Цинковый палец (ZF) являются структурные мотивы присутствуют во многих эукариотических белков. Они принадлежат к группе металлопротеинов, так как способны связывать ион металлического цинка, который им необходим для их работы. Предполагается, что более 1500 доменов ZF существуют примерно в 1000 различных белках человека.
Термин «цинковый палец» или «цинковый палец» был впервые введен в употребление в 1985 году Миллером, Маклахланом и Клагом при детальном изучении небольших ДНК-связывающих доменов транскрипционного фактора Xenopus laevis TFIIIA, описанных другими авторами несколькими годами ранее. ,
Графическое изображение мотива цинкового пальца в белках (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), через Wikimedia Commons)
Белки с мотивами ZF являются одними из самых распространенных в геноме эукариотических организмов и участвуют во множестве основных клеточных процессов, среди которых транскрипция генов, трансляция белков, метаболизм, сворачивание и сборка других белков и липидов. , запрограммированная гибель клеток, среди прочего.
Структура
Структура мотивов ZF чрезвычайно консервативна. Обычно эти повторяющиеся области содержат от 30 до 60 аминокислот, вторичная структура которых обнаруживается в виде двух антипараллельных бета-листов, образующих шпильку и альфа-спираль, которая обозначается как ββα.
Указанная вторичная структура стабилизируется гидрофобными взаимодействиями и координацией атома цинка, задаваемого двумя остатками цистеина и двумя остатками гистидина (Cys 2 His 2 ). Однако есть ZF, которые могут координировать более одного атома цинка, и другие, в которых порядок остатков Cys и His варьируется.
ZF могут повторяться в партии, линейно сконфигурированные в одном и том же белке. Все они имеют схожую структуру, но могут быть химически дифференцированы друг от друга по вариациям аминокислотных остатков, необходимых для выполнения их функций.
Общей чертой ZF является их способность распознавать молекулы ДНК или РНК разной длины, поэтому изначально они рассматривались только как факторы транскрипции.
В общем, распознавание происходит в области 3 п.н. в ДНК и достигается, когда белок домена ZF представляет альфа-спираль в большую бороздку молекулы ДНК.
классификация
Существуют разные мотивы ZF, которые отличаются друг от друга по своей природе и различным пространственным конфигурациям, достигаемым за счет координационных связей с атомом цинка. Одна из классификаций выглядит следующим образом:
С
Это часто встречающийся мотив в ZF. Большинство мотивов C 2 H 2 специфичны для взаимодействия с ДНК и РНК, однако, как было обнаружено, они участвуют во взаимодействиях белок-белок. Они имеют от 25 до 30 аминокислотных остатков и находятся в самом большом семействе регуляторных белков в клетках млекопитающих.
Первичная структура домена цинкового пальца C2H2, включая связи, которые координируют ион цинка, и с фоном «руки и пальцы» (AngelHerraez, через Wikimedia Commons)
С
Они взаимодействуют с РНК и некоторыми другими белками. Они рассматриваются в основном как часть капсидных белков некоторых ретровирусов, помогая в упаковке вирусной РНК сразу после репликации.
С
Белки с этим мотивом являются ферментами, отвечающими за репликацию и транскрипцию ДНК. Хорошим примером этого могут быть грубые ферменты фагов Т4 и Т7.
С
Это семейство ZF включает факторы транскрипции, которые регулируют экспрессию важных генов во многих тканях во время развития клеток. Факторы GATA-2 и 3, например, участвуют в гемопоэзе.
С
Эти домены типичны для дрожжей, в частности, белок GAL4, который активирует транскрипцию генов, участвующих в использовании галактозы и мелибиозы.
Цинковые пальцы (C
Эти конкретные структуры обладают 2 подтипами доменов ZF (C 3 HC 4 и C 3 H 2 C 3 ) и присутствуют во многих белках животных и растений.
Они содержатся в белках, таких как RAD5, участвующих в репарации ДНК у эукариотических организмов. Они также обнаружены в RAG1, важном для реконфигурации иммуноглобулинов.
