文摘

的Rieske iron-sulfur蛋白质、细胞色素的催化亚基之一复杂,参与电子传递的酵母线粒体的内膜。的Rieske iron-sulfur蛋白质是由核DNA编码,在胞质合成后,导入线粒体可分裂的氨基端presequence的帮助。导入的蛋白质,除了将2 fe-2s集群,也与其他催化和非细胞色素的子单元复杂,从而组装成成熟和功能呼吸复杂。在这篇文章中,我们总结了最近发现的进口和组装Rieske iron-sulfur蛋白质酿酒酵母线粒体,也讨论了可能作用的蛋白质在细胞色素的二聚作用复杂的交互,这为与其他线粒体呼吸链复合物。

1。介绍

的Rieske iron-sulfur蛋白质(Rip1p或ISP)是细胞色素的催化亚基之一复杂的(也称为线粒体呼吸链的复杂III)。这呼吸酶组装的成熟和功能为线粒体的内膜;除了ISP,它包含两个进一步催化亚基,细胞色素和细胞色素和七个非催化亚基(核心蛋白1和核心蛋白2 Qcr6p Qcr7p, Qcr8p, Qcr9p, Qcr10p)。这些最后的子单元也叫“多余的”,因为他们没有在某些细菌的细胞色素复杂的(1,2]。ISP是至关重要的为这个复杂的活动和呼吸的增长酿酒酵母线粒体(3- - - - - -5]。的基因RIP1在原核生物和真核生物是守恒的(2),它的人类UQCRFS1同族体。的氨基酸序列比较显示高度的相似性,特别是在c端区域的蛋白质。与细胞色素功能,ISP严格配合和细胞色素在电子转移催化的线粒体细胞色素复杂。这样做,ISP需要2 fe-2s集群的存在,这是绑定到可移动的c端域的蛋白质位于线粒体膜间隙。这个膜间隙域连接由一个短的氨基酸疏水性氨基端连接器α螺旋,插入内线粒体膜。在过去几十年的研究和组装的ISP导入线粒体的显示一个定义良好的途径与几个相互作用的蛋白质复杂的子单元。此外,ISP拓扑的大型homodimeric细胞色素复杂的结构是相当特点;事实上,虽然ISP严格与跨膜域一个单体单元,膜间隙严格与域相同的蛋白质子单元的其他单体。因此,ISP生物起源和组装的影响显得有趣。可能确实是ISP,除了代表每一个组件的氧化还原活性复杂,可能还在建立中发挥作用的成熟和功能复杂的三世线粒体膜。

2。在细胞色素结构特点的ISP复杂的

细胞色素的晶体结构的分辨率复杂的孤立从牛肉6,7)、鸡肉(8),和酵母(9)线粒体透露这个复杂的二聚的结构安排。在晶体结构中,两份ISP交织在一起的反式的方式对每个单体(图1)。每个分子的ISP是局部内线粒体膜的外表面,由三个独立的领域:(i) membrane-spanningα螺旋域的n端;(2)可溶性c端extramembranous域含有大量的蛋白质和iron-sulfur集群;(3)一小段7日至9日氨基酸连接外部域membrane-spanning域(7- - - - - -9]。

酵母和牛的n端结构域的结构/鸡Rieske蛋白质不同,和这种差异伴随着较低的序列同源性9]。酵母ISP相对丰富的氨基酸极性氨基酸(3]。有一段疏水氨基酸n端远端,在丙氨酸55开始;这种疏水性氨基酸序列和极地锚的ISP复杂的(2]。更详细,第十残留酵母ISP的氨基端多肽链之一β板的细胞色素、Qcr8p和核心蛋白1贡献[9]。这个二级元素也出现在牛亚基(7]。在哺乳动物的晶体结构,跨膜α螺旋跨膜螺旋的ISP与Qcr9p和Qcr10p7]。尽管序列同源性较低,因为类似酵母的整体结构与牛和鸡复合物相比,作者认为跨膜螺旋的位置可能非常相似的复合物(8,9]。

