一种靶向特定结构域的新蛋白能够将细胞质中铁硫簇组装途径中的关键成分引导至弓形虫（Toxoplasma）寄生虫的线粒体中

铁硫簇（FeS）合成路径在真核生物细胞生物学中至关重要，而其亚细胞定位与功能多样性尚未完全阐明。本研究以寄生虫疟原虫（*Toxoplasma gondii*）为模型，系统解析了其细胞质FeS簇组装途径（CIA途径）的亚细胞定位及功能机制。通过基因编辑和蛋白质组学技术，发现疟原虫的CIA途径完全位于线粒体外膜表面，核心组分CIA靶向复合体（CTC）由CIA1、CIA2和MMS19组成，其中CIA1的CD5环通过保守的芳香族氨基酸 motif介导线粒体定位。突变实验表明，CD5环对CTC的线粒体定位及FeS簇转移功能不可或缺，且该结构在疟原虫及其近缘原生生物中高度保守。研究还证实所有CIA途径蛋白（除Dre2外）对寄生虫增殖和蛋白质翻译至关重要。本研究首次揭示疟原虫的CIA途径以线粒体为枢纽，并揭示了关键定位环的进化保守性，为理解FeS簇组装途径的进化适应性提供了新视角。

　　
铁硫簇（FeS）是多种真核生物中不可或缺的辅因子，参与呼吸链、核糖体组装、DNA修复等关键生理过程。铁硫簇的组装通常由细胞质（CIA途径）和线粒体（ISC途径）两条不同的生物合成路径完成。然而，在寄生虫 toxoplasma gondii 中， CIA 途径的定位和功能呈现独特的特征。近期一项研究通过系统性的基因编辑和蛋白定位技术，揭示了 toxoplasma gondii CIA 途径的亚细胞分布规律及其关键蛋白的分子机制，为理解寄生虫铁代谢调控提供了重要依据。

### 研究背景与核心问题
铁硫簇的合成与分配在真核细胞中高度保守，但不同生物体的亚细胞定位存在显著差异。例如，哺乳动物的 CIA 途径主要位于细胞质，而线粒体的 ISC 途径负责组装线粒体内膜相关的 FeS 簇。Toxoplasma gondii 作为一种机会性病原体，其独特的铁代谢机制可能与其线粒体生物发生相关。此前研究已发现， toxoplasma 的 NBP35 蛋白（CIA途径的核心 scaffold蛋白）通过N端跨膜域锚定在线粒体外膜，提示该途径可能在线粒体上进行组装。然而，其他 CIA 途径蛋白（如CTC复合物）的定位和功能尚未明确，尤其是它们在线粒体与细胞质之间的动态分配机制。

### 关键发现与实验证据
#### 1. CIA途径蛋白的线粒体定位与功能必要性
通过CRISPR/Cas9技术，研究者对 CIA 途径的6个核心蛋白（Tah18、Dre2、Nar1、CIA1、CIA2、MMS19）进行标签化改造，发现：
- **Tah18**（电子传递链组分）和 **Nar1**（FeS簇转移蛋白）均定位在线粒体外膜。
- **Dre2**（含FeS的呼吸链组分）仅定位于细胞质，但其敲除仍导致细胞质FeS蛋白（如ABCE1）水平下降，提示Dre2可能通过间接途径影响细胞质FeS合成。
- **CTC复合物**（CIA1、CIA2、MMS19）呈现“线粒体-细胞质双定位”，且其线粒体定位依赖 CIA1 的特定结构域。

#### 2. CIA1的CD5环在线粒体靶向中的关键作用
CIA1蛋白的WD40结构域包含三个环状结构（CD1、CD3、CD5），其中 **CD5环** 是 myzozoan（包括 toxoplasma）特有的延伸结构。通过结构预测（AlphaFold2）和突变体实验发现：
- **CD5环的缺失导致蛋白线粒体定位失败**：将酵母CD5环（短于myzozoan的249个氨基酸）替换后，CIA1蛋白完全定位于细胞质，无法支持线粒体FeS簇的组装。
- **保守芳香族氨基酸 motif**：CD5环包含一个高度保守的WYIRF motif（色氨酸-苯丙氨酸-色氨酸-精氨酸-苯丙氨酸），该 motif的突变（如单个残基替换为丙氨酸）显著削弱CIA1的线粒体靶向能力，并导致寄生虫增殖缺陷。
- **CD5环的拓扑结构重要性**：将 toxoplasma CD5环替换为酵母序列后，CIA1仍能定位于线粒体，但无法形成有效CTC复合物，说明CD5环的构象稳定性对功能至关重要。

