Palca cynkowego (ZF) są motywy strukturalne występują w wielu eukariotycznych białek. Należą do grupy metaloprotein, ponieważ są zdolne do wiązania jonu metalu cynku, którego potrzebują do swojego działania. Przewiduje się, że w około 1000 różnych białkach człowieka istnieje ponad 1500 domen ZF.
Termin „palec cynkowy” lub „palec cynkowy” został po raz pierwszy ukuty w 1985 roku przez Millera, McLachlana i Kluga, podczas szczegółowych badań małych domen wiążących DNA czynnika transkrypcyjnego TFIIIA Xenopus laevis, opisanych przez innych autorów kilka lat wcześniej. .
Graficzne przedstawienie motywu palca cynkowego w białkach (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), za pośrednictwem Wikimedia Commons)
Białka z motywami ZF należą do najliczniej występujących w genomie organizmów eukariotycznych i biorą udział w różnorodnych podstawowych procesach komórkowych, wśród których są transkrypcja genów, translacja białek, metabolizm, fałdowanie i składanie innych białek i lipidów. programowana śmierć komórki m.in.
Struktura
Struktura motywów ZF jest wyjątkowo zachowana. Zwykle te powtarzające się regiony mają od 30 do 60 aminokwasów, których struktura drugorzędowa występuje jako dwa przeciwrównoległe arkusze beta, które tworzą spinkę do włosów i alfa helisę, która jest oznaczona jako ββα.
Wspomniana struktura drugorzędowa jest stabilizowana przez oddziaływania hydrofobowe i przez koordynację atomu cynku przez dwie reszty cysteiny i dwie reszty histydyny (Cys 2 His 2 ). Istnieją jednak ZF, które mogą koordynować więcej niż jeden atom cynku i inne, w których kolejność reszt Cys i His jest różna.
ZF mogą być powtarzane w partii, liniowo skonfigurowane w tym samym białku. Wszystkie mają podobną strukturę, ale można je chemicznie odróżnić od siebie odmianami reszt aminokwasowych, które są kluczowe dla wypełniania ich funkcji.
Wspólną cechą ZF jest ich zdolność do rozpoznawania cząsteczek DNA lub RNA o różnej długości, dlatego początkowo uznawano je tylko za czynniki transkrypcyjne.
Ogólnie rozpoznawanie dotyczy regionów 3 pz w DNA i jest osiągane, gdy białko z domeną ZF przedstawia helisę alfa w głównym rowku cząsteczki DNA.
Klasyfikacja
Istnieją różne motywy ZF, które różnią się od siebie naturą i różnymi konfiguracjami przestrzennymi uzyskanymi dzięki wiązaniom koordynacyjnym z atomem cynku. Jedna z klasyfikacji jest następująca:
do
To często spotykany motyw w ZF-ach. Większość motywów C 2 H 2 jest specyficznych dla interakcji z DNA i RNA, jednak zaobserwowano, że uczestniczą one w interakcjach białko-białko. Mają od 25 do 30 reszt aminokwasowych i znajdują się w największej rodzinie białek regulatorowych w komórkach ssaków.
Podstawowa struktura domeny palca cynkowego C2H2, w tym wiązania koordynujące jon cynku oraz tło „ręka i palec” (AngelHerraez, za pośrednictwem Wikimedia Commons)
do
Oddziałują z RNA i niektórymi innymi białkami. Są one postrzegane głównie jako część niektórych białek kapsydu retrowirusa, pomagając w pakowaniu wirusowego RNA tuż po replikacji.
do
Białka z tym motywem to enzymy odpowiedzialne za replikację i transkrypcję DNA. Dobrym przykładem mogą być grube enzymy faga T4 i T7.
do
Ta rodzina ZF obejmuje czynniki transkrypcyjne, które regulują ekspresję ważnych genów w wielu tkankach podczas rozwoju komórki. Na przykład czynniki GATA-2 i 3 są zaangażowane w hematopoezę.
do
Te domeny są unikalne dla drożdży, w szczególności dla białka GAL4, które aktywuje transkrypcję genów zaangażowanych w stosowanie galaktozy i melibiozy.
Cynkowe palce (C
Te szczególne struktury mają 2 podtypy domen ZF (C 3 HC 4 i C 3 H 2 C 3 ) i są obecne w wielu białkach zwierzęcych i roślinnych.
