氧化还原对铁结合的大肠杆菌拓扑异构酶Ⅰ活性的调控

摘要

大肠杆菌拓扑异构酶Ⅰ(E.coli TopA)属于I型拓扑异构酶,在DNA复制、转录、重组和基因表达调控等过程中发挥关键作用。E.coli TopA不仅能结合锌,还可以结合铁。细胞内过量铁可与锌竞争,通过与锌指结构域结合减弱其DNA结合能力和改变蛋白质空间构象,从而抑制TopA拓扑异构酶活性。然而,铁结合形式TopA的氧化还原特性以及氧化还原条件对其活性的影响仍不清楚。本研究通过紫外分光光谱和体外DNA拓扑异构酶活性分析,发现体外纯化得到的铁结合形式的TopA呈氧化状态,能够被二硫苏糖醇和连二亚硫酸钠还原,原本氧化状态下无活性的TopA在还原条件下,可恢复其拓扑异构酶活性。当还原剂被去除后,铁结合的TopA在空气中能够重新被氧化,且其活性重新受到抑制。这说明,氧化还原条件对铁结合的TopA功能具有可逆调节作用。通过金属-蛋白体外结合实验进一步发现,无金属结合的TopA蛋白(apo-TopA)在无氧条件下,与Fe^(2+)和Fe^(3+)均能结合,但与Fe^(2+)结合能力较弱,并且TopA结合的Fe^(3+)被还原成Fe^(2+)后,结合力显著下降,能够被铁螯合指示剂菲咯嗪快速捕获。此外,蛋白质内源性荧光光谱分析实验表明,铁结合的TopA在氧化还原的不同状态时,其在330 nm左右的荧光值有显著差异。这提示,氧化还原条件可能通过影响铁离子与TopA的结合状态,引起蛋白质空间构象改变,从而对TopA的拓扑异构酶活性进行调节。此研究表明,铁结合TopA的拓扑异构酶活性会受到细胞内氧化还原信号的可逆调控,也提示I型拓扑异构酶可能是细胞铁超载通过氧化损伤引起细胞功能障碍(或铁死亡)的靶点之一。