Advanced

The Iron Binding Protein Frataxin : Structural and functional studies of the iron oxidation driven oligomerisation

AHLGREN, EVA-CHRISTINA LU (2016)
Abstract (Swedish)
Järn (med den kemiska beteckningen Fe, från latinets ferrum) är absolut nödvändig för vår kropp och vårt liv. Järn används nämligen i många livsnödvändiga reaktioner i vår kropp. Men järn kan också vara giftigt för levande varelser om järnjonerna (Fe2+) får fritt interagera med våra cellers olika beståndsdelar som proteiner och DNA.
Rubbningar i hur järnet tas om hand och fördelas i cellen kan leda till en rad sjukdomar som drabbar människans nervsystem. Bland dessa finns Friedreichs ataxia (FRDA) och Parkinsons sjukdom. Friedreichs ataxia är en så kallad neurodegenerativ sjukdom, där den under en längre period bryter ned människans nervsystem. Ordet ataxia (från grekiska, icke-ordning) förknippas med förändringar i koordineringen av... (More)
Järn (med den kemiska beteckningen Fe, från latinets ferrum) är absolut nödvändig för vår kropp och vårt liv. Järn används nämligen i många livsnödvändiga reaktioner i vår kropp. Men järn kan också vara giftigt för levande varelser om järnjonerna (Fe2+) får fritt interagera med våra cellers olika beståndsdelar som proteiner och DNA.
Rubbningar i hur järnet tas om hand och fördelas i cellen kan leda till en rad sjukdomar som drabbar människans nervsystem. Bland dessa finns Friedreichs ataxia (FRDA) och Parkinsons sjukdom. Friedreichs ataxia är en så kallad neurodegenerativ sjukdom, där den under en längre period bryter ned människans nervsystem. Ordet ataxia (från grekiska, icke-ordning) förknippas med förändringar i koordineringen av muskelrörelser på grund av sjukliga förändringar i ryggmärgen och framför allt i lillhjärnan.

Forskning har identifierat ett protein, kallat frataxin, som FRDA-patienter har väldigt lite av jämfört med friska människor. Detta protein gör sitt jobb i en del av cellen kallat mitokondrien, som bland annat producerar den energi kroppen använder sig av och där syret vi andas används. När för lite frataxin finns i mitokondrien, ökas halten av järn i form av rost, samtidigt som mitokondriens DNA och proteiner bryts ned av de farliga molekylerna, kallat radikaler, som bildas när järn reagerar med bland annat syre eller väteperoxid som vi naturligt har i våra celler. Detta måste kroppen motverka och har skapat system för att ta upp, förvara och leverera järn på ett säkert sätt till de processer i kroppen där järnet behövs.
Sedan upptäckten av frataxin har det visat sig att detta protein är centralt för järn hanteringen i mitokondrien, både i att ta hand om och leverera järnet.

Frataxin utför sin funktion genom att bilda stora komplex som består av mindre subenheter. Stabiliteten av dessa komplex har en central betydelse för att järn ska kunna lagras och levereras och för att kroppen ska kunna försvara sig mot järnjoners giftiga effekter.

Ett proteins struktur är tätt kopplat till dess funktion och genom att veta strukturen kan man dra slutsatser om hur proteinet fungerar. Och hur strukturen ser ut av de komplex som frataxin kan bilda kan ge oss information om hur järn tas omhand och levereras till olika processer och något som vi här har undersökt.

I en process där frataxin behövs är hem-syntesen. Hem är en livsnödvändig molekyl, som finns 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, något som även vi undersökt vidare.
Resultaten antydde att uppbyggnaden av hem gick snabbare när frataxin var med och kunde bära järnet till ferrokelatas. Det visade sig även att olika stora frataxin-komplex var olika bra på att leverera järnet och komplex med upp till tre frataxin-molekyler var mest effektiva.

