title: Der frühe Teil der mitochondrialen Eisen-Schwefel-Cluster-Assemblierungsmaschinerie : strukturelle und mechanistische Einblicke
title: The early part of the mitochondrial Iron-Sulfur-Assembly machinery: Structural and mechanistic insights
Creators: name: Freibert, Sven-Andreas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Fe/S , Mitochondria
Fe/S-Biogenesis
ISC
Yeast , Ferredoxin
Fe/S-Biogenese
Mitochondrium
Hefe , Ferredoxin
Fe/S , Mitochondrium
Cofaktor , Eukaryot
Hefe

description: Eisen-Schwefel (Fe/S) Cluster sind
      die ältesten anorganischen Protein-Kofaktoren und ubiquitär
      in allen Reichen des Lebens vorhanden. Fe/S-Proteine
      koordinieren häufig essentielle Aufgaben in der Zelle wie
      z.B. Teile der Zellatmung, der DNA Synthese und der
      Proteintranslation. Trotz der vergleichsweise einfachen
      chemischen Struktur und Zusammensetzung von Fe/S-Clustern
      benötigt die Zelle ein komplexes System für deren Synthese
      und Einbau in apo-Proteine. Defekte in der
      Fe/S-Proteinbiogenese sind mit schwerwiegenden Krankheiten,
      wie z.B. der Friedreich-Ataxie oder der sideroblastischen
      Anämie verknüpft. Ein besseres Verständnis der Biogenese von
      Fe/S-Proteinen eröffnet neben dem grundlegenden Verständnis
      dieses lebenswichtigen Prozesses auch eine eventuelle
      Behandlung solcher oft lebensbedrohlichen Erkrankungen. In
      Eukaryoten beginnt die Synthese von Fe/S-Clustern in den
      Mitochondrien, bzw. in den verwandten Mitosomen. Diese
      Organellen beherbergen die sog. „iron-sulfur cluster“ (ISC)
      Assemblierungsmaschinerie. Der frühe Teil der ISC-Maschinerie
      dient zur Synthese eines [2Fe-2S]-Clusters auf dem
      Gerüstprotein Isu1, wozu fünf weitere ISC Komponenten
      benötigt werden. Der Desulfurasekomplex aus Nfs1 und Isd11
      liefert dabei den Schwefel, während das Frataxin Yfh1 als
      Eisendonor und/oder Schwefelüberträger wirkt. Eisen und
      Schwefel werden schließlich auf Isu1 unter Elektronenzufuhr
      durch das Ferredoxin Yah1 und seiner Reduktase Arh1 zu einem
      Fe/S-Cluster zusammengesetzt. In dieser Arbeit konnten
      mechanistische und strukturelle Einblicke in die Funktion
      dieser frühen ISC Maschinerie auf molekularer Ebene gewonnen
      werden. Erstens konnte auf Basis der durch NMR Spektroskopie
      atomar aufgelösten Strukturen des Ferredoxins Yah1, des
      Gerüstproteins Isu1 und des Yah1-Isu1 Komplexes gezeigt
      werden, wie die beiden Proteine interagieren. Daraus konnte
      ein Vorschlag abgeleitet werden, wie die
      Elektronenübertragung vom reduzierten Fe/S-Cluster des
      Ferredoxins zum Isu1 bewerkstelligt wird. Hierbei spielen vor
      allem strukturelle Veränderungen innerhalb des Yah1 bei der
      Reduktion eine große Rolle, wobei das essentielle Histidin 51
      als „Elektronenbrücke“ fungieren könnte. Zweitens konnten
      biochemische Untersuchungen der Interaktionen aller frühen
      ISC-Faktoren mittels Thermophorese zu einem zeitlich
      aufgelösten Modell des Mechanismus der initialen Fe/S-Cluster
      Biogenese beitragen. Es konnte gezeigt werden, dass alle
      primären ISC-Faktoren miteinander interagieren und den
      biosynthetischen Komplex bilden. Dieser ist vom Redoxzustand
      der Komponenten und der Anwesenheit von Fe(II) und Cystein
      abhängig. Schließlich konnte auf Basis von SAXS-Daten (SAXS:
      small angle X-ray scattering) die Gesamtstruktur der frühen
      ISC-Maschinerie ermittelt werden. Dadurch konnte der frühe
      ISC-Komplex als Dodekamer mit folgender Stöchiometrie
      definiert werden: 2(Nfs1+2Isd11+Yfh1+Isu1+Yah1). Diese
      strukturellen Daten erlaubten trotz der relativ niedrigen
      Auflösung erstmals weitreichende Rückschlüsse auf den
      molekularen 9 Mechanismus der Fe/S-Cluster Biogenese. Der
      Komplex aus Yah1 und Isu1 ist in räumlicher Nähe zum
      essentiellen Persulfid-tragenden Cysteinrest des Nfs1
      lokalisiert, und ermöglicht damit räumlich eine
      Persulfidübertragung von Nfs1 auf Isu1. Anschließend kann das
      Persulfid durch Yah1 reduziert werden. Die bereits
      vorgeschlagene Funktion des Frataxins Yfh1 als Eisendonor
      konnte aufgrund seiner Lage im ISC-Komplex und im Speziellen
      der Position seines konservierten Histidins 23 weiter
      untermauert werden. Auch die Lage von Isd11 auf Nfs1 konnte
      erstmals gezeigt werden. Isd11 bindet weit vom aktiven
      Zentrum des Komplexes entfernt, befindet sich aber in
      unmittelbarer Nähe zum aktiven Zentrum des Nfs1 und der
      Cysteinbindestelle. Dies lässt den Schluss zu, dass Isd11 die
      Aktivität von Nfs1 reguliert. Somit konnte auf molekularer
      Ebene ein Vorschlag für die Herkunft und die Übertragung
      sowohl des Schwefels als auch des Eisens gemacht und
      Einblicke in die Lokalisation von Isd11 auf Nfs1 gewonnen
      werden. Zusammen genommen bilden diese Ergebnisse einen
      wichtigen Schritt in Richtung des molekularen Verständnisses
      der Fe/S-Cluster Biogenese und damit auch die Basis für
      weitere Untersuchungen.