#### 3. CIA途径在线粒体上的组装模式
免疫共沉淀和BN-PAGE分析表明：
- **CTC复合物由CIA1、CIA2、MMS19组成**，其分子量约720 kDa，与哺乳动物CTC复合物一致。
- **Nar1与CTC的相互作用不依赖线粒体定位**：尽管Nar1定位于线粒体，但与CTC的共沉淀仅在敲除NBP35时消失，提示Nar1可能通过直接传递FeS簇而非物理结合参与过程。
- **线粒体内FeS簇的组装路径**：硫素（可能为[2Fe-2S]簇）由线粒体ISC途径合成后，通过NBP35（线粒体外膜锚定）与Tah18（电子传递链）协同组装FeS簇，随后由Nar1转移至CTC复合物，最终分配至细胞质或线粒体FeS蛋白（如ABCE1、RlmN）。

#### 4. CIA途径的进化特征
比较基因组学显示：
- **CD5环的进化保守性**：除ciliates（如Paramecium）外，所有myzozoan（包括dinozoans和chrompodellids）的CIA1均具有长CD5环，而ciliates的CD5环仅含6个氨基酸。
- **功能替代机制**：toxoplasma的Dre2虽不参与线粒体FeS组装，但突变后仍能部分恢复细胞质FeS蛋白的合成，提示可能存在独立的FeS合成途径。

### 机制解析与进化意义
#### 1. CD5环的分子功能
- **线粒体靶向信号**：CD5环的WYIRF motif通过疏水相互作用与线粒体膜脂（如心磷脂）结合，同时可能通过离子键与膜蛋白（如Tom40）形成复合物。
- **动态亚细胞分布**：CTC的线粒体定位具有可塑性，在特定生理条件下（如能量应激）可能向细胞质转移，以快速响应FeS需求。

#### 2. CIA途径的重新定位与铁代谢优化
- **ISC与CIA的物理邻近性**：线粒体内NBP35与ISC组分（如FeS蛋白合成酶）共定位，缩短了FeS簇的跨膜运输距离，提高组装效率。
- **铁利用效率提升**：myzozoan的线粒体FeS组装可能减少细胞质FeS的冗余合成，特别在共生阶段（如与珊瑚虫共生时），铁的获取受限，这种分工可能优化铁代谢效率。

#### 3. 与细胞质FeS组装途径的对比
- **定位差异**：哺乳动物CTC主要位于细胞质，而toxoplasma的CTC整合到线粒体FeS组装平台。
- **功能分化**：哺乳动物CTC负责将FeS簇转移至细胞质受体蛋白（如ABCE1），而toxoplasma的CTC可能同时服务线粒体受体（如RlmN）和细胞质受体，通过CD5环的定位信号实现功能切换。

### 研究局限与未来方向
1. **直接FeS簇转移实验缺失**：现有研究依赖间接指标（如ABCE1水平、增殖缺陷），需通过FeS簇成像（如EMSA）或同位素标记（如硫同位素35S）直接验证簇转移。
2. **CD5环的分子互作网络不明**：需结合质谱和结构生物学解析其与线粒体膜蛋白（如Tom40、ISCs）的相互作用界面。
3. **共生环境的影响**：在宿主（如人类）中，线粒体FeS组装可能因内共生 chloroplast 的存在而调整，需进一步研究共生状态下铁硫簇的分配动态。

### 总结
该研究系统揭示了toxoplasma gondii CIA途径的亚细胞定位和分子机制，核心发现包括：
1. CIA途径整合到线粒体外膜，形成“线粒体枢纽”；
2. CIA1的CD5环通过保守芳香族 motif 实现线粒体靶向；
3. CTC复合物具有动态的线粒体-细胞质双定位特性；
4. myzozoan CIA途径的进化重组显著优化了铁代谢效率。

这些发现不仅深化了对寄生虫铁代谢机制的理解，也为真核生物FeS组装的进化多样性提供了模型系统，对治疗疟疾、弓形虫病等具有重要潜在价值。