可溶性extramembranous的结构域的酵母ISP (9)非常类似于牛的同源域复杂(7]。这个外在域(残留93 - 215)是一个包含三层反平行的平面球形模块β表和形式与细胞色素的功能单位和细胞色素第二单体。iron-sulfur集群由Cys159协调、His161 Cys178,和Cys164 His181 Cys180形成二硫桥,稳定的集群(9,10]。未能插入iron-sulfur集群损害组装的ISP复杂,就是明证的易感性催化亚基蛋白酶降解[11]。消除二硫桥没有显著影响集群的稳定但间接损害了泛醌氧化网站(12]。的毁灭Rieske iron-sulfur集群由hematoporphyrin-promoted photoinactivation导致proton-permeable复杂的(13]。另一项研究证实,消除iron-sulfur集群的突变体复合物打开了一个封闭的质子通道在这呼吸复杂(14]。因此,这是猜测,在正常的催化循环复杂,iron-sulfur集群可能作为proton-exiting门调节控制,矢量挤压的质子复杂的(14]。

细胞色素的显著特征之一复杂的结构是发现催化域的ISP,携带iron-sulfur集群由一个灵活的连接器连接到跨膜锚地区,也称为范围域。事实上,尽管iron-sulfur集群的位置的变化,外在和membrane-spanning域的结构保持不变的晶体结构,这表明iron-sulfur集群的运动结果的转动灵活的链接器,它允许催化域将在两个位置之间的电子转移,近端细胞色素和细胞色素。这个运动的催化域的ISP是至关重要的航天飞机减少等价物泛醌的血红素组细胞色素(7,8,15,16]。有限域,ISP的高度保守的区域,显示序列TADVLAMA酵母(残留85 - 92)。三个高度保守的丙氨酸残基的存在在这个区域表明这些小的氨基酸残基可能提供所需的灵活性提出了拉伸的“范围”17]。突变,限制链接器区域的灵活性导致细胞色素的活性明显降低复杂的(18- - - - - -22]。这些结果表明,这一地区的灵活性是必不可少的电子转移活动,符合ISP的运动。其他修改,如链接器的长度的变化区域,损害与细胞色素泛醌之间的相互作用复杂的(19,23,24]。这些突变可能改变之间的距离ISP和细胞色素以这样一种方式,这两个单元之间的间隙,即泛醇氧化酶网站,不正确地适应泛醌。因此,看来范围域可以调整的灵活性,机动性,ISP的定位,让最好的运动细胞色素之间的这种蛋白质和细胞色素在催化。然而,最近的结构和生化证据也表明,细胞色素控制ISP的运动通过其亲和力的ISP外在领域,这复杂的机制解释了高保真的电子转移细胞色素复杂的(25- - - - - -28]。

3所示。和成熟的ISP导入酵母线粒体

像大多数的线粒体蛋白质,ISP是由核基因编码,在胞质核糖体翻译作为前体蛋白,然后导入到线粒体的帮助下一个氨基端presequence [29日,30.]。进口的ISP和成熟的前体蛋白的两步处理规模是第一个特点粗糙脉孢菌线粒体(31日]。在进口其他线粒体蛋白质,ISP进入内线粒体膜需要在脂质双分子层膜电位。导入线粒体能量后,蛋白质成为抵抗外部添加蛋白酶因其融入内心的线粒体膜。在酿酒酵母前体蛋白是由215个氨基酸组成的,包括30个氨基酸的氨基端presequence。这个presequence裂解在线粒体内两个步骤,从而产生一个成熟的ISP的185个氨基酸(32- - - - - -34]。起初,矩阵处理肽酶(MPP)删除22-amino酸肽的氨基端ISP前体蛋白(p-ISP)产生这种蛋白质的中间形式(i-ISP)。线粒体的中间肽酶(MIP)然后删除一个八肽i-ISP生成成熟的长度iron-sulfur蛋白质(m-ISP),其中包含185个氨基酸。相反,在哺乳动物presequence裂解和留存在单个步骤中细胞色素复杂的(35]。中间八肽的生物学功能和两个步骤的原因处理发生在不同的ISP前体属于特定的生物,如酿酒酵母,还没有完全理解。然而,它已经证明了两步处理ISP前兆并非必不可少的蛋白质的导入线粒体细胞色素及其组装复杂;事实上,变异形式的ISP,处理正常成熟的大小在一个单一的步骤和功能组装36]。