description: Iron-sulfur (Fe/S) clusters are
      ancient protein cofactors and ubiquitously present in all
      kingdoms of life. Fe/S-proteins coordinate essential
      functions within the cell, e.g. cellular respiration,
      DNA-synthesis and protein translation. Despite the relatively
      simple chemical structure and composition of Fe/S-clusters,
      the cell requires a complex system for their synthesis and
      incorporation into apo-proteins. Deficiencies in Fe/S-protein
      biogenesis are often linked with severe metabolic defects and
      serious diseases such as Friedreich‘s ataxia or sideroplastic
      anemia. A better understanding of the biogenesis of
      Fe/S-proteins may help to find new therapies for such
      life-threatening diseases. In eukaryotes, the synthesis of
      Fe/S-clusters starts inside mitochondria (or related
      organelles such as mitosomes). These organelles contain the
      so-called „iron-sulfur-cluster“ (ISC) assembly machinery. The
      early part of the ISC-machinery accomplishes the synthesis of
      a [2Fe-2S]-cluster on the scaffold protein Isu1 which
      requires five additional factors. The desulfurase complex
      Nfs1/Isd11 delivers the sulfur while the frataxin Yfh1 serves
      as an iron-donor and/or sulfur-carrier. The so provided iron
      and sulfur will finally be assembled to an Fe/S-cluster. The
      assembly process depends on an electron supply by the
      ferredoxin Yah1 and its reductase Arh1. In this study,
      additional mechanistic and structural insights into the early
      ISC-machinery were gained at a molecular level. First, it was
      shown how the two proteins interact, based on the atomic
      structures of Yah1, Isu1 and the Yah1-Isu1 complex solved by
      NMR-spectroscopy. This revealed a possible mechanism for the
      electron transfer from the reduced Fe/S-cluster of Yah1 to
      Isu1. Therefore, the structural changes of Yah1 upon
      reduction play a major role while the essential His51 may
      have an electron-bridging function. Second, biochemical
      studies of the interactions of all early ISC factors by
      Thermophoresis contributed to a time-resolved model of the
      mechanism of the initial Fe/S-cluster biogenesis. All primary
      ISC factors interact with each other and form a biologically
      competent complex, which is dependent on both the redox-state
      of the components and the presence of Fe(II) and cysteine.
      Finally, the overall structure of the early ISC-machinery was
      determined by SAXS (small angle X-ray scattering). This
      allowed the early ISC complex to be defined as a dodecamer
      having the following stoichiometry:
      2(Nfs1+2Isd11+Yfh1+Isu1+Yah1). These structural data, despite
      the relatively low resolution, allowed new insightful
      conclusions about the molecular mechanism of Fe/S-cluster
      biogenesis. The Yah1-Isu1 complex is located in close
      proximity to the essential persulfide-bearing cysteine
      residue of Nfs1, and thus enables a persulfide-transfer from
      Nfs1 to Isu1. Then the persulfide can be reduced by Yah1. The
      previously proposed function of the frataxin Yfh1 as an
      iron-donor was further substantiated due to its localization
      within the ISC-complex and in particular the position of its
      conserved histidine 23. For the first time the location of
      Isd11 on Nfs1 could be shown. Isd11 binds far away from the
      active site of the ISC-complex, but is located in close
      proximity to the active site of Nfs1 and its cysteine binding
      pocket. This leads to the conclusion that Isd11 may regulate
      the activity of Nfs1. Thus, these data offer an explanation
      for the origin and the transfer mechanism of both the iron
      and the sulfur on a molecular basis and suggest a possible
      location of Isd11 on Nfs1. Taken together, these results
      constitute an important step in the direction of the
      molecular understanding of the Fe/S cluster biogenesis and
      therefore also form the basis for further
      investigations.