人源硫辛酸合成酶(LIAS)催化机制的结构解析：揭示线粒体辅因子合成的分子基础

本研究通过X射线晶体学解析了人源硫辛酸合成酶(LIAS)在催化不同阶段的多个结构，包括与生理底物H蛋白的复合物结构，揭示了LIAS通过牺牲其辅助[Fe4S4]簇([Fe4S4]AUX)逐步插入硫原子的分子机制，为理解线粒体能量代谢障碍相关疾病的发病机制提供了结构基础。

　　

硫辛酸(LA)是线粒体中多个关键代谢酶复合体的必需辅因子，包括丙酮酸脱氢酶复合体(PDC)和糖氨酸裂解系统(GCS)。这种含硫辅因子通过共价连接在特定载体蛋白上形成硫辛酰辅因子(LipCo)，但其合成机制尤其是硫原子插入的精确过程长期未明。更令人担忧的是，LIAS基因突变会导致新生儿癫痫、脑病等严重代谢疾病，但临床治疗手段有限。

宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性成果。通过解析人源LIAS与其生理底物H蛋白的复合物结构，首次捕捉到催化过程中多个关键中间态，包括6-巯基辛酰基中间体([Fe₃S₃:1 mercaptooctanoyllysyl]⁰)，揭示了这种独特的自由基S-腺苷甲硫氨酸(radical SAM)超家族酶如何通过牺牲其辅助铁硫簇实现双硫原子插入的原子级机制。

研究采用三项关键技术：1) 优化表达系统获得人源LIAS(65-372截短体)和H蛋白(49-173截短体)；2) 通过体外重建获得共价中间体LIAS-6S-OCT-H_pro；3) 在1.54-2.58 ?分辨率下解析四个关键晶体结构（含DTT的apo酶、与模拟底物OCT-8mer复合物、与H蛋白复合物的两种状态）。

结构解析揭示催化机制
整体结构特征
LIAS呈现典型的自由基SAM酶结构，包含N端域、(βα)₆部分TIM桶状RS域和C端螺旋。两个[Fe₄S₄]簇中，[Fe₄S₄]_RS簇由Cx₃Cx₂C模体配位，而[Fe₄S₄]_AUX簇由Cx₄Cx₅C模体和C端RSSY模体中的Ser352共同配位。

C6硫化的结构基础
在OCT-8mer与5'-dAH+Met复合物结构中，底物辛酰基的C6距离5'-dAH的C5'仅3.0 ?，适合氢原子攫取；同时距离[Fe₄S₄]_AUX簇硫原子3.4 ?，为自由基攻击创造理想位置。Arg350通过氢键稳定底物羰基氧，诱导活性腔构象变化使两簇间距从13.7 ?缩短至11.8 ?。

C8硫化的结构重组
在LIAS-6S-OCT-H_pro中间体结构中，[Fe₄S₄]_AUX簇退化为[Fe₃S₃]状态，Ser352解离。C8与第二个SAM分子的C5'距离从4.9 ?（SAM结合态）缩短至3.5 ?（5'-dAH+Met态），实现精准的二次氢原子攫取。

疾病相关突变分析
研究通过结构定位了多个致病突变：

• Glu159Lys（靠近[Fe₄S₄]_RS簇配体Cys137）
• Asp215Glu（参与RS域构象调节）
• Met310Thr（破坏SAM结合和底物接触）
• Arg249His（影响SAM结合环稳定性）
  这些突变通过干扰铁硫簇组装、SAM结合或底物识别导致酶功能丧失。

结论与意义
该研究首次完整描绘了LIAS催化循环的结构动态：1）通过[Fe₄S₄]_RS簇介导的自由基反应启动C6硫化；2）[Fe₄S₄]_AUX簇构象重组实现C8硫化；3）NFU1依赖的簇再生机制使单周转酶获得持续性。这不仅解决了辅因子合成领域的核心问题，更为治疗LIAS缺陷相关代谢疾病（如非酮性高甘氨酸血症）提供了精准靶点。结构指导的突变分析揭示了临床变异的功能影响，为未来开发小分子矫正剂奠定基础。

值得注意的是，该研究还解释了真核生物中LIAS仅特异性识别H蛋白（而非其他载体蛋白）的结构基础——E2亚基缺乏与LIAS结合的α1/α5螺旋。这一发现完善了硫辛酸代谢通路的进化认知，为理解线粒体代谢网络的物种差异提供了新视角。