Il ruolo chiave del cluster[4Fe-4S] di IRP1 nel controllo dell’attività RNA-binding fornisce un mezzo per collegare i vari percorsi cellulari coinvolti nella formazione di questi cofattori per lo stato del ferro cellulare.
Negli ultimi anni, molti studi si sono focalizzati sulla comprensione del meccanismo e della biogenesi del cluster Fe-S negli organismi e sulla loro disfunzione nella malattia umana. In breve, gli studi effettuati indicano che la via principale per la biogenesi dei cluster Fe-S e per il loro inserimento nelle proteine citosoliche, come ad esempio la proteina IRP1, indirizza il ferro verso i mitocondri dove viene importato attraverso l'azione della mitoferrina. Si forma un cluster Fe-S transitorio sulla proteina scaffold ISCU attraverso l'azione del ferro, che si è legato alla proteina fratassina ed al sulfide, derivati dalla cisteina tramite la NFS1(cysteine desulfurase) e dal suo partner ISD11.
Le attività del meccanismo di biogenesi dei cluster Fe-S mitocondriali associati all’esportazione dei componenti del meccanismo (ad es.: ABCB7), sono necessarie per l'attivazione dell’assemblaggio del cluster Fe-S citosolico (CIA).
Gli approcci genetici, che fanno uso della IRP1 espressi nel lievito, hanno portato alla scoperta del primo fattore CIA, Cfd1. Ulteriori approfondimenti, soprattutto nel lievito, hanno portato all’identificazione di Nbp35 che insieme a Cfd1 forma l’iniziale scaffold Fe-S per la formazione del cluster citosolico con il supporto di DRE2 e TAH18.
Il trasferimento del cluster labile da Cfd1/Nbp35 ad alcune apoproteine bersaglio richiede l'eteromero Nar1/CIA1 mentre per gli altri è sufficiente Nbp35. È interessante notare che, recenti studi hanno iniziato ad identificare i "fattori di specificità" che hanno come bersaglio specifiche proteine apoFe-S (ad es. il complesso 1).
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In ogni caso, non sono ancora stati scoperti altri diversi percorsi per la biogenesi dei cluster Fe-S coinvolti nei processi sensoriali e regolatori delle proteine Fe-S nelle cellule eucariotiche, come per esempio l’IRP1. Soprattutto attraverso l’uso di approcci knockdown RNAi-based, sembra che la biogenesi dei cluster Fe-S influenzi sia la percezione che la distribuzione del ferro nelle cellule mammifere.
La distruzione di alcuni componenti che intervengono nella biogenesi mitocondriale Fe-S, come ad esempio la NFS1 (cysteine desulfurase) ed il suo partner ISD11, la Fe- S scaffold ISCU ed ISCA, il ferro che si lega alla proteina fratassina, la glutaredoxin 5, la proteina chaperone HSC20 e le ferrodossine 1 e 2 donatrici di elettroni, alterano l'attività delle proteine mitocondriali e citosoliche e molto probabilmente anche delle proteine nucleari Fe-S nelle cellule.
Di conseguenza, la riduzione dell'attività nella c-acon si riflette nell’attivazione dell’IRP1 che è associata ad un aumento della TfR1 e ad una riduzione dell'espressione della ferritina. Il fatto che la IRP2 sia stabilizzata, suggerisce una carenza generale di ferro citosolico.
Mentre l'aumento della TfR1 e la repressione della ferritina indotta dall’attivazione della IRP potrebbe riflettere l’esistenza di un meccanismo di compensazione per combattere la carenza di ferro citosolico, l'incapacità di impedire un inappropriato accumulo di ferro in caso di un eccesso di ferro, riflette l'incapacità di sottoregolare l’attività delle IRP che potrebbe essere citotossica.
E’ stato anche notato che la cattiva distribuzione del ferro cellulare caratterizzata da depositi anomali di ferro e di sovraccarico mitocondriale, sono in relazione con la carenza di ferro citosolico quando la biogenesi mitocondriale Fe-S è compromessa. Simili modifiche sono state osservate anche nel lievito.
Questi studi confermano che il concetto che la biogenesi del cluster Fe-S citosolico dipende dalla formazione del complesso mitocondriale, che è attivo nelle cellule
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eucariotiche, e mostrano anche che conseguenze che possono derivare da una alterata biogenesi mitocondriale dei centri Fe-S.
