Iron-sulfur (Fe-S) clusters are one of the most ancient yet essential cofactors mediating various essential biological processes. In prokaryotes, Fe-S clusters are generated via several distinctive biogenesis mechanisms, among which the ISC (Iron-Sulfur Cluster) mechanism plays a house-keeping role to satisfy cellular needs for Fe-S clusters. The Escherichia coli ISC mechanism is maintained by several essential protein factors, whose structural characterization has been of great interest to reveal mechanistic details of the Fe-S cluster biogenesis mechanisms. In particular, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopic approaches have contributed much to elucidate dynamic features not only in the structural states of the protein components but also in the interaction between them. The present minireview discusses recent advances in elucidating structural features of IscU, the key player in the E. coli ISC mechanism. IscU accommodates exceptional structural flexibility for its versatile activities, for which NMR spectroscopy was particularly successful. We expect that understanding to the structural diversity of IscU provides critical insight to appreciate functional versatility of the Fe-S cluster biogenesis mechanism.
IscR (iron-sulfur cluster regulator) has been reported to be a repressor of the iscRSUA operon, and in vitro transcription reactions have revealed that IscR has a repressive effect on the iscR promoter in the case of [$Fe_{2}S_{2}$] cluster loading. In the present study, the iscR gene from A. ferrooxidans ATCC 23270 was cloned and successfully expressed in Escherichia coli, and then purified by one-step affinity chromatography to homogeneity. The molecular mass of the IscR was 18 kDa by SDS-PAGE. The optical and EPR spectra results for the recombinant IscR confirmed that an iron-sulfur cluster was correctly inserted into the active site of the protein. However, no [$Fe_{2}S_{2}$] cluster was assembled in apoIscR with ferrous iron and sulfide in vitro. Therefore, the [$Fe_{2}S_{2}$] cluster assembly in IscR in vivo would appear to require scaffold proteins and follow the Isc "AUS" pathway.
IscA was proposed to be involved in the iron-sulfur cluster assembly encoded by the iscSUA operon, but the role of IscA in the iron-sulfur cluster assembly still remains controversial. In our previous study, the IscA from A. ferrooxidans was successfully expressed in Escherichia coli, and purified to be a [$Fe_4S_4$] -cluster-containing protein. Cys35, Cys99, and Cys101 were important residues in ligating with the [$Fe_4S_4$] cluster. In this study, Asp97 was found to be another ligand for the iron-sulfur cluster binding according to site-directed mutagenesis results. Molecular modeling for the IscA also showed that Asp97 was a strong ligand with the [$Fe_4S_4$] cluster, which was in good agreement with the experimental results. Thus, the [$Fe_4S_4$] cluster in IscA from A. ferrooxidans was ligated by three cysteine residues and one aspartic acid.
Ferredoxin is a typical iron-sulfur protein that is ubiquitous in biological redox systems. This study investigates the in vitro assembly of a [$Fe_2S_2$] cluster in the ferredoxin from Acidithiobacillus ferrooxidans in the presence of three scaffold proteins: IscA, IscS, and IscU. The spectra and MALDI-TOF MS results for the reconstituted ferredoxin confirm that the iron-sulfur cluster was correctly assembled in the protein. The inactivation of cysteine desulfurase by L-allylglycine completely blocked any [$Fe_2S_2$] cluster assembly in the ferredoxin in E. coli, confirming that cysteine desulfurase is an essential component for iron-sulfur cluster assembly. The present results also provide strong evidence that [$Fe_2S_2$] cluster assembly in ferredoxin follows the AUS pathway.
Iron plays a role in energy metabolism as a component of vital enzymes and electron transport chains (ETCs) for adenosine triphosphate (ATP) synthesis. The tricarboxylic acid (TCA) cycle and oxidative phosphorylation are crucial in generating ATP in mitochondria. At the mitochondria matrix, heme and iron-sulfur clusters are synthesized. Iron-sulfur cluster is a part of the aconitase in the TCA cycle and a functional or structural component of electron transfer proteins. Heme is the prosthetic group for cytochrome c, a principal component of the respiratory ETC. Regarding fat metabolism, iron regulates mitochondrial fat oxidation and affects the thermogenesis of brown adipose tissue (BAT). Thermogenesis is a process that increases energy expenditure, and BAT is a tissue that generates heat via mitochondrial fuel oxidation. Iron deficiency may impair mitochondrial fuel oxidation by inhibiting iron-containing molecules, leading to decreased energy expenditure. Although it is expected that impaired mitochondrial fuel oxidation may be restored by iron supplementation, its underlying mechanisms have not been clearly identified. Therefore, this review summarizes the current evidence on how iron regulates energy metabolism considering the TCA cycle, oxidative phosphorylation, and thermogenesis. Additionally, we relate iron-mediated metabolic regulation to obesity and obesity-related complications.
