Zinkový prst (ZF) sú štrukturálne motívy prítomné v mnohých eukaryotických proteínov. Patrí do skupiny metaloproteínov, pretože sú schopné viazať ióny kovového zinku, ktoré potrebujú na svoju činnosť. Predpokladá sa, že u asi 1 000 rôznych proteínov u ľudí existuje viac ako 1 500 domén ZF.
Pojem zinkový prst alebo „zinkový prst“ bol prvýkrát vytvorený v roku 1985 Millerom, McLachlanom a Klugom, zatiaľ čo podrobne študoval malé DNA väzbové domény transkripčného faktora Xenopus laevis TFIIIA, ktoré opísali iní autori pred niekoľkými rokmi. ,
Grafické znázornenie motívu zinkových prstov v proteínoch (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), prostredníctvom Wikimedia Commons)
Bielkoviny s motívmi ZF patria k najhojnejším v genóme eukaryotických organizmov a podieľajú sa na rôznych základných bunkových procesoch, medzi ktoré patrí transkripcia génov, translácia proteínov, metabolizmus, skladanie a zhromažďovanie iných proteínov a lipidov. , medzi iným programovaná bunková smrť.
štruktúra
Štruktúra motívov ZF je mimoriadne zachovaná. Zvyčajne majú tieto opakované oblasti 30 až 60 aminokyselín, ktorých sekundárna štruktúra sa nachádza ako dva antiparalelné beta listy, ktoré tvoria vlásenku a alfa helix, ktorý sa označuje ako ppα.
Uvedená sekundárna štruktúra je stabilizovaná hydrofóbnymi interakciami a koordináciou atómu zinku daným dvoma cysteínovými a dvoma histidínovými zvyškami (Cys 2 His 2 ). Existujú však ZF, ktoré môžu koordinovať viac ako jeden atóm zinku, a ďalšie, kde sa mení poradie Cys a His zvyškov.
ZF sa môžu opakovať v šarži, lineárne nakonfigurované v rovnakom proteíne. Všetky majú podobné štruktúry, ale môžu sa navzájom chemicky odlíšiť variáciami aminokyselinových zvyškov, ktoré sú kľúčom k splneniu ich funkcií.
Spoločnou črtou medzi ZF je ich schopnosť rozpoznávať molekuly DNA alebo RNA rôznych dĺžok, a preto sa pôvodne považovali iba za transkripčné faktory.
Všeobecne je rozpoznávanie 3 bp oblastí v DNA a je dosiahnuté, keď proteín domény ZF predstavuje alfa helix do hlavnej drážky molekuly DNA.
klasifikácia
Existujú rôzne motívy ZF, ktoré sa navzájom líšia svojou povahou a rôznymi priestorovými konfiguráciami dosiahnutými koordinačnými väzbami s atómom zinku. Jedna z klasifikácií je nasledovná:
C
Toto je bežne nájdený motív v ZF. Väčšina C 2 H 2 motívy sú špecifické interakcie s DNA a RNA, avšak boli pozorované na účasť na interakciách proteín-proteín. Majú medzi 25 a 30 aminokyselinovými zvyškami a nachádzajú sa v najväčšej rodine regulačných proteínov v cicavčích bunkách.
Primárna štruktúra domény C2H2 zinkových prstov, vrátane väzieb, ktoré koordinujú zinkový ión a na pozadí „ruky a prsty“ (AngelHerraez, prostredníctvom Wikimedia Commons)
C
Interagujú s RNA a niektorými ďalšími proteínmi. Považujú sa hlavne za súčasť niektorých proteínov kapsidového retrovírusu, ktoré pomáhajú pri balení vírusovej RNA bezprostredne po replikácii.
C
Proteíny s týmto motívom sú enzýmy zodpovedné za replikáciu a transkripciu DNA. Dobrým príkladom môžu byť enzýmy hrubého fágu T4 a T7.
C
Táto rodina ZF obsahuje transkripčné faktory, ktoré regulujú expresiu dôležitých génov v mnohých tkanivách počas vývoja buniek. Faktory GATA-2 a 3 sa napríklad podieľajú na krvotvorbe.
C
Tieto domény sú typické pre kvasinky, konkrétne proteín GAL4, ktorý aktivuje transkripciu génov zapojených do použitia galaktózy a melibiózy.
Zinkové prsty (C
Tieto konkrétne štruktúry majú 2 podtypy ZF domén (C 3 HC 4 a C 3 H 2 C 3 ) a sú prítomné v mnohých živočíšnych a rastlinných bielkovín.
