摘要
铁蛋白是参与调节铁代谢和维持铁稳态的主要真核蛋白之一。然而，酿酒酵母是一个例外，它不含有铁蛋白，并使用其他方式来储存过量的铁。迄今为止在酵母中鉴定出的唯一潜在铁储存蛋白是人frataxin的同源物（YFH1p）。在本研究中，我们发现酵母frataxin的功能障碍使平均寿命比野生型对照缩短了49%。有趣的是，人铁蛋白L基因至少可以部分补充酵母frataxin的功能，延长寿命并保护细胞免受氧化应激或铁过量诱导的死亡。我们的研究结果表明，铁蛋白L在酵母中可以执行与其在哺乳动物中相似的功能，并表明在单细胞和多细胞真核生物中可能存在防止铁和氧化损伤的共同机制。显然，阐明人铁蛋白在酵母中的功能将有助于更好地理解铁储存疾病的分子基础。
1.引言
铁是多种基本细胞功能所必需的，对正常的生长和发育至关重要。然而，细胞质或线粒体中的铁过量会导致细胞损伤，因为铁能够通过芬顿反应产生游离羟基自由基。因此，细胞游离铁浓度必须受到严格控制，生物体已经发展出提高铁溶解度和控制细胞内铁水平的机制。调节铁代谢和稳态的机制异常可能影响细胞增殖和存活。铁蛋白是参与铁代谢的主要蛋白质之一，在控制细胞内铁水平和维持铁稳态方面发挥着重要作用。它由重（FH；Mr 21,000）和轻（FL；Mr 19,000）亚基组成，这些亚基具有广泛的序列同源性，但由不同的基因编码。FH和LH亚基组装成24个亚基的壳，围绕一个铁核心。然而，铁蛋白的组成以一致且组织特异性的方式变化。例如，肝脏和脾脏含有主要由FL亚基组成的铁蛋白，而心脏和大脑含有富含FH亚基的铁蛋白。通常，富含L的铁蛋白比富含H的铁蛋白具有更高的铁含量。具有不同FH:FL含量的铁蛋白的生物分布支持了这样的假设：这两个亚基可能在铁蛋白复合物内扮演不同但互补的角色。此外，多样的实验证据支持FH和FL亚基具有不同功能的概念，揭示了FH亚基在快速铁氧化中的突出作用，以及FL亚基参与铁蛋白复合物的稳定性。
在HeLa细胞中过表达铁蛋白改变了细胞内铁动力学，并提供了针对氧化损伤的实质性保护。在另一项研究中，通过反义策略抑制铁蛋白基因表达促进了程序性细胞死亡，并特异性抑制了MCF-7乳腺癌细胞的生长，这是由于细胞凋亡增加。最近也有文献记载，HeLa细胞中肿瘤坏死因子α（TNFα）诱导的细胞凋亡伴随着铁蛋白表达的增加。这些发现表明铁蛋白可能参与抵抗细胞凋亡的保护性反应。
已有充分证据表明，铁蛋白的表达受铁依赖性机制的转录后调控，该机制包括铁调节蛋白IRP1。IRP1与位于多种动物储存（如铁蛋白）和转运（如转铁蛋白）蛋白以及参与铁利用或中间代谢蛋白的mRNA的5'-或3'-非翻译区中的铁反应元件（IRE）结合。IRP1与5'-IRE结合抑制翻译，而与3'-IRE结合则稳定mRNA。此外，IRP1是一种双功能蛋白，作为IRE结合蛋白（IRE-BP）或胞质乌头酸异构体（c-aconitase）。IRP1在IRP-BP和c-aconitase之间的相互转换本身受铁调节，通过[4Fe-4S]簇的组装/拆卸实现。铁过量条件下会发生Fe-S簇组装，将IRP1转化为c-aconitase并刺激铁蛋白合成，从而允许更多的铁储存。细胞内铁水平降低促进c-aconitase中[4Fe-4S]簇的解体，并将c-aconitase转化为IRE-BP，从而抑制铁蛋白表达。这种基因表达的协调调控维持了铁储存和摄取之间的平衡。
铁蛋白基因存在于大多数生物体中，高度保守，并且似乎扮演着类似的作用。然而，酵母是个例外，并使用替代机制来储存过量的铁。迄今为止鉴定出的唯一可能作为酵母铁储存蛋白的酵母蛋白是YFH1p，即人frataxin的同源物，这是一种广泛存在于真核生物中的核编码线粒体蛋白。Frataxin的功能被认为与线粒体铁稳态有关。酵母YFH1p在体外组装成多聚体形式，以结构与铁蛋白核心相似的方式螯合铁，表明它可能是一种类似于其他生物体中铁蛋白的酵母铁储存蛋白。删除酵母YFH1导致线粒体中铁大量积累，同时伴随胞质铁耗竭和质膜高亲和力铁摄取蛋白表达的上调。过量的铁会产生高水平的活性氧（ROS），这些ROS会损害线粒体和细胞核，消耗线粒体DNA，减少线粒体呼吸，并增加染色体不稳定性和损伤。在人类中，frataxin缺乏导致弗里德赖希共济失调（FRDA），这是一种神经和心脏退行性疾病，其特征是进行性共济失调和肥厚性心肌病，导致过早死亡。这种缺乏导致铁硫簇酶活性降低、进行性线粒体铁积累和线粒体氧化损伤。
在我们之前的研究中，我们证明了人铁蛋白L片段延长了野生型秀丽隐杆线虫和芽殖酵母的寿命，并保护酵母细胞免受过氧化氢或铁过量诱导的死亡。在本文中，我们报告了全长人铁蛋白L亚基在酵母中的功能。我们描述了由frataxin功能障碍引起的酵母寿命缩短，以及用人铁蛋白轻链对此突变进行的互补。我们的结果表明，互补提高了frataxin突变体对铁和氧化应激的抵抗力。人铁蛋白可能在酵母衰老中发挥作用，这与其在哺乳动物细胞中抵抗ROS的保护作用相关，这一事实证明了酵母作为研究人类衰老和衰老相关疾病基因的模型系统具有重要价值。显然，阐明人铁蛋白在酵母中的功能将有助于理解铁储存疾病的分子基础。
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