フラタキシン

フラタキシンは、ヒトではFXN遺伝子によってコードされるタンパク質です。

ミトコンドリアにあり、フラタキシンmRNAは代謝率の高い組織でほとんど発現しています。フラタキシンの機能は明確ではありませんが、鉄硫黄クラスターの集合に関与しています。鉄シャペロンまたは鉄貯蔵タンパク質として作用することが提案されています。フラタキシンの発現低下は、フリードライヒ運動失調の原因です。

構造

X線結晶構造解析により、ヒトのフラタキシンは、一対の平行なαヘリックスを支えるβシートから成り、コンパクトなαβサンドイッチを形成することが示されています。他の種のフラタキシン同族体は類似しており、同じコア構造を共有しています。ただし、1つのヘリックスの端から伸びるフラタキシンテールシーケンスは、シーケンスが分岐し、長さが異なります。ヒトのフラタキシンは、バクテリアや酵母で見られるフラタキシンよりも長いテール配列を持っています。尾の目的はタンパク質を安定させることであると仮定されています。

ほとんどのミトコンドリアタンパク質と同様に、フラタキシンはミトコンドリアターゲティング配列を持つ大きな前駆体分子として細胞質リボソームで合成されます。ミトコンドリアに入ると、分子はタンパク質分解反応によって分解され、成熟したフラタキシンが生成されます。

関数

フラタキシンはミトコンドリアに局在しています。フラタキシンの機能は完全には明らかではありませんが、鉄硫黄クラスターの集合に関与しているようです。鉄シャペロンまたは鉄貯蔵タンパク質として作用することが提案されています。

フラタキシンmRNAは、主に代謝率の高い組織（肝臓、腎臓、褐色脂肪、心臓など）で発現しています。マウスおよび酵母のフラタキシン同族体は、潜在的なN末端ミトコンドリア標的配列を含み、ヒトのフラタキシンは、ミトコンドリアタンパク質と共局在することが観察されています。さらに、酵母遺伝子の破壊は、ミトコンドリア機能障害を引き起こすことが示されています。したがって、フリードライヒ運動失調症は、核ゲノムの変異（具体的には、タンパク質フラタキシンをコードするFXN遺伝子のイントロンGAAトリプレットリピートの拡大）によって引き起こされるミトコンドリア病であると考えられています。

臨床的な意義

フラタキシンの発現低下は、神経変性疾患であるフリードライヒ運動失調症（FRDA）の原因です。フラタキシン遺伝子発現の減少は、染色体実体のエピジェネティックな修飾のためのフラタキシン遺伝子の転写のサイレンシング、または細菌で見られるようにpre-mRNAの最初のイントロンで拡大されたGAAリピートをスプライシングできないことのいずれかに起因する可能性がありますおよびヒト細胞またはその両方。イントロントリヌクレオチドリピートGAAの拡大により、フリードライヒ失調症が生じます。この拡張されたリピートによりRループが形成され、リピートターゲットオリゴヌクレオチドを使用してRループを破壊すると、フラタキシンの発現が再活性化されます。

FRDA患者の96％が、FXN遺伝子の両方の対立遺伝子のイントロン1にGAAトリヌクレオチドリピート拡張を持っています。全体として、これはフラタキシンmRNA合成の減少とFRDA患者のフラタキシンタンパク質の減少（欠席ではない）につながります。（FRDA患者のサブセットには、一方の染色体にGAA拡張があり、もう一方の染色体にFXNエクソンに点突然変異があります。）典型的な場合、GAA拡張の短い対立遺伝子の長さはフラタキシンレベルと逆相関します。 FRDA患者の末梢組織は、通常、罹患していない人々が示すフラタキシンレベルの10％未満です。フラタキシンのレベルが低いと、病気の発症が早くなり、進行が速くなります。

FRDAは、運動失調、感覚喪失、および心筋症を特徴とします。フラタキシン欠乏がこれらの症状を引き起こす理由は完全には明らかではありません。細胞レベルでは、ミトコンドリアへの鉄の蓄積と酸化剤感受性の増加に関連しています。よく理解されていない理由により、これは主に後根神経節、小脳、および心筋の組織に影響します。

動物研究

マウスでは、FXN遺伝子の完全な不活性化は初期胚段階で致命的です。ほぼすべての生物がフラタキシン同族体を発現しますが、イントロン1のGAAリピートはヒトおよび他の霊長類にのみ存在するため、FDRAを引き起こす突然変異は他の動物では自然に発生しません。科学者は、この病気をマウスでモデル化するためのいくつかのオプションを開発しました。 1つのアプローチは、関心のある特定の組織タイプでのみフラタキシン発現をサイレンシングすることです。心臓（この方法で変更されたマウスはMCKと呼ばれます）、すべてのニューロン（NSE）、または脊髄と小脳（PRP）のみです。別のアプローチでは、マウスのFXN遺伝子の最初のイントロンにGAA拡張を挿入します。これは、ヒトの場合と同様に、フラタキシン産生を阻害するはずです。この修飾遺伝子のホモ接合体であるマウスはKIKI（ノックインノックイン）と呼ばれ、KIKIマウスとフラタキシンノックアウトマウスを交差させることにより形成される複合ヘテロ接合体はKIKO（ノックインノックアウト）と呼ばれます。ただし、KIKOマウスでさえ、通常のフラタキシンレベルの25〜36％をまだ発現しており、非常に軽度の症状を示します。最後のアプローチでは、ヒトフラタキシン遺伝子のGAA拡張バージョンを使用してトランスジェニックマウスを作成します。これらのマウスは、YG22R（190リピートの1つのGAAシーケンス）およびYG22R（90および190リピートの2つのGAAシーケンス）と呼ばれます。これらのマウスは、人間の患者と同様の症状を示します。

ショウジョウバエでのフラタキシンの過剰発現は、抗酸化能力の増加、酸化ストレス傷害に対する耐性、および寿命を示しており、フラタキシンの役割は酸化ストレスおよびその後の細胞損傷からミトコンドリアを保護することであるという理論を裏付けています。

FRDAおよびFRDA患者の線維芽細胞のマウスモデルからの線維芽細胞は、DNA二本鎖切断のレベルの増加を示します。レンチウイルス遺伝子送達システムを使用して、フラタキシン遺伝子をFRDAマウスモデルおよびヒト患者細胞に送達し、これにより、フラタキシンmRNAおよびフラタキシンタンパク質の長期回復発現がもたらされました。フラタキシン遺伝子のこの復元された発現は、DNA二本鎖切断の数の実質的な減少を伴っていました。 FRDA細胞のフラタキシンの障害は、DNA損傷の修復能力の低下を引き起こすようであり、これは神経変性の一因となる可能性があります。

相互作用

フラタキシンは、PMPMB酵素と生物学的に相互作用することが示されています。