂奠定了理论基础。