Advanced

The complex world of proteins: Structure, function, and oligomerization of frataxin

Söderberg, Christopher LU (2013)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Bakgrund



Järn (med den kemiska beteckningen Fe, från latinets ferrum) är känt för de flesta som en beståndsdel i till exempel stål. Det många inte vet är att järn är nödvändigt för liv, så som det ser ut på jorden idag. Men det finns en annan sida av myntet: järn kan nämligen också vara giftigt.



Som de allra flesta känner till rostar järn i närvaro av syre och vatten. Andra molekyler, som också finns i cellen, till exempel väteperoxid (som man även bleker sitt hår med), kan tillsammans med järn bilda extremt reaktiva och farliga molekyler för biologiska system. I cellen finner vi järn i två huvudsakliga former: Fe2+ och Fe3+, där Fe2+ är den huvudsakliga... (More)
Popular Abstract in Swedish

Bakgrund



Järn (med den kemiska beteckningen Fe, från latinets ferrum) är känt för de flesta som en beståndsdel i till exempel stål. Det många inte vet är att järn är nödvändigt för liv, så som det ser ut på jorden idag. Men det finns en annan sida av myntet: järn kan nämligen också vara giftigt.



Som de allra flesta känner till rostar järn i närvaro av syre och vatten. Andra molekyler, som också finns i cellen, till exempel väteperoxid (som man även bleker sitt hår med), kan tillsammans med järn bilda extremt reaktiva och farliga molekyler för biologiska system. I cellen finner vi järn i två huvudsakliga former: Fe2+ och Fe3+, där Fe2+ är den huvudsakliga formen för biologiskt användbart järn.



I de fall där kroppen misslyckats med att reglera järnets reaktivitet i cellen, kan en rad olika sjukdomar bryta ut. Det vanliga är att nervsystemet påverkas, och då utvecklas sjukdomar som till exempel Friedriech’s ataxi (FRDA), en så kallad progressiv neurodegenerativ sjukdom. Den bryter ned människans nervsystem under en längre period. Forskning har identifierat ett protein, kallat frataxin, som FRDA-patienter har väldigt lite av jämfört med friska människor. Andra nervsjukdomar som Parkinson är också kopplade till felreglering av järn.



Sedan upptäckten av frataxin har det visat sig att detta protein är centralt för järnhanteringen i cellens mitokondrier, den plats i cellen där syret vi andas in används. När det finns för lite frataxin i mitokondrien ansamlas järn i form av rost, samtidigt bryts mitokondriens DNA och proteiner ned av de farliga molekyler som bildas då järn reagerar med bland annat väteperoxid. I förlängningen slutar mitokondrierna att fungera, och cellerna dör. Forskning har visat att frataxin kan binda till sig järn, och förhindra att det reagerar med sin omgivning. I de fall då det finns väldigt mycket järn kan frataxin lagra stora mängder inuti en sfär av 24 frataxinmolekyler. En stor del av denna avhandling är fokuserad på hur det går till när frataxin bildar dessa sfärer.



Flera andra processer behöver frataxin, och en av dem är hem-syntesen. Hem är en livsnödvändig molekyl, som återfinns i väldigt många proteiner, till exempel hemoglobin i våra röda blodkroppar. Ferrokelatas heter det protein som tillverkar hem, genom att förena järn med en stor ringformad molekyl kallad porfyrin. Mycket forskning pekar på att frataxin binder järn, och bär det till ferrokelatas. I dennaavhandling beskriver jag hur frataxin interagerar med ferrokelatas, för att leverara det nödvändiga järnet.



Metoder



För att studera frataxin och dess aktivitet har många olika metoder kombinerats. För att kunna få en bild av hur frataxin ser ut har vi använt synkrotroner, speciella högenergimaskiner som producerar intensivt ljus. Med hjälp av röntgenljus kan man få ungefärlig information om ett proteins form, men också, under speciella förhållanden, exakt information om hur ett proteins atomer förhåller sig till varandra.



Resultat



Jag har arbetat framförallt med frataxin från jästen S. cerevisiae (samma jästorganism som används i bakning av bröd). Genom att utsätta frataxin för olika stora mängder järn har vi kunnat följa en process där flera frataxinmolekyler går ihop och, likt lego, bygger upp olika stora komplex (där antalet frataxin per komplex är 3, 6, 12 eller 24). Med hjälp av en kombination av metoder har vi lyckats beskriva hur de olika frataxinkomplexen ser ut, och hur järn binder till och stabiliserar komplexen.



När vi studerade hur frataxin interagerade med ferrokelatas, antydde resultaten av experimenten att det inte bara skedde en leverans av järn, utan att frataxin också förberedde järnet för insättning i hem. Olika stora frataxinkomplex visade sig också vara olika bra på att leverera järn till ferrokelatas, och komplex med upp till tre frataxinmolekyler var mest effektiva. Detta är viktigt att veta för framtida experiment. Vi måste kontrollera mängden järn relativt frataxin, och därigenom vilken form av frataxin som är aktiv. Andra processer som är beroende av frataxin kan vara beroende av andra typer av frataxinkomplex.



Arbetet med frataxin från människa har precis tagit fart. Vi har lyckats visa att även det humana frataxinet kan bygga stora komplex när olika stora mängder järn tillsätts. Till skillnad från jästfrataxin är komplex av humant frataxin väldigt instabila. Det är förmodligen anledningen till att ingen kunnat observera dem tidigare.



