Funktion und Biogenese von Eisen-Schwefel-Proteinen in Eukaryoten

242 W I S S EN S CH AFT Proteinkofaktoren Funktion und Biogenese von EisenSchwefel-Proteinen in Eukaryoten ROLAND LILL INSTITUT FÜR ZYTOBIOLOGIE UND ZENTRUM FÜR SYNTHETISCHE MIKROBIOLOGIE (SYNMIKRO), UNIVERSITÄT MARBURG Iron-sulfur (FeS) clusters are versatile protein cofactors that fulfil numerous catalytic and regulatory functions in mitochondria, cytosol, and nucleus. Maturation of FeS proteins requires the mitochondrial iron-sulfur cluster assembly (ISC) and the cytosolic iron-sulfur protein assembly (CIA) machineries for de novo cluster synthesis on scaffold proteins, cluster trafficking via transfer proteins, and cluster integration into recipient apoproteins. Here, I provide a cursory overview of FeS protein function and maturation. DOI: 10.1007/s12268-020-1372-8 © Der Autor 2020 ó Eisen-Schwefel(FeS)-Cluster sind evolutionär alte Proteinkofaktoren, die zahlreiche biochemische Funktionen in der Zelle ausführen, z. B. Elektronentransfer, Katalysen, Schwefelmobilisierung, Genregulation und Proteindomänenstabilisierung. Die häufigsten Clustertypen sind rhombische [2Fe-2S]und kubische [4Fe-4S]-Cluster. Vor etwa zwei Jahrzehnten wurde entdeckt, dass die Synthese der FeS-Cluster in Zellen nicht spontan erfolgt, sondern durch komplexe, konservierte Synthesemaschinerien bewerkstelligt wird [1, 2]. In eukaryotischen Zellen wie Humanzellen oder Pilzen wurden seither über 30 meist lebenswichtige Biogenesefaktoren in Mitochondrien und dem Cytosol identifiziert, die die mehr als 70 FeS-Proteine im Mitochondrium, Cytosol oder Zellkern mit dem FeS-Kofaktor versorgen (Abb. 1). In Algen und Pflanzen finden sich FeS-Proteine auch in Plastiden, die ein eigenes Biogenesesystem beherbergen [3]. In diesem kurzen Überblick sollen zunächst die zahlreichen Funktionen von FeS-Proteinen in Eukaryoten (ohne Plastiden) vorgestellt werden. Im Anschluss werden kursorisch die Komponenten und Hauptschritte der FeS-Proteinbiogenese im Mitochondrium und Cytosol erläutert, die vor allem an Hefe und menschlicher Zellkultur erarbeitet wurden (für tiefer gehende Zusammenfassungen siehe [4–7]). ¯ Abb. 1: Lokalisierung und Funktion wichtiger FeS-Proteine in Eukaryoten. Die Assemblierung mitochondrialer (rot) sowie cytosolischer und nukleärer (grün) FeSProteine wird von den ISC(iron-sulfur cluster assembly)- und CIA(cytosolic iron-sulfur protein assembly)Maschinerien unterstützt. FeS-Proteine sind an vielen biosynthetischen Prozessen (Aminosäure-, Nukleotid- und Kofaktorsynthesen), der Bildung von ATP in den Mitochondrien, der cytosolischen Proteinbiosynthese und der nukleären Genomerhaltung beteiligt. Weitere FeS-Proteine unterstützen die Virenabwehr, die Mitose und die Eisenregulation. ER: endoplasmatisches Reticulum. BIOspektrum | 03.20 | 26. Jahrgang Die vielseitigen Funktionen von FeS-Proteinen Die bekanntesten FeS-Proteine sind im Mitochondrium lokalisiert, wo sie z. B. an Elektronentransferreaktionen innerhalb der Atmungskettenkomplexe I–III oder der β-Oxidation von Fettsäuren (ETF-Dehydrogenase) beteiligt sind (Abb. 1, [6]). Als Katalysatoren wirken die FeS-Cluster in der Aconitase des Citratzyklus oder in Enzymen der Biosynthese anderer Kofaktoren, wie dem Molybdän-Kofaktor (Moco) oder Häm. In der Biotin- oder Lipoylsynthase dient je einer der beiden FeS-Cluster dieser Enzyme als Schwefeldonor für den Biotin- bzw. Lipoyl-Kofaktor. All diese FeS-abhängigen Kofaktoren sind wiederum selbst an zahlreichen Zellfunktionen beteiligt, was die