也有争议是否i-ISP首次纳入复杂的,然后裂解(37- - - - - -39还是只m-ISP可以组装成的复杂的(33]。定点诱变实验表明,第二个处理步骤发生i-ISP后组装成酵母线粒体复杂,iron-sulfur集群是插入到脱辅基蛋白MIP劈开离开之前的第二部分presequence [40]。有趣的是,它也发现i-ISP除非细胞色素不稳定插入到复杂处理其成熟的大小。事实上,细胞色素的块成熟的酵母突变菌株缺乏Qcr6p也受损原位成熟的ISP (41]。这些发现表明,各子单元的导入和组装细胞色素复杂的发生以有序的方式在不同的利率。

在这种情况下,重要的是要强调的组装iron-sulfur集群是一个复杂的过程,涉及多个高度保守的组件(42,43]。在真核细胞中,线粒体在iron-sulfur集群成熟,因为他们执行一个核心作用港所谓ISC (iron-sulfur集群)组装机器。一般来说,线粒体iron-sulfur蛋白质的成熟,比如ISP,包括两个主要步骤44,45]。第一,一个iron-sulfur集群中间短暂地装配在脚手架蛋白(ISCU人类或Isu1 Isu2酵母),随后,转移到目标载脂蛋白。硫来源于半胱氨酸通过半胱氨酸的活动desulfurase Nfs1,配合必要的辅助蛋白质Isd11。尽管硫的来源iron-sulfur集群形成清晰,Isu1铁的途径是更少的定义;然而,frataxin (Yfh1酵母),一个小酸性线粒体蛋白质,被建议作为反应的铁捐赠者通过与Isu1形成一个复杂的,Nfs1, Isd11 [46- - - - - -49]。在第二步中,集群从Isu1释放,转移到收件人载脂蛋白,组装成的脱辅基蛋白配合特定的氨基酸残基。这些过程需要具体的援助ISC装配组件:线粒体monothiol glutaredoxin Grx5, Hsp70家族称为Ssq1专用的女伴,在DnaJ-like cochaperone Jac1,和核苷酸交换因子Mge1 [50- - - - - -55]。然而,进一步的研究是必要的描述事件的早期步骤的顺序新创iron-sulfur集群生物起源。

4所示。组装细胞色素的ISP复杂的

由于分子事件的复杂性,讨论ISP装配无法不考虑组装细胞色素的复杂的ISP插入和运作56]。许多实验已经进行了过去几十年的分子机制和涉及的步骤组装各种蛋白质亚基细胞色素复杂。年初以来,似乎合理的,这些子单元的组装发生通过不同的步骤涉及小的初步形成复形其次是命令交互建立成熟和功能复杂。这些假设被分析制定间接剩下的子单元的稳态水平的线粒体膜的酵母菌株为一个或多个基因子单元被删除(57- - - - - -60]。不同的实验方法,包括溶解的野生型复杂的洗涤剂和盐,导致了同样的结论,这是可能存在的具体复形(57,61年]。