Vi har också undersökt hur frataxin går ihop, likt lego, och bygger upp olika stora komplex.
Vi har undersökt frataxin proteiner från olika organismer, från jästen S. cerevisiae (samma jästorganism som används vid bakning av bröd), från en bakterie E. coli och från människan.
Arbetet med jäst frataxin har kommit längst där vi genom att tillsätta olika mängder järn kunnat följa processen hur de olika komplexen byggs upp och kunnat bestämma strukturen av dessa. Det har visat sig att jäst frataxin bygger ihop sig till tre frataxin molekyler och att denna enhet sen är en byggsten för att bygga större och större komplex tills 24 frataxin-molekyler bildar ett komplex.

Med frataxin från bakterien E. coli har det visat sig att fyra frataxin-molekyler bygger ett komplex. Dessutom kan större komplex byggas men exakt hur uppbyggnaden går till och vilka strukturer som bildas vet vi inte än.
För frataxin från oss människor byggs också komplex upp, även där skilt från jästens sätt att bygga ihop komplex på då fyra eller sex stycket frataxin molekyler bygger ihop olika stora komplex. Ytterliggare större komplex kan byggas men dessa är inte lika stabila som de jäst eller bakterie frataxin bygger upp.
Vi arbetar på att beskriva hur de olika komplexen av mänskligt frataxin ser ut för att kunna identifiera kemiska föreningar som stabiliserar dessa komplex. Förhoppningsvis går det då att hjälpa en del av de människor som drabbats av sjukdomen Friedreichs ataxia.
(Less)
Abstract

Iron is an essential element for life on the planet – yet it can also be toxic to cells. This toxicity is controlled by its association with prosthetic groups, such as heme and iron-sulphur clusters. Control of iron storage and delivery is also required for proper iron homeostasis in cells. The mitochondrial protein frataxin plays a central role in these processes. Patients suffering from the deadly neurodegenerative disease Friedreich´s ataxia have lower than normal levels of frataxin and abnormally high levels of iron and reactive oxygen species in mitochondria.

In this work, we... (More)

Iron is an essential element for life on the planet – yet it can also be toxic to cells. This toxicity is controlled by its association with prosthetic groups, such as heme and iron-sulphur clusters. Control of iron storage and delivery is also required for proper iron homeostasis in cells. The mitochondrial protein frataxin plays a central role in these processes. Patients suffering from the deadly neurodegenerative disease Friedreich´s ataxia have lower than normal levels of frataxin and abnormally high levels of iron and reactive oxygen species in mitochondria.

In this work, we studied iron-induced oligomerisation of human (FXN81-210), yeast (Yfh1) and Escherichia coli (CyaY) frataxin using dynamic light scattering, small-angle X-ray scattering, electron microscopy, crosslinking mass spectrometry (CXMS) and X-ray absorption spectroscopy.

At the initial stage of Yfh1 oligomerisation, monomers are joined together to form trimers, which are subsequently used as building blocks for higher order oligomer formation, up to 24-mers. Human FXN81-210 and bacterial CyaY have the propensity to form ring-shaped tetrameric structures. The relative arrangement of individual subunits in the tetramers was probed by CXMS, and revealed a head-to-tail arrangement of monomers. Iron-binding sites are suggested to be located at the interface between subunits, and may contribute to the stability of the oligomers. Hydrogen peroxide and iron chelators were shown to enhance the formation of FXN81-210 oligomers, presumably through inducing a higher rate of iron oxidation and formation of a ferrihydrite mineral.

In the yeast system, we also show that frataxin trimers form a complex with ferrochelatase. In this complex two monomers of the trimer are directly engaged in interactions with ferrochelatase. In addition, we show that the presence of frataxin stimulates the heme synthesis reaction that is catalysed by ferrochelatase and that the greatest enhancement is observed when monomers, dimers and trimers are present in solution. Higher order oligomers, on the other hand, were found to be less efficient in stimulating the metallation reaction. 

