氧化还原对铁结合的大肠杆菌拓扑异构酶Ⅰ活性的调控

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 Fe²⁺ 和 Fe³⁺ 均能结合，但与Fe²⁺ 结合能力较弱，并且TopA结合的Fe³⁺ 被还原成Fe²⁺ 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。

Redox Control of Escherichia coli Topoisomerase I Activity via Iron Binding