È stato esaminato anche l'impatto che provoca una alterata biogenesi del cluster Fe-S citosolico sulla IRP1(Sheftel et al., 2010). La riduzione di NUBP1 e NAR1 danneggia in modo specifico le proteine citosoliche Fe-S, tra cui la c-acon ed altre. Contemporaneamente, l'attivazione della IRP1 provoca un aumento della TfR1 ed una riduzione dell'espressione della ferritina.
È interessante notare che la IRP2 non viene influenzata questo suggerisce che, quando la biogenesi mitocondriale Fe-S è compromessa, la risposta della IRP2 è una risposta secondaria dovuta alla cattiva distribuzione del ferro cellulare.
La scoperta che la IRP2 è stabilizzata nelle cellule carenti di ABCB7, può riflettere un effetto feedback sulla formazione del cluster Fe-S mitocondriale o sul metabolismo del ferro. La soppressione di ABCB7 sull’omologa cellula di lievito porta ad una distribuzione anomala del ferro. Nel complesso questi studi suggeriscono che a differenza della IRP1, la IRP2 non percepisce il flusso di ferro attraverso la via di biogenesi del centro Fe-S citosolico.
Studi eziologici condotti sulla atassia ereditaria (FA) forniscono l'esempio più comprensibile della relazione che intercorre tra la biogenesi del cluster Fe-S e le alterazioni delle funzioni delle IRP. L’atassia ereditaria è la più comune forma di atassia causata soprattutto da un’alterazione nel gene della fratassina, che causa una riduzione dell’espressione di questa piccola proteina mitocondriale acida.
La fratassina si lega ad un complesso contenente la proteina ISCU Fe-S scaffold, denominata cysteine desulfurase NFS1, ed il suo partner ISD11. In un altro studio è stato evidenziato che una piccola porzione di fratassina funzioni anche nel citosol dove interagisce con la IRP1 facilitando la conversione a c-acon.
A livello cellulare, la FA è caratterizzata da una perdita delle attività delle proteine mitocondriali, citosoliche e nucleari Fe-S, da un sovraccarico di ferro mitocondriale e da segni di deficit di ferro citosolico.
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L’attivazione di entrambe le IRPs, si associa ad una riduzione della ferritina e ad un aumento dell'espressione di TfR1. Inoltre, viene ridotta l'espressione della ferroportina come esportatrice di ferro contribuendo ulteriormente alla distribuzione anomala del ferro e presumibilmente allo stress ossidativo osservato nella FA.
E’ interessante notare che, la carenza di fratassina è associata ad una riduzione degli altri componenti del meccanismo mitocondriale del cluster Fe-S, comprese ISCU e NFS1, ed anche a enzimi difettosi che intervengono nella sintesi dell’eme. Il fatto che l'espressione della fratassina si riduca in caso di carenza di ferro, suggerisce che l'induzione della carenza di ferro citosolico dovuta ad una bassa biogenesi mitocondriale del cluster Fe-S potrebbe essere amplificata attraverso una riduzione dell’espressione della fratassina.
Un dato importante è rappresentato dal fatto che le aconitasi hanno una diversa sensibilità nei confronti dei ROS e la c-acon si è mostrata molto resistente. Inoltre alcune ricerche hanno dimostrato che sia NO che il suo prodotto reattivo ONOO possono facilitare la conversione di c-acon ad IRP1. NO ha anche la capacità di influenzare l’IRP2, ma il meccanismo per questa regolazione e l'impatto sul metabolismo del ferro non è ancora del tutto chiarito. Studi recenti, che hanno fatto uso di topi privi di IRP1 o di IRP2, hanno dimostrato che la IRP1 è unicamente responsabile delle alterazioni nel metabolismo del ferro dei macrofagi in risposta all’NO. Inoltre, l'attivazione NO-dipendente della IRP1 potrebbe migliorare il deposito anomalo di ferro nel modello IRP2 knock-out attraverso la repressione dell’espressione della ferritina. La perdita del cluster Fe-S dalle aconitasi può essere avviata dal superossido che porta alla formazione del [3Fe-4S], una forma che non si lega all’RNA (Stys et al., 2011).
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