2.1. Основные свойства транскрипционных факторов суперсемейства fur

Белки суперсемейства FUR широко распространены у прокариот. В настоящее время известно около 10000 последовательностей, принадлежащих 4091 видам различных бактерий и архей (Fillat, 2014). Упрощенная модель наиболее распространенного механизма действия белка Fur заключается в специфическом связывании димера Fur в комплексе с металлом-кофактором в качестве корепрессора с палиндромными А/Т богатыми последовательностями, находящимися в промоторе контролируемых генов (Bagg, Neilands, 1987). Связывание кофактора вызывает конформационные изменения белка-регулятора, что способствует его стабильному взаимодействию с ДНК. Несмотря на структурные различия, белки суперсемейства имеют общие черты строения. На N-конце они содержат ДНК-связывающий домен, а на С-конце – регуляторный металл-связывающий участок, способный к димеризации (рис. 1; Pohl et al., 2003). Как правило, белки этого суперсемейства содержат богатую гистидиновыми остатками область HHHXHX₂CX₂C, расположенную в начале димеризационного домена – после шарнирной области между N-концевым ДНК-связывающим доменом и С-концом (http://pfam.xfam.org/family/PF01475). Менее консервативный мотив CXXC находится на С-конце некоторых ортологов белка Fur, а также у всех белков Zur и PerR, идентифицированных к настоящему времени.

Белки суперсемейства FUR обычно регулируют экспрессию собственного гена; однако, обнаружены и другие факторы, влияющие на уровень их внутриклеточной концентрации. Как правило, в клетке активно несколько белков данного семейства с различными функциями (Hantke, 2001; Fuangthong, Helmann, 2003; Botello-Morte et al., 2013), и в связи с этим часто образуются функционально значимые перекрывания регуляторных областей генов, кодирующих эти белки (Horsburgh et al., 2001; Fuangthong et al., 2002; Hernandez et al., 2004; Hohle, O’Brian, 2010).

Наиболее активно исследуемыми и хорошо изученными представителями описываемого суперсемейства являются белки Fur (прототип семейства с огромным количеством ортологов), основная функция которых заключается в регуляции поглощения клеткой железа.

2.2. Свойства связывания металлов у регуляторов гомеостаза железа Fur

В дополнение к ожидаемому атому железа, в кристаллизованных белках Fur Escherichia coli и Vibrio anguillarum был обнаружен структурный атом цинка, по одному на мономер (Althaus et al., 1999; Zheleznova et al., 2000), по-видимому, необходимый для стабилизации димерной формы белка (D’Autreaux et al., 2007). Показано, что Fur Helicobacter рylori имеет 3 металл-связывающих сайта, содержащих ион железа Fe²⁺ и 2 иона цинка Zn²⁺ (рис. 1; Pohl et al., 2003), а также уникальный структурированный N-конец и необычные спирали на С-конце, что связывают с проявлением его функциональной активности в апо-форме (Butcher et al., 2012). По 2 атома цинка на мономер обнаружены также в белках Fur Pseudomonas aeruginosa и Vibrio cholerae (Pohl et al., 2003; Sheikh et al., 2009); однако, имеются экспериментальные свидетельства незначительной роли цинка в функционировании Fur у P. aeruginosa (Lewin et al., 2002; Sheikh et al., 2009). Более того, несмотря на наличие 2 предполагаемых сайтов связывания цинка в белке Fur Anabaena sp. PCC 7120, присутствия в нем этого металла не было выявлено (Hernandez et al., 2002). В целом, в настоящее время преобладающим становится мнение о том, что цинк не служит важным для белков Fur металлом (Fillat, 2014). Вместе с тем интригующим свойством белков Fur является их редокс-зависимая способность формировать олигомеры (в основном тримеры) за счет межмолекулярных дисульфидных связей и гидрофобных взаимодействий (Lostao et al., 2010).

Рис. 1. Третичная структура димера белка Fur Helicobacter pylori с локализацией трех атомов металлов (Pohl et al., 2003). Структурный ион Zn²⁺ в участке-1 показан красным шариком; второй ион, Fe²⁺, связанный с регуляторным сайтом в участке-2 – темно-синим; третий ион, Zn²⁺, в участке-3 – пурпурным.

(А) Димер Fur, связанный с ДНК (не показана). N-концевой ДНК-связывающий домен А-цепи – пурпурный; промежуточный домен, способный изгибаться – оранжевый; С-концевой димеризационный домен – голубой. В-цепь димера выделена зеленым цветом.

(Б) Другая ориентация димера Fur. А-цепь окрашена серым, В-цепь – зеленым цветом.

(В) Выравнивание богатых гистидином участков аминокислотных последовательностей ортологов Fur различных бактерий. Желтым цветом указан участок, вовлеченный в димеризацию белков. Сокращения родовых названий бактерий: H. – Helicobacter, E. – Escherichia, V. – Vibrio, A. – Anabaena, M. – Mycobacterium, B. – Bacillus, S. – Streptococcus.