Struktura, klasyfikacja, funkcje i znaczenie palców cynkowych



The cynkowe palce (ZF) to motywy strukturalne obecne w dużej ilości białek eukariotycznych. Należą do grupy metaloprotein, ponieważ są zdolne do wiązania jonu metalu cynku, którego potrzebują do działania. Przewiduje się, że ponad 1500 domen ZF występuje u około 1000 różnych białek u ludzi.

Termin „palec cynkowy” został ukuty po raz pierwszy w 1985 r. Przez Millera, McLachlana i Klug, podczas gdy szczegółowo studiował małe domeny wiążące DNA czynnika transkrypcyjnego TFIIIA. Xenopus laevis, opisane przez innych autorów kilka lat wcześniej.

Białka z motywami ZF są jednymi z najliczniejszych w genomie organizmów eukariotycznych i uczestniczą w wielu istotnych procesach komórkowych, w tym transkrypcji genetycznej, translacji białek, metabolizmie, fałdowaniu i łączeniu innych białek i lipidów , zaprogramowana śmierć komórki, między innymi.

Indeks

  • 1 Struktura
  • 2 Klasyfikacja
    • 2,1 C2H2
    • 2,2 C2H
    • 2.3 C4 (pętla lub wstążka)
    • 2.4 C4 (rodzina GATA)
    • 2.5 C6
    • 2.6 Palce cynku (C3HC4-C3H2C3)
    • 2.7 H2C2
  • 3 funkcje
  • 4 Znaczenie biotechnologiczne
  • 5 referencji

Struktura

Struktura motywów ZF jest niezwykle zachowana. Zwykle te powtarzane regiony mają 30 do 60 aminokwasów, których struktura drugorzędowa występuje jako dwa przeciwrównoległe arkusze beta, które tworzą widelec i helisę alfa, co określa się jako ββα.

Ta struktura drugorzędowa jest stabilizowana przez oddziaływania hydrofobowe i przez koordynację atomu cynku przez dwie reszty cysteiny i dwie reszty histydynowe (Cys2Jego2). Istnieją jednak ZF, które mogą koordynować więcej niż jeden atom cynku i inne, gdzie kolejność Cys i jego reszt zmienia się.

ZF można powtórzyć w tandemie, konfigurując liniowo w tym samym białku. Wszystkie mają podobne struktury, ale można je chemicznie odróżnić od siebie poprzez zmiany kluczowych reszt aminokwasowych w celu spełnienia ich funkcji.

Wspólną cechą ZFs jest ich zdolność do rozpoznawania cząsteczek DNA lub RNA o różnych długościach, dlatego początkowo uważano je jedynie za czynniki transkrypcyjne.

Ogólnie rzecz biorąc, rozpoznawanie jest w regionach o 3 pz w DNA i osiąga się, gdy białko z domeną ZF prezentuje helisę alfa do większego rowka cząsteczki DNA..

Klasyfikacja

Istnieją różne motywy ZF, które różnią się od siebie ze względu na ich naturę i różne konfiguracje przestrzenne osiągane przez wiązania koordynacyjne z atomem cynku. Jedna z klasyfikacji jest następująca:

C2H2

Jest to motyw często spotykany w ZF. Większość powodów C2H2 są specyficzne dla interakcji z DNA i RNA, jednak zaobserwowano ich udział w interakcjach białko-białko. Mają od 25 do 30 reszt aminokwasowych i należą do największej rodziny białek regulatorowych w komórkach ssaków.

C2H

Współdziałają z RNA i niektórymi innymi białkami. Są one głównie obserwowane jako część niektórych białek kapsydu retrowirusowego, współpracujących w pakowaniu wirusowego RNA tuż po replikacji.

C4 (krawat lub wstążka)

Białka z tym motywem są enzymami odpowiedzialnymi za replikację i transkrypcję DNA. Dobrym przykładem tego może być Primase enzymy i T4 faga T7.

C4 (Rodzina GATA)

Ta rodzina ZF zawiera czynniki transkrypcyjne, które regulują ekspresję ważnych genów w licznych tkankach podczas rozwoju komórki. Na przykład czynniki GATA-2 i 3 biorą udział w hematopoezie.

C6

Te domeny są specyficzne dla drożdży, w szczególności białko GAL4, które aktywuje transkrypcję genów zaangażowanych w stosowanie galaktozy i melibiozy.

Cynkowe palce (C3HC4-C3H2C3)

Te konkretne struktury posiadają 2 podtypy domen ZF (C3HC4 i C3H2C3) i są obecne w wielu białkach zwierzęcych i roślinnych.

Znajdują się w białkach takich jak RAD5, biorących udział w naprawie DNA w organizmach eukariotycznych. Występują również w RAG1, niezbędnym do rekonfiguracji immunoglobulin.

