Nature | 线粒体铁氧化还蛋白FDX2突变可挽救frataxin缺陷表型|复合物|线粒体|细胞|蛋白|表型

撰文|一只鱼

Frataxin 是古老的线粒体铁硫簇生物合成机制的关键组分，是半胱氨酸脱硫酶 NFS1 的变构激活剂，可通过促进过硫化物从NFS1转移至ISCU2来加速铁硫簇的形成。frataxin 的功能缺失突变与 Friedrich 's 共济失调相关，这是一种常见的遗传性、进行性神经退行性疾病，主要影响运动协调、感觉神经和心脏。在小鼠和秀丽隐杆线虫中敲除frataxin会致死，使得相关研究难以进行，但后续研究发现 frataxin 缺失的线虫和人类细胞在低氧条件下可因铁硫簇水平增加而恢复生长，利用这一特征有望鉴定到Friedrich 's共济失调的治疗靶点。

近日，来自美国麻省总医院的 Vamsi K. Mootha 和 Joshua D. Meisel ( 一作兼共同通讯 ), Vamsi K. Mootha 和 Gary Ruvkun 研究团队在 Nature 上发表题为 Mutations in mitochondrial ferredoxin FDX2 suppress frataxin deficiency 的文章，发现铁氧还蛋白FDX2/fdx-2或半胱氨酸脱硫酶NFS1/nfs-1 突变可以部分绕开线虫对于 frataxin 的需求，这些突变位于 FDX2–NFS1结合界面，能在frataxin缺失情况下提升铁硫簇水平。过量FDX2在体外会抑制frataxin刺激的NFS1活性，并在哺乳动物细胞培养中阻碍铁硫簇的合成。并且通过缺失一个基因拷贝来降低FDX2的水平，能够改善frataxin突变线虫在常氧条件下的生长，或缓解 Friedrich 's共济失调小鼠的神经缺陷表型。

研究人员首先利用frataxin/ frh-1 缺失突变体线虫在低氧条件下可以存活的这一特征进行了正向遗传筛选，在1%氧气下培养 frh-1 突变体，并进行随机诱变，两代之后将F2转移至10%氧气环境中，大多数线虫会在幼虫阶段便停止发育，但少数突变体会发育至成年，将其分离出来经过全基因组测序，他们鉴定出突变位于半胱氨酸脱硫酶 nfs-1 或线粒体铁氧还蛋白Y73F8A.27 。大多数后生动物中有两种铁氧还蛋白同源蛋白，FDX1和FDX2，两者均含有[2Fe–2S]簇并定位于线粒体，但秀丽隐杆线虫仅含一种线粒体铁氧还蛋白Y73F8A.27 。通过系统发育分析，他们推断线虫保留了FDX2而丢失了FDX1 ，因此，他们将 Y73F8A.27 重命名为 fdx-2 。

接下来他们使用CRISPR–Cas9技术构建了 nfs-1 和 fdx-2 突变体，并证实 nfs-1 和 fdx-2 突变以显性方式拯救了 frh-1 突变体在线虫自然生长环境 7–10%氧气下的生长情况。然后他们对持续培养于1%氧气的线虫以及从1%转移至21%氧气2天的线虫进行了定量串联质谱标签（TMT）蛋白质组学分析，发现几乎所有复合物I亚基在 frh-1 突变体中均减少，并能被fdx-2或nfs-1抑制突变所拯救。于是他们想知道恢复电子传递链是否足以改善 frh-1 突变体的生长，他们表达了酵母NADH脱氢酶NDI1 （一种可绕过复合物I和复合物II的多肽），通过将电子从NADH直接传递给泛醌，NDI1能够恢复NADH氧化还原平衡以及复合物III和IV的耗氧与质子泵功能。他们发现表达NDI1足以部分拯救frh-1突变体的生长。因此， fdx-2 和 nfs-1 点突变在缺乏frataxin的情况下部分恢复了Fe–S簇的生物合成，而由此产生的电子传递链通量增加可能是拯救生长和发育的关键所在。为了研究 nfs-1 和 fdx-2 突变是否通过相同机制发挥作用，他们测试了其遗传互作，发现 nfs-1; fdx-2 双突变体表现为合成不育且生长缓慢，且这些表型都能通过低氧环境得到拯救。

为了理解 nfs-1 或 fdx-2 点突变如何部分绕开Fe–S簇生物合成中对frataxin的需求，他们将这些突变映射到近期获得的Fe–S簇组装复合物的冷冻电镜结构上，发现 FDX-2 和 NFS-1 的突变位点均位于NFS1–FDX2相互作用表面的F螺旋上。接下来他们使用人类蛋白在体外测定了NFS1的半胱氨酸脱硫酶活性，发现过量FDX2对基于FXN的Fe–S组装活性刺激具有抑制作用，在FXN处于低水平的情况下，降低FDX2水平使其不超过FXN可能提高总体Fe–S簇产量。为测试FDX2是否在体内也抑制Fe–S簇合成，他们在人类细胞系中过表达了野生型FDX2 ，发现会导致非常特异的适应性缺陷，即在常氧（21% O ₂ ）下细胞系出现生长缺陷，而在持续低氧下该缺陷得到拯救。过表达FDX 2 还会导致含Fe–S簇的LIAS蛋白介导的硫辛酸合成减少，以及含Fe–S簇的呼吸链复合物I、II和IV的丢失，这些缺陷大多在低氧条件下可部分或完全恢复。因此，哺乳动物系统中frataxin缺失也可能通过FDX2的过量导致Fe–S簇缺陷。

接下来他们尝试通过去除线虫中一个野生型 fdx-2 拷贝来拯救 frataxin 缺失，使用CRISPR–Cas9构建了一个8碱基缺失导致移码的 fdx -2 突变体，该突变纯合致死，但可以杂合子形式传代。然后他们将 fdx-2 杂合突变引入 frh-1 突变体中，发现在各种氧环境下均部分拯救了 frh -1 突变体的生长和发育缺陷。因此，在frataxin突变体中，降低FDX2结合NFS1的量可恢复Fe–S簇生物合成。然后他们研究了 Fdx2 基因剂量降低50%是否会抑制frataxin突变体小鼠的运动障碍，将 Fdx2 杂合子与 Friedrich 's 共济失调的 shFxn 小鼠杂交，对得到的双突变体在2–3月龄时开始多西环素处理以敲低 Fxn ，每周评估体重和存活情况，并在多西环素处理12周后通过抓握力和旋转棒测试评估运动缺陷，观察到 shFxn; Fdx2/+ 双突变体中共济失调表型有显著改善。因此，降低 Fdx2 水平可部分改善小鼠中与frataxin缺失相关的神经缺陷。

总的来说，这项研究证明了FDX2的部分缺失能够挽救Frataxin突变体的相关表型，表明通过部分敲低FDX2来恢复frataxin与FDX2的化学计量平衡，可能会成为治疗Friedrich 's共济失调的潜在策略。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09821-2

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