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Pignataro MF, Noguera ME, Herrera MG, Roman EA, Santos J. Frataxin: from the sequence to the biological role. Biophys Rev 2025; 17:449-465. [PMID: 40376404 PMCID: PMC12075029 DOI: 10.1007/s12551-025-01311-z] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/24/2024] [Accepted: 03/25/2025] [Indexed: 05/18/2025] Open
Abstract
Frataxin is a small protein involved in the rare disease Friedreich's ataxia. During the last few years, significant knowledge has been gained concerning frataxin folding, structure, dynamics, and function. In eukaryotic organisms, it is located in the mitochondrial matrix, and recently, its macromolecular context was revealed. This protein is part of a decameric supercomplex consisting of six subunits required for iron-sulfur cluster assembly, where two of them alternate in a mutually exclusive manner. Regarding Frataxin, pathogenic variants were studied, and while some exhibited reduced conformational stability, others presented an altered function. In this review, we focused on different aspects concerning the biophysics and the biochemistry of frataxin and its partners, as well as on the current knowledge regarding proteostasis and post-translational modifications. The involvement of frataxin and its partners in diseases will also be addressed, including the current therapeutic approaches. Finally, a section is dedicated to understanding the phylogenetic distribution of frataxin.
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Affiliation(s)
- María Florencia Pignataro
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
| | - Martín Ezequiel Noguera
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas, CONICET-Facultad de Farmacia y Bioquímica, Universidad de Buenos Aires, Junín 956, C113AAD Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
| | - María Georgina Herrera
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
- Molecular Cell Biology, Faculty of Medicine, Ruhr University Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Germany
| | - Ernesto Andrés Roman
- Laboratorio de Ingeniería Enzimática y Nanobiotecnología, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Instituto de Química Biológica de La Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (IQUIBICEN-CONICET), Universidad de Buenos Aires and Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, CP1428 Buenos Aires, Argentina
- Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
| | - Javier Santos
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
- Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Autonomous City of Buenos Aires, Argentina
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Sewell KE, Gola GF, Pignataro MF, Herrera MG, Noguera ME, Olmos J, Ramírez JA, Capece L, Aran M, Santos J. Direct Cysteine Desulfurase Activity Determination by NMR and the Study of the Functional Role of Key Structural Elements of Human NFS1. ACS Chem Biol 2023; 18:1534-1547. [PMID: 37410592 DOI: 10.1021/acschembio.3c00147] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 07/08/2023]
Abstract
The mitochondrial cysteine desulfurase NFS1 is an essential PLP-dependent enzyme involved in iron-sulfur cluster assembly. The enzyme catalyzes the desulfurization of the l-Cys substrate, producing a persulfide and l-Ala as products. In this study, we set the measurement of the product l-Ala by NMR in vitro by means of 1H NMR spectra acquisition. This methodology provided us with the possibility of monitoring the reaction in both fixed-time and real-time experiments, with high sensitivity and accuracy. By studying I452A, W454A, Q456A, and H457A NFS1 variants, we found that the C-terminal stretch (CTS) of the enzyme is critical for function. Specifically, mutation of the extremely conserved position W454 resulted in highly decreased activity. Additionally, we worked on two singular variants: "GGG" and C158A. In the former, the catalytic Cys-loop was altered by including two Gly residues to increase the flexibility of this loop. This variant had significantly impaired activity, indicating that the Cys-loop motions are fine-tuned in the wild-type enzyme. In turn, for C158A, we found an unanticipated increase in l-Cys desulfurase activity. Furthermore, we carried out molecular dynamics simulations of the supercomplex dedicated to iron-sulfur cluster biosynthesis, which includes NFS1, ACP, ISD11, ISCU2, and FXN subunits. We identified CTS as a key element that established interactions with ISCU2 and FXN concurrently; we found specific interactions that are established when FXN is present, reinforcing the idea that FXN not only forms part of the iron-sulfur cluster assembly site but also modulates the internal motions of ISCU2.
