Цинковий палець (ZF) є структурні мотиви присутні у багатьох еукаріотичних білків. Вони належать до групи металопротеїнів, оскільки вони здатні зв’язувати іон металу цинку, який їм потрібен для їх роботи. За прогнозами існують понад 1500 доменів ZF у близько 1000 різних білків у людини.
Термін цинковий палець або "цинковий палець" був вперше введений у 1985 році Міллером, Маклакланом та Клюгом, детально вивчаючи невеликі ДНК-зв'язуючі домени транскрипційного фактора Xenopus laevis TFIIIA, описані іншими авторами кілька років раніше. .
Графічне зображення мотива пальця цинку в білках (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), через Wikimedia Commons)
Білки з мотивами ZF є одними з найпоширеніших у геномі еукаріотичних організмів і беруть участь у різноманітті важливих клітинних процесів, серед яких транскрипція генів, трансляція білка, метаболізм, складання та збирання інших білків і ліпідів. , запрограмована загибель клітин, серед інших.
Будова
Структура мотивів ZF надзвичайно збережена. Зазвичай ці повторювані області містять від 30 до 60 амінокислот, вторинна структура яких зустрічається у вигляді двох протипаралельних бета-листів, що утворюють шпильку і альфа-спіраль, що позначається як ββα.
Зазначена вторинна структура стабілізується гідрофобними взаємодіями та координацією атома цинку, отриманого двома залишками цистеїну та двома гістидиновими залишками (Cys 2 His 2 ). Однак є ZF, які можуть координувати більше одного атома цинку та інші, де порядок залишків Cys та His змінюється.
ZF можуть повторюватися в партії, лінійно налаштованої в одному білку. Усі мають подібні структури, але можуть бути хімічно диференційовані одна від одної за допомогою варіацій залишків амінокислот, які є ключовими для виконання їх функцій.
Загальною особливістю серед ZF є їх здатність розпізнавати молекули ДНК або РНК різної довжини, тому вони спочатку розглядалися лише як фактори транскрипції.
Загалом, розпізнавання областей 3bp у ДНК досягається тоді, коли білок із доменом ZF представляє альфа-спіраль до головного каналу молекули ДНК.
Класифікація
Існують різні мотиви ZF, які відрізняються один від одного за своєю природою та різною просторовою конфігурацією, досягнутою координаційними зв’язками з атомом цинку. Одна з класифікацій така:
С
Це поширений мотив у ЗФ. Більшість мотивів C 2 H 2 є специфічними для взаємодії з ДНК та РНК, однак, за ними спостерігається участь у взаємодії білок-білок. Вони мають від 25 до 30 амінокислотних залишків і знаходяться в найбільшому сімействі регуляторних білків у клітинах ссавців.
Первинна структура домену цинкового пальця C2H2, включаючи зв'язки, що координують іон цинку та з фоном "рука і палець" (AngelHerraez, через Wikimedia Commons)
С
Вони взаємодіють з РНК та деякими іншими білками. Вони розглядаються в основному як частина деяких ретровірусних білків капсиду, що допомагають в упаковці вірусної РНК відразу після реплікації.
С
Білки з цим мотивом є ферментами, відповідальними за реплікацію та транскрипцію ДНК. Хорошим прикладом цього можуть бути грубі ферменти грубої фази Т4 і Т7.
С
Це сімейство ZF включає фактори транскрипції, які регулюють експресію важливих генів у численних тканинах під час розвитку клітин. Наприклад, фактори гета-2 та 3 беруть участь у гемопоезі.
С
Ці домени характерні для дріжджів, зокрема білка GAL4, який активує транскрипцію генів, що беруть участь у використанні галактози та мелібіози.
Цинкові пальці (С
Ці конкретні структури мають 2 підтипи доменів ZF (C 3 HC 4 і C 3 H 2 C 3 ) і присутні у численних тваринних і рослинних білках.
Вони містяться в білках, таких як RAD5, які беруть участь у відновленні ДНК в еукаріотичних організмах. Вони також містяться в RAG1, необхідному для конфігурації імуноглобулінів.
Н
Цей домен ZF є високозбереженим в інтегралах ретровірусів і ретротранспозонів; шляхом зв'язування з цільовим білком він викликає конформаційну зміну в ньому.
Особливості
Білки з ZF-доменами виконують різні цілі: їх можна знайти на рибосомних білках або на транскрипційних адаптерах. Вони також були виявлені як складова частина структури дріжджової РНК-полімерази II.
Здається, вони беруть участь у внутрішньоклітинному гомеостазі цинку та в регуляції апоптозу або запрограмованої загибелі клітин. Крім того, є деякі білки ZF, які функціонують як шаперони для складання або транспортування інших білків.
Зв'язування з ліпідами та вирішальна роль у взаємодії білок-білок також є визначними функціями доменів ZF у деяких білках.
Біотехнологічне значення
Протягом багатьох років структурне та функціональне розуміння доменів ZF дозволило досягти великих наукових досягнень, які передбачають використання їх характеристик у біотехнологічних цілях.
Оскільки деякі білки ZF мають високу специфічність для певних доменів ДНК, в даний час багато зусиль вкладається у розробку специфічних ZF, які можуть забезпечити цінний прогрес в генній терапії у людей.
Цікаві біотехнологічні застосування також виникають при розробці білків з генетично сконструйованими ZF. Залежно від бажаної мети, деякі з них можуть бути модифіковані додаванням пептидів пальця "поліцинку", які здатні розпізнавати практично будь-яку послідовність ДНК з високою спорідненістю та специфічністю.
Ядерно-модифіковане редагування геном є одним із найперспективніших застосувань сьогодні. Цей тип редагування пропонує можливість проводити дослідження генетичної функції безпосередньо в модельній системі, що цікавить.
Генетична інженерія з використанням модифікованих нуклеаз ZF привернула увагу вчених у галузі генетичного вдосконалення культурних рослин агрономічного значення. Ці нуклеази були використані для корекції ендогенного гена, який продукує стійкі до гербіцидів форми на рослинах тютюну.
Нуклеази зі ZF також використовувались для додавання генів у клітини ссавців. Запропоновані білки використовувались для генерації набору ізогенних клітин миші з набором визначених алелей для ендогенного гена.
Такий процес має безпосереднє застосування при маркуванні та створенні нових алельних форм для вивчення взаємозв'язків структури та функції в природних умовах експресії та в ізогенних середовищах.
Список літератури
- Берг, Дж. М. (1990). Домени цинкового пальця: гіпотези та сучасні знання. Щорічний огляд біофізики та біофізичної хімії, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Розробка доменних пальців цинку для розпізнавання 5'-ANN-3 'сімейства послідовностей ДНК та їх використання в побудові факторів штучної транскрипції. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., & Mackay, JP (2007). Клейкі пальці: цинкові пальці як мотиви розпізнавання білка. Тенденції біохімічних наук, 32 (2), 63–70.
- Клюг, А. (2010). Відкриття пальців цинку та їх застосування в регулюванні генів та маніпуляції геном. Щорічний огляд біохімії, 79 (1), 213–231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Металеві зв'язуючі властивості цинкових пальців із природним чином зміненим місцем зв’язування металу. Металоміка, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Білки цинкового пальця: нові уявлення про структурну та функціональну різноманітність. Сучасна думка з структурної біології, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Повторні цинк-зв'язуючі домени у факторі транскрипції білка IIIA з ооцитів Xenopus. Журнал мікроелементів в експериментальній медицині, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, & Gregory, PD (2010). Редагування геному за допомогою інженерії цинкового пальця. Nature Reviews Генетика, 11 (9), 636–646.