Det återstår arbete med att beskriva hur de olika komplexen av humanfrataxin ser ut, för att kunna jämföra med dem från jäst, men också för att kunna identifiera kemiska föreningar som kan stabilisera dem. Förhoppningsvis går det då att hjälpa en del av de människor som drabbats av sjukdomen FRDA. (Less)
Abstract
Patients suffering from the deadly progressive neurodegenerative disease Friedreich's ataxia have reduced levels of expression of the protein frataxin. Yeast frataxin has been extensively studied in vitro, and has been shown to deliver iron to heme and iron-sulfur cluster biosynthesis, as well as to oligomerize in the presence of iron. In this dissertation metal-dependent oligomerization of frataxin from human, S. cerevisiae and E. coli was studied using small angle X-ray scattering (SAXS).The structures of yeast frataxin oligomers that formed in the presence of iron were successfully modeled, and the relative distribution of different oligomers in solution at varying iron concentration was determined. The results suggest that trimeric... (More)
Patients suffering from the deadly progressive neurodegenerative disease Friedreich's ataxia have reduced levels of expression of the protein frataxin. Yeast frataxin has been extensively studied in vitro, and has been shown to deliver iron to heme and iron-sulfur cluster biosynthesis, as well as to oligomerize in the presence of iron. In this dissertation metal-dependent oligomerization of frataxin from human, S. cerevisiae and E. coli was studied using small angle X-ray scattering (SAXS).The structures of yeast frataxin oligomers that formed in the presence of iron were successfully modeled, and the relative distribution of different oligomers in solution at varying iron concentration was determined. The results suggest that trimeric yeast frataxin has a central role in frataxin function, as an oligomer building block as well as an iron delivery unit and a plausible iron sensor. In the light of these results, structural and kinetic characterization of yeast frataxin iron delivery to ferrochelatase was performed. EM reconstruction of the complex between ferrochelatase and frataxin showed that one yeast frataxin trimer binds to each of the subunits within the ferrochelatase dimer. The interface between yeast frataxin and ferrochelatase contained both polar and charged amino acids, and potential hydrogen bond interactions as well as salt-bridge interactions were identified. Furthermore, single-turnover stopped-flow kinetics measurements showed increased rates of heme production when iron was delivered from monomeric or trimeric yeast frataxin, as compared to free iron in solution. It was concluded that, yeast frataxin delivers iron to ferrochelatase, and in addition facilitates ferrochelatase activity, presumably through partial dehydration of the hydrated iron ion. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Vestergaard, Bente, Copenhagen University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Frataxin, Friedreich's ataxia, self-assembly, protein-protein interaction, iron homeostasis, SAXS, cross-linking
pages
112 pages
publisher
Department of Chemistry, Lund University
defense location
Kemicentrum, Getingevägen 60, 222 41, Lund
defense date
2013-09-27 10:30
ISBN
978-91-7473-641-0
language
English
LU publication?
yes
id
21e6b03a-94ee-46f9-b9b9-576e1090348a (old id 4015860)
date added to LUP
2013-09-04 09:07:53
date last changed
2016-09-19 08:45:12
@misc{21e6b03a-94ee-46f9-b9b9-576e1090348a,
  abstract     = {Patients suffering from the deadly progressive neurodegenerative disease Friedreich's ataxia have reduced levels of expression of the protein frataxin. Yeast frataxin has been extensively studied in vitro, and has been shown to deliver iron to heme and iron-sulfur cluster biosynthesis, as well as to oligomerize in the presence of iron. In this dissertation metal-dependent oligomerization of frataxin from human, S. cerevisiae and E. coli was studied using small angle X-ray scattering (SAXS).The structures of yeast frataxin oligomers that formed in the presence of iron were successfully modeled, and the relative distribution of different oligomers in solution at varying iron concentration was determined. The results suggest that trimeric yeast frataxin has a central role in frataxin function, as an oligomer building block as well as an iron delivery unit and a plausible iron sensor. In the light of these results, structural and kinetic characterization of yeast frataxin iron delivery to ferrochelatase was performed. EM reconstruction of the complex between ferrochelatase and frataxin showed that one yeast frataxin trimer binds to each of the subunits within the ferrochelatase dimer. The interface between yeast frataxin and ferrochelatase contained both polar and charged amino acids, and potential hydrogen bond interactions as well as salt-bridge interactions were identified. Furthermore, single-turnover stopped-flow kinetics measurements showed increased rates of heme production when iron was delivered from monomeric or trimeric yeast frataxin, as compared to free iron in solution. It was concluded that, yeast frataxin delivers iron to ferrochelatase, and in addition facilitates ferrochelatase activity, presumably through partial dehydration of the hydrated iron ion.},
  author       = {Söderberg, Christopher},
  isbn         = {978-91-7473-641-0},
  keyword      = {Frataxin,Friedreich's ataxia,self-assembly,protein-protein interaction,iron homeostasis,SAXS,cross-linking},
  language     = {eng},
  pages        = {112},
  publisher    = {ARRAY(0xaf5ed78)},
  title        = {The complex world of proteins: Structure, function, and oligomerization of frataxin},
  year         = {2013},
}