(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Andrews, Simon, University of Reading, United Kingdom
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Frataxin, Friedreich's ataxia, self-assembly, iron-homeostasis, Protein-protein interactions, cross-linking, Transmission electron microscopy (TEM), SAXS, Frataxin, Friedreich's ataxia, järn homeostas, komplexbildning, protein-protein interaktioner, korslänkning, elektronmikroskopi, SAXS
pages
166 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Biochemistry and Structural Biology
defense location
Center for chemistry and chemical engineering, lecture hall B, Naturvetarvägen 14, Lund.
defense date
2016-06-16 10:15
ISBN
978-91-7422-463-4
language
English
LU publication?
yes
id
e1dd5cc7-06f4-4322-8c64-016b0214ac14
date added to LUP
2016-05-17 16:43:26
date last changed
2016-09-19 08:45:20
@misc{e1dd5cc7-06f4-4322-8c64-016b0214ac14,
  abstract     = {<p class="MsoNormal" style="text-align:justify;text-justify:inter-ideograph">Iron is an essential element for life on the planet – yet it can also be toxic to cells. This toxicity is controlled by its association with prosthetic groups, such as heme and iron-sulphur clusters. Control of iron storage and delivery is also required for proper iron homeostasis in cells. The mitochondrial protein frataxin plays a central role in these processes. Patients suffering from the deadly neurodegenerative disease Friedreich´s ataxia have lower than normal levels of frataxin and abnormally high levels of iron and reactive oxygen species in mitochondria. </p><p class="MsoNormal" style="text-align:justify;text-justify:inter-ideograph">In this work, we studied iron-induced oligomerisation of human (FXN<sup>81-210</sup>), yeast (Yfh1) and <i style="mso-bidi-font-style:normal">Escherichia coli </i>(CyaY) frataxin using dynamic light scattering, small-angle X-ray scattering, electron microscopy, crosslinking mass spectrometry (CXMS) and X-ray absorption spectroscopy.</p><p class="MsoNormal" style="text-align:justify;text-justify:inter-ideograph">At the initial stage of Yfh1 oligomerisation, monomers are joined together to form trimers, which are subsequently used as building blocks for higher order oligomer formation, up to 24-mers. Human FXN<sup>81-210</sup> and bacterial CyaY have the propensity to form<i style="mso-bidi-font-style:normal"> </i>ring-shaped tetrameric structures. The relative arrangement of individual subunits in the tetramers was probed by CXMS, and revealed a head-to-tail arrangement of monomers. Iron-binding sites are suggested to be located at the interface between subunits, and may contribute to the stability of the oligomers. Hydrogen peroxide and iron chelators were shown to enhance the formation of FXN<sup>81-210</sup> oligomers, presumably through inducing a higher rate of iron oxidation and formation of a ferrihydrite mineral. </p><p class="MsoNormal" style="text-align:justify;text-justify:inter-ideograph">In the yeast system, we also show that frataxin trimers form a complex with ferrochelatase. In this complex two monomers of the trimer are directly engaged in interactions with ferrochelatase. In addition, we show that the presence of frataxin stimulates the heme synthesis reaction that is catalysed by ferrochelatase and that the greatest enhancement is observed when monomers, dimers and trimers are present in solution. Higher order oligomers, on the other hand, were found to be less efficient in stimulating the metallation reaction. </p>},
  author       = {AHLGREN, EVA-CHRISTINA},
  isbn         = {978-91-7422-463-4},
  keyword      = {Frataxin,Friedreich's ataxia,self-assembly,iron-homeostasis,Protein-protein interactions,cross-linking,Transmission electron microscopy (TEM),SAXS,Frataxin,Friedreich's ataxia,järn homeostas,komplexbildning,protein-protein interaktioner,korslänkning,elektronmikroskopi,SAXS},
  language     = {eng},
  pages        = {166},
  publisher    = {ARRAY(0x958eac0)},
  title        = {The Iron Binding Protein Frataxin : Structural and functional studies of the iron oxidation driven oligomerisation},
  year         = {2016},
}