Występują w białkach, takich jak RAD5, zaangażowanych w naprawę DNA organizmów eukariotycznych. Występują również w RAG1, niezbędnym do rekonfiguracji immunoglobulin.
H.
Ta domena ZF jest silnie konserwowana w integrazach retrowirusów i retrotranspozonów; wiążąc się z docelowym białkiem, powoduje w nim zmianę konformacyjną.
cechy
Białka z domenami ZF służą różnym celom: można je znaleźć na białkach rybosomalnych lub na adapterach transkrypcyjnych. Wykryto je również jako integralną część struktury drożdżowej polimerazy RNA II.
Wydaje się, że biorą udział w wewnątrzkomórkowej homeostazie cynku oraz w regulacji apoptozy lub programowanej śmierci komórki. Ponadto istnieją pewne białka ZF, które działają jako chaperony przy fałdowaniu lub transporcie innych białek.
Wiązanie z lipidami i kluczowa rola w interakcjach białko-białko są również głównymi funkcjami domen ZF w niektórych białkach.
Znaczenie biotechnologiczne
Z biegiem lat strukturalne i funkcjonalne zrozumienie domen ZF umożliwiło dokonanie wielkich postępów naukowych, które obejmują wykorzystanie ich cech do celów biotechnologicznych.
Ponieważ niektóre białka ZF mają wysoką specyficzność wobec pewnych domen DNA, obecnie wiele wysiłku wkłada się w projektowanie określonych ZF, które mogą zapewnić cenny postęp w terapii genowej u ludzi.
Ciekawe zastosowania biotechnologiczne wynikają również z projektowania białek z genetycznie modyfikowanymi ZF. W zależności od pożądanego celu, niektóre z nich można modyfikować przez dodanie peptydów palcowych „polycynkowych”, które są zdolne do rozpoznawania praktycznie dowolnej sekwencji DNA z wysokim powinowactwem i specyficznością.
Edycja genomu zmodyfikowana nukleazą jest obecnie jedną z najbardziej obiecujących aplikacji. Ten rodzaj edycji daje możliwość przeprowadzenia badań funkcji genetycznej bezpośrednio w modelowym systemie zainteresowania.
Inżynieria genetyczna z wykorzystaniem zmodyfikowanych nukleaz ZF przyciągnęła uwagę naukowców zajmujących się genetycznym ulepszaniem odmian roślin o znaczeniu rolniczym. Te nukleazy zostały użyte do skorygowania endogennego genu, który wytwarza formy odporne na herbicydy u tytoniu.
Nukleazy z ZF były również używane do dodawania genów w komórkach ssaków. Omawiane białka wykorzystano do wygenerowania zestawu izogenicznych komórek mysich z zestawem określonych alleli dla endogennego genu.
Taki proces ma bezpośrednie zastosowanie w znakowaniu i tworzeniu nowych form allelicznych do badania związków struktury i funkcji w natywnych warunkach ekspresji oraz w środowiskach izogenicznych.
Bibliografia
- Berg, JM (1990). Dziedziny palców cynkowych: hipotezy i aktualna wiedza. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Opracowanie domen palca cynkowego do rozpoznawania sekwencji DNA rodziny 5'-ANN-3 'i ich zastosowanie w konstrukcji sztucznych czynników transkrypcyjnych. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M. i Mackay, JP (2007). Lepkie palce: palce cynkowe jako motywy rozpoznawania białek. Trends in Biochemical Sciences, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). Odkrycie palców cynkowych i ich zastosowania w regulacji genów i manipulacji genomem. Annual Review of Biochemistry, 79 (1), 213–231.
- Kluska, K., Adamczyk, J. i Krȩzel, A. (2017). Metalowe właściwości wiążące palców cynkowych z naturalnie zmienionym miejscem wiązania metalu. Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM i Wright, PE (2001). Białka palców cynkowych: nowe spojrzenie na różnorodność strukturalną i funkcjonalną. Current Opinion in Structural Biology, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Powtarzające się domeny wiążące cynk w białkowym czynniku transkrypcji IIIA z oocytów Xenopus. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS i Gregory, PD (2010). Edycja genomu za pomocą zaprojektowanych nukleaz palca cynkowego. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.