The Iro protein is a member of the HiPIP family with the [$Fe_4S_4$] cluster for electron transfer. Many reports proposed that the conserved aromatic residues might be responsible for the stability of the iron-sulfur cluster in HiPIP. In this study, Tyr10 was found to be a critical residue for the stability of the [$Fe_4S_4$] cluster, according to site-directed mutagenesis results. Tyr10, Phe26, and Phe48 were essential for the stability of the [$Fe_4S_4$] cluster under acidic condition. Trp44 was not involved in the stability of the [$Fe_4S_4$] cluster. Molecular structure modeling for the mutant Tyr10 proteins revealed that the aromatic group of Tyr10 may form a hydrophobic barrier to protect the [$Fe_4S_4$] cluster from solvent.
L-세린 탈수화효소(LSD)는 L-serine을 피루브산과 암모니아로 전환하는 반응을 촉매하는 iron-sulfur 함유 효소이다. 세균성 아미노산 탈수화 효소 중에서, L-serine에 대한 이들 특정 효소만이 촉매 부위에서 iron-sulfur cluster를 이용하는 것으로 보고되고 있다. 또한, 세균성 LSD는 구조적 특성과 도메인의 배열에 따라 네 가지 유형으로 분류된다. 현재까지, 이 효소들은 소수의 균주로부터 얻어진 LSD 효소에 대해서만 연구되었지만, 다양한 세균성 LSD의 촉매 메커니즘을 이해하기 위해서는 더 많은 자세한 조사가 요구된다. 본 연구에서, Mycobacterium tuberculosis H37Rv로부터 유래된 유형 II LSD (MtLSD) 단백질을 효소 동력학적 방법을 이용하여 생화학적 및 촉매적 특성을 규명하기 위해 발현 및 정제되었다. MtLSD에 대한 L-serine의 포화 곡선은 알로스테릭 협동성(allosteric cooperativity)을 나타내는 전형적인 S자형(sigmoid)의 특성을 보였다. 이때의 $K_m$과 $k_{cat}$ 값은 각각 $59.35{\pm}1.23mM$과 $18.12{\pm}0.20s^{-1}$로 계산되었다. 또한, 고정된 L-serine 농도 하에서 D-serine의 농도 대비 초속도에 대한 그래프는 비선형 쌍곡선 감쇠 형태를 보였고, $k_{cat}$ 값의 변화 없이 $30.46{\pm}5.93mM$의 겉보기 $K_i$ 값으로 D-serine에 대한 경쟁적 억제(competitive inhibition)를 나타내었다. 이들 연구는 MtLSD의 촉매 특성 및 기질 특이성에 관한 통찰력 있는 생화학적 정보를 제공한다.
HscA is a Hsp70-type chaperone protein that plays an essential role to mediate the iron-sulfur (Fe-S) cluster biogenesis mechanism in Escherichia coli. Like other Hsp70 chaperones, HscA is composed of two domains: the nucleotide binding domain (NBD), which can hydrolyze ATP and use its chemical energy to facilitate the Fe-S cluster transfer process, and the substrate binding domain (SBD), which directly interacts with the substrate, IscU, the scaffold protein of an Fe-S cluster. In the present work, we prepared the isolated SBD construct of HscA (HscA(SBD)) and conducted the solution-state nuclear magnetic resonance (NMR) experiments to have its backbone chemical shift assignment information. Due to low spectral quality of HscA(SBD), we obtained all the NMR data from the sample containing the peptide LPPVKIHC, the HscA-interaction motif of IscU, from which the chemical shift assignment could be done successfully. We expect that this information provides an important basis to execute detailed structural characterization of HscA and appreciate its interaction with IscU.
한국미생물학회 2006년도 International Meeting of the Microbiological Society of Korea
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pp.66-68
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2006
SUF machinery in Echerichia coli, responsible for the biosynthesis of iron-sulfur clusters, is composed of six protein components (SufABCDSE), among which SufB, SufC, and SufD associate in a complex. We have determined the structures of SufA, SufC, and SufD by X-ray crystallography. SufA is a dimer, in which C-terminal segments containing essential cysteine residues (Cys-Gly-Cys) are positioned to allow coordination of an Fe-S cluster and/or an Fe atom. SufC has the overall structure similar to that of ABC-ATPase but takes an inactive form. SufD has a ${\beta}-helix$ flanked with a-helical domains. We also studied the functional roles of the residues in SufD by mutagenesis and determined the crystal structure of SufCD complex. Molecular mechanism of Fe-S cluster biosynthesis is discussed on the basis of the structural and functional evidence.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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