这些调查的基础上,至少有三个不同的存在提出了复形:细胞色素-Qcr7p-Qcr8p复形,核心蛋白质1-core 2复形,细胞色素-Qr6p-Qcr9p复形。有趣的是,ISP是不包括在这些复形,从而导致提议这催化亚基可能是最后的蛋白质插入细胞色素复杂。这样的结论也达到了分析亚基组成的酵母突变菌株基因编码ISP已经删除(ΔISP) [57,59]。比较结果几年后ΔQCR10应变,基因编码的冗余单元Qcr10p被删除(62年]。在这两种酵母突变株(ΔISP和ΔQCR10),所有的子单元被发现,明显的ISP和Qcr10p例外。这些发现表明,其他所有的子单元能够组装的protease-resistant形式即使没有复杂的ISP或Qcr10p。它实际上是知道进口,但non-assembled,子单元内部敏感的蛋白质降解酵母线粒体(58,63年]。然而,两株ΔISPΔQCR10显示出明显的功能差异,因为第一是respiratory-deficient而第二respiratory-competent。这是由于所发挥的不同作用的两种蛋白质成熟细胞色素复杂;事实上,而ISP是参与电子传递活性催化的复杂,Qcr10p显然是一个后备的亚基在呼吸活动没有任何作用。有趣的是,一些作者认为Qcr10p处理后可以添加i-ISP m-ISP (40]。此外,在牛酶的晶体结构,相应的额外亚基与ISP和外围地位置7,8]。综合这些数据支持的交互的ISP和Qcr10p期间的最后一个步骤复杂的装配。

ISP和多余的亚基之间的相互作用Qcr9p也建议。事实上,结构和功能缺陷的ISP在酵母突变菌株被发现(ΔQCR9)的基因编码Qcr9p被删除(64年]。ΔQCR9应变的ISP的构象改变的方式脱辅基蛋白无法插入适当iron-sulfur集群(64年]。此外,在这种酵母突变株ISP导致内源性蛋白水解降解[更敏感60,64年]。

重要的是要强调这些的存在复形一直假定只有间接的基础上分析酵母突变株的亚基组成的单个基因或双基因编码不同子单元已被删除。最近,一个物理之间的相互作用子单元直接证明了不同的实验方法。后者由亚基组成的分析与non-denaturing电泳技术复杂,blue-native聚丙烯酰胺凝胶电泳(BN-PAGE) [65年),其次是与抗体针对所有免疫印迹蛋白质亚基。这种方法导致的识别复形的大约66 kDa,由两个亚基的ISP和Qcr9p66年]。这是第一个演示直接ISP和另一个蛋白质亚基之间的物理相互作用的细胞色素复杂。在过去,间接证据的基础上(58,67年,68年),一个交互Qcr9p细胞色素ISP,而是提出了。一个三元复形,细胞色素组成、Qcr6p Qcr9p,保留很长一段时间是一个重要的中间装配中细胞色素复杂的(57- - - - - -60]。然而,最近的方法BN-PAGE未能揭示这一点复形。66 kDa复形,有趣的是,来自协会的ISP和Qcr9p只存在于酵母突变株强烈缺陷复杂的装配、如ΔCOR1ΔCOR2,ΔCYT1菌株(66年]。实际上,在所有这些菌株只有一些低兆瓦复形,催化地活动,多次被发现66年]。这些发现表明,ISP可以隔离在一个明确的复形Qcr9p只有当这两个蛋白的结合到新生复杂的是抑制。另一方面,这些结果不保证66 kDa复形代表了一个真实的复杂的装配中间。他们只表明,ISP可以,在某些条件下,强烈与额外亚基Qcr9p交互。此外,目前没有数据可以在可能的存在在这个66 kDa复形的其他蛋白质的组件,比如具体的伴护蛋白质可能有作用复杂的成熟。

当比较这些数据与获得的晶体结构酵母细胞色素复杂的(9有趣的是出现了一些新的影响。事实上,ISP的跨膜区域被发现附近的Qcr9p的相应的跨膜区。更准确地说,14个氨基酸残基的疏水性α螺旋的ISP被发现在距离12 4属于疏水性的残留物αQcr9p螺旋。特殊性是这种互动ISP和Qcr9p成立于一个单体,而ISP的催化作用是施加在另一个单体。事实上,它是在另一个水平单体之间的功能互动ISP和细胞色素发生。这些结果因此同意在成熟homodimeric ISP的transdimer结构复杂(图1)。