ЧАС
Этот домен ZF высоко консервативен в интегразах ретровирусов и ретротранспозонов; связываясь с целевым белком, он вызывает в нем конформационные изменения.
Характеристики
Белки с доменами ZF служат множеству целей: их можно найти на рибосомальных белках или на адаптерах транскрипции. Они также были обнаружены как неотъемлемая часть структуры дрожжевой РНК-полимеразы II.
Они, по-видимому, участвуют во внутриклеточном гомеостазе цинка и в регуляции апоптоза или запрограммированной гибели клеток. Кроме того, есть некоторые белки ZF, которые действуют как шапероны для сворачивания или транспорта других белков.
Связывание с липидами и критическая роль во взаимодействиях белок-белок также являются важными функциями доменов ZF в некоторых белках.
Биотехнологическое значение
На протяжении многих лет структурное и функциональное понимание доменов ZF позволило добиться больших научных достижений, которые включают использование их характеристик в биотехнологических целях.
Поскольку некоторые белки ZF обладают высокой специфичностью к определенным доменам ДНК, в настоящее время прилагаются большие усилия для создания конкретных ZF, которые могут обеспечить ценный прогресс в генной терапии у людей.
Интересные биотехнологические приложения возникают также из дизайна белков с генно-инженерными ZF. В зависимости от желаемой цели некоторые из них могут быть модифицированы добавлением «полицинковых» пальчатых пептидов, которые способны распознавать практически любую последовательность ДНК с высокой аффинностью и специфичностью.
Редактирование генома с модифицированной нуклеазой - одно из самых многообещающих приложений сегодня. Этот тип редактирования дает возможность проводить исследования генетической функции непосредственно в интересующей модельной системе.
Генная инженерия с использованием модифицированных нуклеаз ZF привлекла внимание ученых в области генетического улучшения сортов растений, имеющих агрономическое значение. Эти нуклеазы были использованы для коррекции эндогенного гена, который продуцирует устойчивые к гербицидам формы в растениях табака.
Нуклеазы с ZF также использовались для добавления генов в клетки млекопитающих. Рассматриваемые белки были использованы для создания набора изогенных мышиных клеток с набором определенных аллелей для эндогенного гена.
Такой процесс имеет прямое применение при маркировке и создании новых аллельных форм для изучения структурных и функциональных взаимосвязей в естественных условиях экспрессии и в изогенных средах.
Ссылки
- Берг, JM (1990). Домены цинковых пальцев: гипотезы и текущие знания. Ежегодный обзор биофизики и биофизической химии, 19 (39), 405–421.
- Дрейер Б., Берли Р., Сигал Д., Флиппин Дж. И Барбас К. (2001). Разработка доменов «цинковые пальцы» для распознавания семейства 5'-ANN-3 'последовательностей ДНК и их использование при создании искусственных факторов транскрипции. JBC, (54).
- Гамсъегер, Р., Лью, К. К., Лафлин, Ф. Е., Кроссли, М., и Маккей, Дж. П. (2007). Липкие пальцы: цинковые пальцы как мотив распознавания белков. Тенденции в биохимических науках, 32 (2), 63–70.
- Клуг, А. (2010). Открытие цинковых пальцев и их применения в регуляции генов и манипуляции геномом. Ежегодный обзор биохимии, 79 (1), 213–231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Свойства связывания металлов цинковыми пальцами с естественно измененным участком связывания металла. Металломика, 10 (2), 248–263.
- Лэйти, Дж. Х., Ли, Б. М. и Райт, ЧП (2001). Белки «цинковые пальцы»: новый взгляд на структурное и функциональное разнообразие. Текущее мнение в структурной биологии, 11 (1), 39–46.
- Миллер Дж., Маклахлан А.Д. и Клуг А. (1985). Повторяющиеся цинк-связывающие домены в белке фактора транскрипции IIIA из ооцитов Xenopus. Журнал микроэлементов в экспериментальной медицине, 4 (6), 1609–1614.
- Урнов, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, & Грегори, PD (2010). Редактирование генома с помощью сконструированных нуклеаз цинковых пальцев. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.