铁氧还蛋白-2和弗拉塔克汀如何共同调控铁硫簇的生成

铁硫簇是许多参与电子传递、催化和信号传导的蛋白质活性位点的重要组成部分，是必需的金属辅因子。它们最初在线粒体中以[2Fe-2S]簇的形式合成，作为[4Fe-4S]簇组装的基础模块。合成过程在支架蛋白ISC U2上按顺序进行：首先是铁结合，随后由半胱氨酸脱硫酶复合物（NFS1-ISD11-ACP）提供过硫化物，接着FDX2裂解过硫化物形成[1Fe-1S]前体，最后ISC U2二聚化形成[2Fe-2S]簇。FXN通过加速过硫化物从NFS1到ISC U2的转移来增强整个合成过程。

铁硫簇合成缺陷会导致严重疾病，最常见的是弗里德赖希共济失调，这是一种由FXN表达缺陷引起的神经退行性和心脏疾病。目前的治疗策略多聚焦于提高FXN水平，但FXN过表达会产生毒性，这与铁硫簇生物合成缺陷有关。研究发现，FXN和FDX2会竞争结合NFS1-ISC U2复合物上的同一结合位点，且亲和力相似。利用体外重组的人体系统研究显示，FXN和FDX2的量接近相等时合成效率最高，任何偏离这一比例的情况都会下调铁硫簇的合成。具体来说，FXN过多会削弱FDX2的过硫化物还原酶活性，而FDX2过多则会减慢FXN加速的过硫化物转移过程。此外，FDX2还通过与NFS1的过硫化物携带移动环相互作用，直接阻碍过硫化物的生成和向ISC U2的转移。

为验证上述机制，研究人员进行了多种实验：动力学分析显示FXN和FDX2浓度失衡会降低[2Fe-2S]簇合成速率；流动诱导分散分析（FIDA）和等温滴定量热法（ITC）证实了FXN和FDX2对NFS1-ISC U2复合物的竞争性结合及相似亲和力；烷基化还原带移（ARBS）实验揭示了两者对过硫化物生成、转移和还原的影响。结构功能研究通过AlphaFold建模和丙氨酸扫描突变，发现FDX2的螺旋F和C端尾部参与与NFS1的相互作用，其中C端的D179残基通过干扰NFS1移动环的运动来抑制过硫化物转移。

在弗里德赖希共济失调的果蝇模型中，研究人员发现FDX2的同源物Fdx1在FXN缺陷时表达上调。通过RNA干扰降低Fdx1的表达，能改善果蝇的铁硫簇缺陷并延长寿命，且存在一个最优的Fdx1浓度。这与体外实验结果一致，表明降低FDX2水平可减轻其与FXN的竞争及对NFS1移动环的干扰，从而改善铁硫簇组装。

综上，该研究揭示了FXN和FDX2通过拮抗结合直接调控铁硫簇生物合成的机制，并提示在弗里德赖希共济失调患者的FXN缺陷情况下，降低FDX2水平可能成为一种新的治疗方向。