Nieuw onderzoek laat zien hoe een eiwit wordt geconsumeerd en vervolgens wordt gereconstitueerd tijdens de productie van liponzuur, een verbinding die ons lichaam nodig heeft om energie uit voedsel om te zetten in een vorm die door onze cellen kan worden gebruikt. Het lipoylsynthase-enzym (LipA) verwijdert twee waterstofatomen uit een inerte koolstofketen en vervangt ze door zwavelatomen uit een van zijn eigen ijzer-zwavelclusters om liponzuur te creëren, zichzelf inactief maken in het proces. Het nieuwe onderzoek van Penn State University, die in het tijdschrift wordt gepubliceerd Wetenschap op 20 oktober, 2017, laat zien dat een ander eiwit, een ijzer-zwavel clusterdrager genaamd NfuA, vervangt het vernietigde ijzer-zwavelcluster in LipA, waardoor het liponzuur kan blijven produceren. De resultaten kunnen wetenschappers ook helpen te begrijpen waarom mensen met defecten in het ijzerzwaveldragergen - een dodelijke aandoening - een tekort aan liponzuur hebben.

"LipA kannibaliseert zichzelf om de zwavelatomen te leveren die nodig zijn voor de productie van liponzuur, " zei schildknaap Booker, hoogleraar scheikunde en biochemie en moleculaire biologie aan de Penn State University, een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute, en de corresponderende auteur van het onderzoekspaper. "Toen we dit in 2011 demonstreerden, het was verbijsterend, want als LipA wordt vernietigd, hoe kon de cel genoeg liponzuur aanmaken?"

LipA ​​is een lid van de radicale SAM (S-adenosylmethionine) familie van enzymen. Zoals de meeste radicale SAM-enzymen, het bevat een cluster van vier ijzer- en vier zwavelatomen, die het gebruikt om SAM om te zetten in een hoogenergetisch radicaal. Beurtelings, die radicaal kan waterstofatomen van andere moleculen verwijderen, een stap die nodig is om veel belangrijke cellulaire metabolische reacties te activeren. De waterstofatomen worden vervangen door zwavel om het proces te voltooien.

Waar de zwavelatomen vandaan komen die LipA gebruikt om liponzuur te produceren en hoe ze zijn bevestigd, waren grote vragen in het veld. Hoe andere enzymen zuurstofatomen aan inerte koolstofcentra hechten, is redelijk goed begrepen. In die gevallen, zuurstof, die alom aanwezig is in de atmosfeer, wordt gebruikt om energierijke radicalen te creëren en is ook de bron van het toegevoegde zuurstofatoom. Zwavel, anderzijds, is niet op dezelfde manier verkrijgbaar, maar in tegenstelling tot de meeste andere radicale SAM-enzymen, LipA ​​heeft een extra ijzer-zwavelcluster.

"We wisten uit eerder werk dat LipA zijn tweede ijzer-zwavelcluster gebruikte als de bron van zwavelatomen om liponzuur te maken, " zei Erin L. McCarthy, een afgestudeerde student in het laboratorium van Booker en de eerste auteur van het artikel. "Maar dit zorgde voor een probleem. Als LipA zwavelatomen stal uit zijn eigen ijzer-zwavelcluster, het enzym zou worden vernietigd en zou daarom geen liponzuur meer kunnen aanmaken. Toen we ontdekten dat mensen met defecte NFU1-genen, het menselijke equivalent van het bacteriële NfuA-gen dat in onze experimenten werd gebruikt, had een tekort aan liponzuur, we dachten dat deze ijzer-zwaveldrager het verbruikte ijzer-zwavelcluster in LipA zou kunnen vervangen, waardoor het door kan gaan met het maken van liponzuur."

Om deze hypothese te testen, de onderzoekers voerden twee belangrijke experimenten uit. Eerst, ze testten of LipA en NfuA met elkaar associëren door te beoordelen hoe snel de moleculen door een gel migreren met een techniek die gelfiltratiechromatografie wordt genoemd. Bij deze techniek, grote moleculen migreren sneller dan kleinere moleculen. Toen LipA en NfuA werden gecombineerd en vervolgens geanalyseerd met deze techniek, ze migreerden sneller dan elk molecuul op zichzelf, wat suggereert dat de twee moleculen aan elkaar waren gebonden om een ​​groter, sneller migrerend molecuul. De onderzoekers creëerden vervolgens een versie van NfuA die een iets andere vorm van zwavel (34S in plaats van 32S) bevatte, een vorm die ze konden traceren als het in LipA en vervolgens in liponzuur werd opgenomen. In dit tweede experiment de onderzoekers toonden aan dat nadat de 32S die oorspronkelijk in LipA aanwezig was, werd verbruikt in de chemische reactie om liponzuur te produceren, liponzuur werd geproduceerd met 34S, die alleen afkomstig kunnen zijn van hun gemanipuleerde NfuA.

"We zijn al geruime tijd geïnteresseerd in zowel het proces dat zwavel toevoegt aan een inerte koolstofverbinding om liponzuur te maken, als de bron van de toegevoegde zwavel, " zei Booker. "Liponzuur is een essentieel onderdeel van de fundamentele metabolische processen die onze cellen in leven houden. Als we de reactie begrijpen die het veroorzaakt, kunnen we dit proces niet alleen beter begrijpen, het geeft ons ook inzicht in ziekten bij de mens, zoals die veroorzaakt door mutaties in NFU1 die leiden tot een tekort aan liponzuur en de dood."