5。ISP插入细胞色素的核心结构复杂的

进一步的信息在ISP生源论是通过调查最近的分子特征识别复形的约500 kDa [69年]。这个复形是确定在三个酵母突变株,ISP的基因编码,Qcr9p或Bcs1p单独删除(69年]。这个500 kDa的最小组成复形发现ΔQCR9突变株和由细胞色素,细胞色素、核心蛋白1、核心蛋白2,Qcr6p Qcr7p, Qcr8p。有趣的是,这种复形也包含Bcs1p,伴侣蛋白参与细胞色素大会(70年,71年]。500 kDa酵母线粒体内复形proteolytically稳定,多次被发现在一些酵母突变株,因此所有这些特征是名为“核心结构。“此外,这个复形是特别有用,因为它允许的最后一个步骤的详细描述组装,包括精确的事件导致ISP融入呼吸复杂。它确实是发现绑定Qcr9p之前绑定的ISP和绑定所需的催化亚基是Qcr10p进入成熟和功能的集成复杂的(69年]。此外,除了Qcr9p,也伴护蛋白质的存在在500 kDa Bcs1p复形绝对是集成所需的催化亚基ISP (69年]。这一发现与以前的结果一致显示生物起源的Bcs1p ISP的重要性,因此整个复杂。事实上,它已经提出ATP-dependent女伴Bcs1p维护预装配的复杂的主管状态能够绑定ISP和Qcr10p [71年]。然而,有趣的发现的存在只有一个这两个亚基(Qcr9p或Bcs1p)不能代替其他69年]。这意味着两种蛋白质,多余的亚基Qcr9p伴护蛋白质Bcs1p,需要插入的ISP核心结构。也有可能不同的结构和/或功能元素所需的这些蛋白质是完全组装的ISP复杂。

这种稳定的存在复形各酵母突变株强烈支持假设,它可能代表一个真正的中间过程中装配homodimeric细胞色素复杂。然而,这500 kDa的可能性复形可能代表了一个不正确的组装中级或酵母突变菌株的降解产物特征研究不能完全排除在外。因此,数据通路ISP在其纳入紧随其后复杂的可能是不正确的或不确定。为了克服这种可能的陷阱,Bcs1p在酵母突变株ΔBCS1包含500 kDa复形(72年),为了研究成熟细胞色素的复苏的可能性复杂。有趣的是,过表达Bcs1p能够重建功能性homodimeric细胞色素复杂的时间依赖的方式(72年]。事实并非如此,一些突变Bcs1p,而野生型Bcs1p,过表达在ΔBCS1酵母菌株。这些突变形式的Bcs1p无法恢复功能复杂,即使coexpression ISP也进行的72年]。因此这些发现证实了以前的结果有关的分子事件序列参与组装的ISP核心结构,又代表了善意的组装细胞色素的中间复杂。

6。ISP的二聚作用参与吗复杂的和/或在呼吸链的形成Supercomplexes吗?

尽管亚基的组成核心结构已经仔细分析(69年),目前没有数据可以是单体的聚合状态上可用或二聚的。事实上,分子质量500 kDa可能是由于单体的不成熟的状态复杂的关联还不清楚或装配因素,另外,不成熟的二聚的状态复杂+一个伴侣Bcs1p的副本。之前的研究结果表明,唯一的集成的ISP核心结构决定了这个复杂的分子质量的变化从500年到670年kDa [69年]。这种复杂的大小变化太大了,被解释为包含的ISP和Qcr10p (ISP后,正如之前提到的,添加绑定)到500 kDa的核心结构。另一方面,观察太小,如果一个分子的转变二聚作用发生在这个阶段由于ISP绑定。此外,很少是已知的性质和所扮演的角色装配因素的过程中,这些分子事件。因此我们不能排除,ISP融入核心结构的重排复杂和假定的绑定装配因素最终导致功能复杂的二聚内线粒体膜(图2)。