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Affiliation(s)
- Karl E Sewell
- Laboratorio de Genómica e Ingeniería de Sistemas Biológicos. Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3). Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, Ciudad Autónoma de Buenos Aires C1428EGA, Argentina
| | - Gabriel F Gola
- Departamento de Química Orgánica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, Buenos Aires C1428EGA, Argentina
- Unidad de Microanálisis y Métodos Físicos Aplicados a Química Orgánica (UMYMFOR), CONICET─Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, Buenos Aires C1428EGA, Argentina
| | - María Florencia Pignataro
- Laboratorio de Genómica e Ingeniería de Sistemas Biológicos. Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3). Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, Ciudad Autónoma de Buenos Aires C1428EGA, Argentina
| | - María Georgina Herrera
- Laboratorio de Genómica e Ingeniería de Sistemas Biológicos. Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3). Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, Ciudad Autónoma de Buenos Aires C1428EGA, Argentina
| | - Martín E Noguera
- Laboratorio de Genómica e Ingeniería de Sistemas Biológicos. Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3). Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, Ciudad Autónoma de Buenos Aires C1428EGA, Argentina
- Instituto de Química y Físico-Química Biológicas, Universidad de Buenos Aires, Junín 956, Buenos Aires 1113AAD, Argentina
| | - Justo Olmos
- Laboratorio de Genómica e Ingeniería de Sistemas Biológicos. Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3). Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, Ciudad Autónoma de Buenos Aires C1428EGA, Argentina
| | - Javier A Ramírez
- Departamento de Química Orgánica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, Buenos Aires C1428EGA, Argentina
- Unidad de Microanálisis y Métodos Físicos Aplicados a Química Orgánica (UMYMFOR), CONICET─Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, Buenos Aires C1428EGA, Argentina
| | - Luciana Capece
- Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE CONICET), Universidad de Buenos Aires. Buenos Aires C1428EGA, Argentina
| | - Martín Aran
- Fundación Instituto Leloir, IIBBA-CONICET, and Plataforma Argentina de Biología Estructural y Metabolómica PLABEM, Av. Patricias Argentinas 435, Buenos Aires C1405BWE, Argentina
| | - Javier Santos
- Laboratorio de Genómica e Ingeniería de Sistemas Biológicos. Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3). Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, Ciudad Autónoma de Buenos Aires C1428EGA, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Av. Rivadavia 1917, Ciudad Autónoma de Buenos Aires C1033AAJ, Argentina
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Pignataro MF, Herrera MG, Fernández NB, Aran M, Gentili HG, Battaglini F, Santos J. Selection of synthetic proteins to modulate the human frataxin function. Biotechnol Bioeng 2023; 120:409-425. [PMID: 36225115 DOI: 10.1002/bit.28263] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/14/2022] [Revised: 09/13/2022] [Accepted: 10/09/2022] [Indexed: 01/13/2023]
Abstract
Frataxin is a kinetic activator of the mitochondrial supercomplex for iron-sulfur cluster assembly. Low frataxin expression or a decrease in its functionality results in Friedreich's Ataxia (FRDA). With the aim of creating new molecular tools to study this metabolic pathway, and ultimately, to explore new therapeutic strategies, we have investigated the possibility of obtaining small proteins exhibiting a high affinity for frataxin. In this study, we applied the ribosome display approach, using human frataxin as the target. We focused on Affi_224, one of the proteins that we were able to select after five rounds of selection. We have studied the interaction between both proteins and discussed some applications of this specific molecular tutor, concerning the modulation of the supercomplex activity. Affi_224 and frataxin showed a KD value in the nanomolar range, as judged by surface plasmon resonance analysis. Most likely, it binds to the frataxin acidic ridge, as suggested by the analysis of chemical shift perturbations (nuclear magnetic resonance) and computational simulations. Affi_224 was able to increase Cys NFS1 desulfurase activation exerted by the FRDA frataxin variant G130V. Importantly, Affi_224 interacts with frataxin in a human cellular model. Our results suggest quaternary addition may be a new tool to modulate frataxin function in vivo. Nevertheless, more functional experiments under physiological conditions should be carried out to evaluate Affi_224 effectiveness in FRDA cell models.
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Affiliation(s)
- María Florencia Pignataro
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina
| | - María Georgina Herrera
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.,Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina
| | - Natalia Brenda Fernández
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.,Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina
| | - Martín Aran
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.,Fundación Instituto Leloir, IIBBA-CONICET, Buenos Aires, Argentina
| | - Hernán Gustavo Gentili
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina
| | - Fernando Battaglini
- Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE CONICET), Buenos Aires, Argentina
| | - Javier Santos
- Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.,Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina
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