H2C2

Ta domena ZF jest wysoce konserwatywna w całkach retrowirusów i retrotranspozonów; przez wiązanie z białym białkiem powoduje w nim zmianę konformacyjną.

Funkcje

Białka z domenami ZF służą kilku celom: można je znaleźć w białkach rybosomalnych lub w adapterach transkrypcyjnych. Wykryto je również jako integralną część struktury drożdżowej polimerazy RNA II.

Wydają się być zaangażowane w wewnątrzkomórkową homeostazę cynku i regulację apoptozy lub zaprogramowanej śmierci komórki. Ponadto istnieją pewne białka z ZF, które działają jako białka opiekuńcze do fałdowania lub transportu innych białek.

Wiązanie lipidów i kluczowa rola w interakcjach białko-białko są również ważnymi funkcjami domen ZF w niektórych białkach.

Znaczenie biotechnologiczne

Przez lata zrozumienie strukturalne i funkcjonalne domen ZF pozwoliło na dokonanie wielkich postępów naukowych, które obejmują wykorzystanie ich właściwości do celów biotechnologicznych.

Ponieważ niektóre białka z ZF mają wysoką specyficzność dla pewnych domen DNA, obecnie podejmuje się wiele wysiłku w projektowaniu specyficznego ZF, który może dostarczyć cennych postępów w terapii genowej u ludzi.

Interesujące zastosowania biotechnologiczne wynikają również z projektu białek z ZF zmodyfikowanych przez inżynierię genetyczną. W zależności od pożądanego końca, niektóre z nich mogą być modyfikowane przez dodanie peptydów „cynkowo-cynkowych”, które są zdolne do rozpoznawania praktycznie każdej sekwencji DNA z dużym powinowactwem i specyficznością.

Edycja genomowa ze zmodyfikowanymi nukleazami jest obecnie jedną z najbardziej obiecujących aplikacji. Ten rodzaj edycji oferuje możliwość przeprowadzenia badań funkcji genetycznej bezpośrednio w interesującym systemie modelowym.

Inżynieria genetyczna wykorzystująca zmodyfikowane nukleazy ZF przyciągnęła uwagę naukowców w dziedzinie genetycznej poprawy odmian roślin o znaczeniu agronomicznym. Te nukleazy zostały użyte do skorygowania endogennego genu, który wytwarza formy odporne na herbicydy w roślinach tytoniu.

Nukleazy z ZF stosowano również do dodawania genów w komórkach ssaków. Omawiane białka wykorzystano do wytworzenia zestawu izogenicznych komórek mysich z serią alleli zdefiniowanych dla endogennego genu.

Proces ten ma bezpośrednie zastosowanie w etykietowaniu i tworzeniu nowych form allelicznych do badania zależności struktury i funkcji w natywnych warunkach ekspresji i w środowiskach izogenicznych.

Referencje

  1. Berg, J. M. (1990). Domeny palca cynkowego: hipotezy i aktualna wiedza. Doroczny przegląd biofizyki i chemii biofizycznej, 19(39), 405-421.
  2. Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J. i Barbas, C. (2001). Opracowanie domen palca cynkowego do rozpoznawania rodziny sekwencji DNA 5'-ANN-3 'i ich zastosowania w konstrukcji sztucznych czynników transkrypcyjnych. JBC, (54).
  3. Gamsjaeger, R., Liew, C.K., Loughlin, F.E., Crossley, M. i Mackay, J.P. (2007). Lepkie palce: cynkowe palce jako motywy rozpoznawania białka. Trendy w naukach biochemicznych, 32(2), 63-70.
  4. Klug, A. (2010). Odkrycie palców cynkowych i ich zastosowania w regulacji genów i manipulacji genomem. Roczny przegląd biochemii, 79(1), 213-231.
  5. Kluski K., Adamczyk, J., i Krȩzel, A. (2017). Właściwości wiązania cynku palcami metalu z naturalnie zmienionym miejscem wiązania metalu. Metalomika, 10(2), 248-263.
  6. Laity, J. H., Lee, B. M. i Wright, P. E. (2001). Białka palca cynkowego: nowe spojrzenie na różnorodność strukturalną i funkcjonalną. Aktualna opinia w biologii strukturalnej, 11(1), 39-46.
  7. Miller, J., McLachlan, A. D. i Klug, A. (1985). Powtarzalne domeny wiążące cynk w czynniku transkrypcji białka IIIA z oocytów Xenopus. Journal of Trace Elements w medycynie eksperymentalnej, 4(6), 1609-1614.
  8. Urnov, F. D., Rebar, E.J., Holmes, M.C., Zhang, H.S. i Gregory, P.D. (2010). Edycja genomu za pomocą skonstruowanych nukleazowych palców cynkowych. Nature Reviews Genetics, 11(9), 636-646.