Branched-chain amino acid catabolism depends on GRXS15 through mitochondrial lipoyl cofactor homeostasis
分岐鎖アミノ酸異化はミトコンドリアのリポイル補因子ホメオスタシスを介したGRXS15に依存する (機械翻訳の邦題)
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- 2026/08/17
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鉄硫黄クラスターは生物に普遍的な補因子であり、植物ではミトコンドリアのモノチオールグルタレドキシンGRXS15がその合成に関与するが、その役割は未解明だった。本研究では、GRXS15の変異体K83Aを用いた代謝解析により、鉄硫黄クラスター依存過程の多くは影響を受けない一方、TCA回路中間体やアミノ酸、特にピルビン酸、2-オキソグルタル酸、グリシン、分岐鎖アミノ酸が増加し、分岐鎖α-ケト酸が最も顕著に蓄積することを示した。これらの基質はすべてミトコンドリアのリポイル補因子依存デヒドロゲナーゼ複合体により脱炭酸される。リポイル補因子合成は鉄硫黄クラスター供給に依存するため、GRXS15欠損はリポイル化を制限し、特に分岐鎖アミノ酸異化を障害すると結論した。
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抄録
Iron-sulfur (Fe-S) clusters are ubiquitous cofactors in all life and are used in a wide array of diverse biological processes, including electron transfer chains and several metabolic pathways. Biosynthesis machineries for Fe-S clusters exist in plastids, the cytosol and mitochondria. A single monothiol glutaredoxin (GRX) has been shown to be involved in Fe-S cluster assembly in mitochondria of yeast and mammals. In plants, the role of the mitochondrial homologue GRXS15 has only partially been characterized. Arabidopsis grxs15 null mutants are not viable, but mutants complemented with the variant GRXS15 K83A develop with a dwarf phenotype. In an in-depth metabolic analysis, we show that most Fe-S cluster-dependent processes are not affected, including biotin biosynthesis, molybdenum cofactor biosynthesis and the electron transport chain. Instead, we observed an increase in most TCA cycle intermediates and amino acids, especially pyruvate, 2-oxoglutarate, glycine and branched-chain amino acids (BCAAs). The most pronounced accumulation occurred in branched-chain α-keto acids (BCKAs), the first degradation products resulting from deamination of BCAAs. In wild-type plants, pyruvate, 2-oxoglutarate, glycine and BCKAs are all metabolized through decarboxylation by four mitochondrial lipoyl cofactor-dependent dehydrogenase complexes. Because these enzyme complexes are very abundant and the biosynthesis of the lipoyl cofactor depends on continuous Fe-S cluster supply to lipoyl synthase, this could explain why lipoyl cofactor-dependent processes are most sensitive to restricted Fe-S supply in GRXS15 K83A mutants. One-sentence summary: Deficiency in GRXS15 restricts protein lipoylation and causes metabolic defects in lipoyl cofactor-dependent dehydrogenase complexes, with branched-chain amino acid catabolism as dominant bottleneck.
DOI 10.1101/2020.02.13.947697
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