Ny forskning visar hur ett protein konsumeras och sedan rekonstitueras under produktionen av liponsyra, en förening som krävs av våra kroppar för att omvandla energi från mat till en form som kan användas av våra celler. Lipoylsyntasenzymet (LipA) tar bort två väteatomer från en inert kolkedja och ersätter dem med svavelatomer från ett av dess egna järn-svavelkluster för att skapa liponsyra, gör sig inaktiv i processen. Den nya forskningen från Penn State University, som kommer att publiceras i tidskriften Vetenskap den 20 oktober, 2017, visar att ett annat protein, en järn-svavelklusterbärare som kallas NfuA, ersätter det förstörda järn-svavelklustret i LipA, så att den kan fortsätta att producera liponsyra. Resultaten kan också hjälpa forskare att förstå varför människor med defekter i järn-svavelbärargenen - ett dödligt tillstånd - har brister på liponsyra.

"LipA kannibaliserar sig själv för att tillhandahålla de svavelatomer som behövs för produktionen av liponsyra, sa Squire Booker, professor i kemi och i biokemi och molekylärbiologi vid Penn State University, en utredare vid Howard Hughes Medical Institute, och motsvarande författare till forskningsartikeln. "När vi visade detta 2011, det var förbryllande för om LipA förstörs, hur kunde cellen göra tillräckligt med liponsyra?"

LipA ​​är en medlem av radikal SAM (S-adenosylmetionin) familjen av enzymer. Liksom de flesta radikala SAM-enzymer, den innehåller ett kluster av fyra järn- och fyra svavelatomer, som den använder för att omvandla SAM till en högenergiradikal. I tur och ordning, den radikalen kan ta bort väteatomer från andra molekyler, ett steg som krävs för att aktivera många viktiga cellulära metaboliska reaktioner. Väteatomerna ersätts med svavel för att slutföra processen.

Var svavelatomerna som LipA använder för att producera liponsyra kommer ifrån och hur de är fästa har varit stora frågor på området. Hur andra enzymer fäster syreatomer till inerta kolcentra är ganska väl förstått. I de fallen, syre, som är allmänt tillgänglig i atmosfären, används för att skapa högenergiradikaler och är också källan till den bifogade syreatomen. Svavel, å andra sidan, är inte tillgänglig på liknande sätt, men till skillnad från de flesta andra radikala SAM-enzymer, LipA ​​har ett extra järn-svavelkluster.

"Vi visste från tidigare arbete att LipA använde sitt andra järn-svavelkluster som källan till svavelatomer för att skapa liponsyra, " sa Erin L. McCarthy, en doktorand i Bookers laboratorium och den första författaren till tidningen. "Men detta skapade ett problem. Om LipA stal svavelatomer från sitt eget järn-svavelkluster, enzymet skulle förstöras och kunde därför inte skapa någon mer liponsyra. När vi lärde oss att människor med defekta NFU1-gener, den mänskliga motsvarigheten till den bakteriella NfuA-genen som används i våra experiment, hade brist på liponsyra, vi trodde att denna järn-svavelbärare kunde ersätta det förbrukade järn-svavelklustret i LipA, så att den kan fortsätta göra liponsyra."

För att testa denna hypotes, forskarna utförde två nyckelexperiment. Först, de testade om LipA och NfuA associerar med varandra genom att bedöma hur snabbt molekylerna migrerar genom en gel med en teknik som kallas gelfiltreringskromatografi. I denna teknik, stora molekyler migrerar snabbare än mindre molekyler. När LipA och NfuA kombinerades och sedan analyserades med denna teknik, de migrerade snabbare än vad båda molekylerna gör på egen hand, vilket tyder på att de två molekylerna var bundna tillsammans för att bilda en större, snabbare migrerande molekyl. Forskarna skapade sedan en version av NfuA som innehöll en något annorlunda form av svavelatomer (34S snarare än 32S), en form som de kunde spåra om det inkorporerades i LipA och sedan i liponsyra. I detta andra experiment, forskarna visade att efter att 32S som ursprungligen fanns i LipA förbrukades i den kemiska reaktionen för att producera liponsyra, liponsyra producerades innehållande 34S, som bara kunde ha kommit från deras konstruerade NfuA.

"Vi har varit intresserade ganska länge av både processen som tillsätter svavel till en inert kolförening för att göra liponsyra och källan till det tillsatta svavlet, ", sade Booker. "Liponsyra är en viktig komponent i de grundläggande metaboliska processerna som håller våra celler vid liv. Att förstå reaktionen som skapar den gör det inte bara möjligt för oss att förstå denna process bättre, det ger oss också insikt i mänskliga sjukdomar som den som orsakas av mutationer i NFU1 som resulterar i liponsyrabrist och död."