Nachádzajú sa v proteínoch, ako je RAD5, ktoré sa podieľajú na oprave DNA v eukaryotických organizmoch. Nachádzajú sa tiež v RAG1, ktoré sú nevyhnutné na rekonfiguráciu imunoglobulínov.
H
Táto doména ZF je vysoko konzervovaná v integrázach retrovírusov a retrotranspozónov; väzbou na cieľový proteín spôsobuje konformačnú zmenu v ňom.
Vlastnosti
Proteíny s doménami ZF slúžia na rôzne účely: možno ich nájsť na ribozomálnych proteínoch alebo na transkripčných adaptéroch. Zistili sa tiež ako integrálna súčasť štruktúry kvasinkovej RNA polymerázy II.
Zdá sa, že sa podieľajú na intracelulárnej homeostáze zinku a na regulácii apoptózy alebo programovanej bunkovej smrti. Okrem toho existujú niektoré ZF proteíny, ktoré fungujú ako chaperóny na skladanie alebo transport iných proteínov.
Väzba na lipidy a rozhodujúca úloha pri interakciách proteín-proteín sú tiež významnými funkciami domén ZF v niektorých proteínoch.
Biotechnologický význam
V priebehu rokov štrukturálne a funkčné porozumenie oblastí ZF umožnilo veľké vedecké pokroky, ktoré zahŕňajú použitie ich charakteristík na biotechnologické účely.
Pretože niektoré proteíny ZF majú vysokú špecificitu pre určité domény DNA, v súčasnosti sa investuje veľké úsilie do navrhovania špecifických ZF, ktoré môžu poskytnúť cenné pokroky v génovej terapii u ľudí.
Zaujímavé biotechnologické aplikácie tiež vychádzajú z návrhu proteínov s geneticky upravenými ZF. V závislosti od želaného účelu sa niektoré z nich môžu modifikovať pridaním "polyzinkových" prstových peptidov, ktoré sú schopné rozoznať prakticky akúkoľvek sekvenciu DNA s vysokou afinitou a špecifickosťou.
Nukleázou modifikovaná genómová editácia je jednou z najsľubnejších aplikácií v súčasnosti. Tento typ editácie ponúka možnosť vykonávať štúdie genetickej funkcie priamo v modelovom systéme záujmu.
Genetické inžinierstvo využívajúce modifikované nukleázy ZF upútalo pozornosť vedcov v oblasti genetického zlepšenia kultivarov rastlín agronomického významu. Tieto nukleázy sa používajú na korekciu endogénneho génu, ktorý produkuje formy rezistentné voči herbicídom v tabakových rastlinách.
Nukleázy so ZF sa tiež použili na pridanie génov do cicavčích buniek. Dotyčné proteíny sa použili na vytvorenie sady izogénnych myších buniek so sadou definovaných alel pre endogénny gén.
Takýto proces má priame uplatnenie pri označovaní a vytváraní nových alelických foriem na štúdium štruktúrnych a funkčných vzťahov v natívnych podmienkach expresie a v izogénnych prostrediach.
Referencie
- Berg, JM (1990). Domény so zinkovými prstami: hypotézy a súčasné znalosti. Ročný prehľad biofyziky a biofyzikálnej chémie, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Vývoj zinkových prstových domén na rozpoznávanie 5'-ANN-3 'rodiny DNA sekvencií a ich použitie pri konštrukcii umelých transkripčných faktorov. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M. a Mackay, JP (2007). Lepkavé prsty: zinkové prsty ako motívy na rozpoznávanie proteínov. Trends in Biochemical Sciences, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). Objavenie zinkových prstov a ich aplikácie pri regulácii génov a manipulácii s genómom. Ročný prehľad biochémie, 79 (1), 213-231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krzzel, A. (2017). Kovové väzbové vlastnosti zinkových prstov s prirodzene zmeneným kovovým väzbovým miestom. Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM a Wright, PE (2001). Proteíny zo zinkových prstov: Nové poznatky o štrukturálnej a funkčnej diverzite. Aktuálne stanovisko v Struct Biology, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, a Klug, A. (1985). Opakujúce sa domény viažuce zinok v proteínovom transkripčnom faktore IIIA z oocytov Xenopus. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS a Gregory, PD (2010). Úpravy genómu s upravenými zinkovými prstovými nukleázami. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636 - 646.