的细胞色素复杂不仅功能上,而且在结构上与其他相关的线粒体呼吸链复合物。事实上,它已经清楚地表明,supercomplexes细胞色素之间和细胞色素c氧化酶存在于酵母和哺乳动物线粒体的内膜66年,73年,74年]。特别是,两supercomplexes约1000和850 kDa已确定在酵母线粒体膜随着non-denaturing洗涤剂BN-PAGE(洋地黄皂苷和分析的66年,73年]。它提出了这两个supercomplexes对应homodimeric细胞色素复杂+ (850 kDa)或一个副本两份(1000 kDa)单体的细胞色素c氧化酶复杂。不同的子单元的作用或氧化酶复合物在粘合在一起这些呼吸配合物目前正在调查。

一方面,它被建议的形成1000 kDa supercomplex需要功能组装细胞色素的存在和细胞色素氧化酶复合物(73年]。没有这个supercomplex ISP的形成是阻碍由于缺乏一个组装细胞色素复杂。另一方面,在同一ΔISP酵母突变株作者发现一些呼吸道复合物,小于supercomplex,但包含的蛋白质亚基和氧化酶复合物。这表明,在缺乏ISP之间的关联氧化酶复合物,即使不完整的和非生产性,发生。

相反,后续的实验表明,在缺乏ISP没有之间的绑定核心结构和成熟氧化酶复杂是可能的(69年]。事实上,500 kDa复形ΔISP酵母突变株中不含有氧化酶复杂,相反,以单体的形式迁移的分子质量地区约230 kDa。这表明,集成的ISP复杂的是一个重要的先决条件的后续形成supercomplexes(图2)。因此,这些结果开辟新的途径调查ISP粘合在一起的可能作用呼吸supercomplexes复合物在更高的结构。所有这些研究的困难是由于识别真正的装配的必要性中间体,而不是随意的蛋白质聚集,可能导致错误的结果和误导性的解释。

7所示。结束语

ISP的基本作用电子传递活性催化细胞色素复杂,因为它代表了主要的电子受体产生泛醌的氧化。这种蛋白质的催化域随后与相应的细胞色素领域合作在膜间隙,呼吸通量的电子发生。许多研究已经进行了ISP的功能性质的分子特征的灵活性催化领域。

然而,ISP的分子事件参与生源论引起了一些关注,尤其是在这最后一年。这样做的原因是由于几个因素,首先复杂的关系(结构、空间和时间)现有装配之间的ISP和其他蛋白质亚基结构复杂,必须获得homodimeric(总共20个单元)的内膜酿酒酵母线粒体。其次,ISP是独特的亚基复杂的显示transdimeric拓扑的功能复杂。这种结构性的财产可能会以某种方式负责复杂的二聚或至少它可以与二聚作用的过程。增长的ISP复杂可能会触发一系列复杂的事件导致一般重排的复杂和约束装配因素。正如之前所讨论的,一些提示的ISP已经存在一个关键的角色组装,即使大量的工作仍然是必要的为了更好地探索这个有趣的可能性。最后,初步数据显示,ISP的形成也需要呼吸supercomplexes内线粒体膜。是否这间接效应是由于缺乏一个成熟的复杂(ISP)的缺失或ISP的直接互动与假定的合作伙伴氧化酶复杂的亚基是未来进一步的调查。

8。缩写

ISP和Rip1p iron-sulfur蛋白质和Rieske iron-sulfur蛋白质,分别显示相同的蛋白质亚基属于酵母细胞色素复杂;Qcr6p、Qcr7p Qcr8p、Qcr9p Qcr10p,子单元6,7,8,9,10的酵母细胞色素复杂,分别。

承认

作者感谢Bernard l . Trumpower达特茅斯医学院生物化学系的(美国NH汉诺威)的富有成果的讨论和支持在写这篇文章。