Chemiker des Boston College haben eine Strategie entwickelt, um das Vorhandensein oder Fehlen von Eisen-Schwefel-Clustern zu überwachen, die für die Funktion verschiedener Proteine wesentlich sind, berichtete das Team kürzlich in der Zeitschrift Naturchemische Biologie.
Die vom Team entwickelte proteomische Plattform für Eisen-Schwefel (Fe-S) ermöglichte es ihnen, einen besseren Einblick in die Dynamik der Lieferung und Bindung von Eisen-Schwefel-Clustern zu gewinnen, so Professorin für Chemie Eranthie Weerapana und Senior Research Associate Daniel Bak, Co-Autoren des Studiums.
Eisen-Schwefel-Cluster finden sich in Proteinen, die für die menschliche Gesundheit unerlässlich sind, wie z. B. DNA-Reparaturenzyme, und in den Energiewissenschaften für Biobrennstoffzellen und sauberere industrielle Prozesse wichtig sind.
Laut Bak war die Untersuchung von Eisen-Schwefel-Clustern jedoch aufgrund der Instabilität und Dynamik des Fe-S-Cluster-Protein-Komplexes immer eine Herausforderung.
„Wir wollten eine Technologie entwickeln, die es uns ermöglichen würde, die Dynamik der Fe-S-Clusterbindung in einem ganzen Proteom global zu bewerten, ohne dass eine mühsame Proteinreinigung, Radioisotope von Eisen oder Schwefel oder vorheriges Wissen über Clusterbindungsstellen erforderlich sind.“ Sagte Bak.
Viele Proteine enthalten Metall-Cofaktoren wie Eisen-Schwefel-Cluster, erklärte er. Diese anorganischen Cofaktoren ermöglichen einzigartige Proteinfunktionen, wie z. B. Ein-Elektronen-Redoxchemie, die den 20 kanonischen Proteinaminosäuren nicht zur Verfügung stehen.
Das Team führte die Studie im Bakterium E. coli durch, das ein Modellorganismus mit einem gut charakterisierten Eisen-Schwefel-Proteom ist. Um die Bindung von Fe-S-Clustern an Proteinziele zu messen, verwendete das Team fortschrittliche, auf Massenspektrometrie basierende proteomische Strategien in Verbindung mit chemischen Sonden, die zwischen den clustergebundenen und -ungebundenen Formen eines Proteins unterscheiden können, sagte Weerapana.
Das Team beobachtete eine unterschiedliche Empfindlichkeit von Eisen-Schwefel-Clustern sowohl gegenüber einer Eisenbegrenzung als auch einer Beeinträchtigung der Wege, die E. coli zur Synthese von Fe-S-Clustern verwendet, was auf eine Priorisierung der Lieferung von Eisen-Schwefel-Clustern in E. coli hindeutet, berichtet das Team. Das Wissen über die Priorisierung von Eisen-Schwefel-Clustern kann Aufschluss darüber geben, wie sich verschiedene Mikroben in Umweltnischen, in denen Eisen begrenzt ist, assimilieren und gedeihen können.
Die Forscher waren auch in der Lage, die Rollen der verschiedenen biosynthetischen Eisen-Schwefel-Enzyme zu unterscheiden, von denen einige für die Lieferung fast aller Fe-S-Cluster unerlässlich sind, während andere eine spezifischere Rolle bei der Lieferung von Clustern an eine bestimmte Untergruppe von Fe spielen -S-Proteine.
„Durch die Auswertung der von uns generierten Datensätze konnten wir eine Liste potenziell neuer Fe-S-Proteine zusammenstellen, von denen zwei als Eisen-Schwefel-Cluster-Bindungsproteine validiert wurden“, sagte Weerapana. „Dies eröffnet die Möglichkeit, mithilfe der Proteomik neuartige Fe-S-Clusterbiologien nicht nur in E. coli, sondern auch in anderen Organismen zu identifizieren.“
Die Forscher sagten, der nächste Schritt sei die Übertragung dieser Arbeit auf andere Organismen und Modellsysteme, einschließlich Zellkulturmodelle von Fe-S-abhängigen menschlichen Krankheiten wie der Friedrich-Ataxie. Die neue Plattform bietet ein leistungsstarkes Werkzeug zur Charakterisierung von Mechanismen der Fe-S-Clustersynthese und -abgabe sowie zur Identifizierung neuer Eisen-Schwefel-abhängiger zellulärer Wege.
Mehr Informationen:
Daniel W. Bak et al., Überwachung der Belegung von Fe-S-Clustern im E. coli-Proteom mithilfe von Chemoproteomik, Naturchemische Biologie (2023). DOI: 10.1038/s41589-022-01227-9