lebenswichtige Rolle von FeS-Clustern unterstreicht (Abb. 1). Cytosolische FeS-Proteine erfüllen wichtige katalytische Funktionen im Aminosäure- und Nukleotidstoffwechsel sowie bei verschiedenen Aspekten der Proteintranslation, wie z. B. bei tRNA-Modifikationen oder der Ribosomenfunktion (ABCE1-Rli1) [6]. Das iron regulatory protein 1 (IRP1) übernimmt eine regulatorische Funktion als Eisensensor in der Eisenhomöostase. Erst kürzlich wurden das für die Mitose und Cytokinese bedeutsame cytosolische, FeS-haltige Kinesin 4A und das Radikal-SAM-FeS-Protein Viperin, das als Teil der angeborenen Immunantwort zur Virusabwehr den RNA-Synthese-Inhibitor ddhCTP synthetisiert, entdeckt. Im Zellkern sind essenzielle FeS-Proteine, wie z. B. die DNA-Polymerasen POLD1, POLZ sowie die Primase, an verschiedenen Aspekten des Nukleinsäurestoffwechsels beteiligt. DNAHelikasen und andere FeS-haltige Enzyme unterstützen die DNA-Reparatur, Chromosomendynamik und Telomerlängenregulierung [8]. Aus dieser (unvollständigen) Zusammenstellung wird deutlich, dass FeS-Cluster zentrale und vielseitige Proteinkofaktoren für zahlreiche zelluläre Prozesse darstellen. Diese universelle Bedeutung könnte zumindest teilweise auf die vermutete katalytische Funktion von FeS-Clustern bei der Entstehung des Lebens zurückzuführen sein. Biogenese mitochondrialer FeS-Proteine Die Biogenese mitochondrialer FeS-Proteine wird von der iron-sulfur cluster assembly(ISC)Maschinerie bewerkstelligt, die darüber hinaus auch für die Reifung extramitochondrialer Proteine verantwortlich ist (siehe unten). Das ISC-System besteht aus 18 Proteinen und katalysiert die Biogenese in drei Hauptschritten: (1) Synthese eines [2Fe-2S]-Clusters auf einem Gerüstprotein; (2) Transfer des Clusters zu einem Glutaredoxin und nachfolgende Insertion in Apoproteine; (3) Synthese eines [4Fe-4S]-Clusters, gefolgt von der Insertion in Apoproteine. Der erste Schritt wird von einem dynamischen Dodecamer aus 2 × 6 Proteinen durchgeführt, dessen Struktur bekannt ist (Abb. 2, [9, 10]). Dabei erzeugt zunächst der CysteindesulfuraseSubkomplex NFS1-ISD11-ACP1 aus freiem Cystein ein enzymgebundenes Persulfid (-SSH), das dann auf das Eisen-bindende Gerüstprotein ISCU2 übertragen wird. Der Persulfidtransfer wird vom Protein Frataxin (FXN) unterstützt, das in der Friedreich-Ataxie, einer neurodegenerativen Erkrankung, funktionell gestört ist. Das sechste Komplexprotein Ferredoxin FDX2 bindet in reduzierter Form an die anderen ISC-Proteine und überträgt dabei Elektronen auf das Persulfid, das dadurch zu Sulfid reduziert wird. Die Reduktion des dann oxidierten FDX2 erfolgt durch NADPH und die Ferredoxinreduktase FDXR. Auf dem ISCU2-Gerüstprotein entsteht der [2Fe-2S]-Cluster entweder durch eine Wiederholung dieser Reaktionen oder durch Interaktion zweier Komplexe. Das Produkt ist schließlich ein ISCU2-Dimer, das durch den [2Fe-2S]-Cluster verbrückt ist. Im zweiten Schritt wird der ISCU2-gebundene Cluster durch ein spezifisches HSP40HSP70-Chaperonsystem auf das Monothiol Glutaredoxin GLRX5 übertragen (Abb. 2). Dazu bindet zunächst das J-Protein HSC20 (Hefe Jac1) an ISCU2, um dadurch das mitochondriale HSP70 (HSPA9; Hefe Ssq1) an diesen Komplex anzudocken. Nach ATPHydrolyse wird ISCU2 fest an HSPA9 gebunden, wodurch der [2Fe-2S]-Cluster vom ISCU2-Dimer dissoziiert und auf GLRX5 übertritt. Die direkte Bindung des GLRX5 an HSPA9 unterstützt diese Transferreaktion. Nun kann der auf GLRX5 gebundene [2Fe2S]-Cluster direkt auf Ziel-Apoproteine übertragen werden, (...truncated)