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EMBO Journal | 河南大学张立新团队发现拟南芥叶绿体铁硫簇生物合成的新机制

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BioArt植物 2021-04-16 11:39

责编 | 奕梵

细胞内的蛋白质通常依赖于辅因子以赋予其本身功能活性,例如酶、调控因子及转运子等。铁硫簇是一种非常古老且含量丰富的无机辅因子,广泛存在于细菌、藻类、植物及动物中。由于铁硫簇具有十分活跃的氧化还原特性,它们常常扮演着灵巧的催化剂或高效的电子传递装置等关键角色,进而参与绝大多数生物学过程,例如呼吸作用与光合作用,硫和氮代谢、氨基酸与嘌呤代谢、植物激素与辅酶合成、基因表达调控、DNA损伤修复以及环境刺激的感知等。因此,铁硫簇的生物合成对生物体的生存与发育具有重要意义【1,2】 。

虽然铁硫簇的组成元素简单,但过量游离的铁和硫具有极强的细胞毒性,并且非蛋白结合态的铁硫簇非常不稳定,极易受到氧气或活性氧的破坏,产生更多的活性氧 【2,3】 。尽管如此,以铁硫簇为辅因子的蛋白质仍然遍布整个有氧世界中,这归功于生命体在长期进化过程中形成的一套精细协调的铁硫簇组装网络。目前的研究已经深入地阐释了不同物种内各铁硫簇生物合成系统中硫的调动、铁硫簇的装配以及向靶蛋白传递的分子机理,然而,铁的来源以及传递的分子机制尚不清楚【4-6】 。

2021年4月15日,河南大学生命科学学院/作物逆境适应与改良国家重点实验室张立新教授团队在The EMBO Journal发表了题为The DnaJ proteins DJA6 and DJA5 are essential for chloroplast iron-sulfur cluster biogenesis的研究论文,揭示了拟南芥两个DnaJ家族蛋白参与叶绿体铁硫簇生物合成途径中铁传递的保守性分子机制。

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该研究通过生物信息学分析找到两个拟南芥叶绿体DnaJ-type I蛋白 (DJA6和DJA5) ,其编码基因能够与编码叶绿体铁硫簇组装系统组分的基因共表达。研究发现,DJA6和DJA5蛋白对于植物叶绿体铁硫蛋白的成熟、光合功能的实现、叶绿体的发育、细胞内铁自稳态的维持乃至植物的生存是必需的。波谱学、质谱学以及热力学等分析方法表明,DJAs蛋白主要依赖于Cys-rich结构域中保守的CXXC基序结合铁,并且其铁结合特性的实现需要Gly/Phe-rich结构域的存在。体内体外互作研究显示,DJAs蛋白通过其J结构域与叶绿体SUF系统中半胱氨酸脱硫酶激活因子SUFE1及支架蛋白SUFBC 2 D复合体中SUFC蛋白相互作用,且这种蛋白间互作依赖于DJAs蛋白中铁的存在。进一步的体外组装实验证明,DJAs蛋白能够将铁传递给SUFBC 2 D复合体,进而完成铁硫簇的组装。此外,DJA6和DJA5在原核及真核光合生物中高度保守,其蓝藻同源蛋白SynDJA对拟南芥突变体的功能互补进一步阐述了DJAs蛋白在叶绿体铁硫簇生物合成的功能保守性。

DJA6和DJA5蛋白参与叶绿体铁硫簇生物合成的工作模型

综上所述,该研究首次揭示了拟南芥DJA6和DJA5蛋白利用其铁结合特性实现向叶绿体铁硫簇合成系统传递铁分子机制,并从进化上探讨其在绿色世系光合生物中的保守性作用机理。该研究不仅丰富了DnaJ蛋白家族的功能多样性,也为理解铁硫簇合成途径中铁的传递和供给提供了重要理论依据。

河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室张立新教授为该论文的通讯作者,中国科学院植物研究所张婧博士为该论文的第一作者。研究工作受到科技部、教育部创新引智111计划以及河南大学等基金项目的资助。

参考文献

1. Balk J, Schaedler TA (2014) Iron cofactor assembly in plants. Annu Rev Plant Biol 65: 125-153

2. Braymer JJ, Freibert SA, Rakwalska-Bange M, Lill R (2021) Mechanistic concepts of iron-sulfur protein biogenesis in biology. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res 1868: 118863

3. Mettert EL, Kiley PJ (2015) How is Fe-S cluster formation regulated? Annu Rev Microbiol 69: 505-526

4. Przybyla-Toscano J, Roland M, Gaymard F, Couturier J, Rouhier N (2018) Roles and maturation of iron-sulfur proteins in plastids. J Biol Inorg Chem 23: 545-566

5. Lill R, Freibert SA (2020) Mechanisms of mitochondrial iron-sulfur protein biogenesis. Annu Rev Biochem 89: 471-499

6. Netz DJ, Mascarenhas J, Stehling O, Pierik AJ, Lill R (2014) Maturation of cytosolic and nuclear iron-sulfur proteins. Trends Cell Biol 24: 303-312

论文链接:

https://doi.org/10.15252/embj.2020106742

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