Cinkov prst (ZF) so strukturne motivi prisotni v številnih evkariontskih proteinov. Spadajo v skupino metaloproteinov, saj so sposobni vezati cinkov kovinski ion, ki ga potrebujejo za svoje delovanje. Pričakuje se, da obstaja več kot 1500 domen ZF v približno 1000 različnih beljakovinah pri ljudeh.
Izraz cinkov prst ali „cinkov prst“ so prvič uvedli leta 1985 Miller, McLachlan in Klug, medtem ko so podrobno preučevali majhne domene, ki se vežejo na DNA transkripcijskega faktorja TFIIIA Xenopus laevis, ki so jih drugi avtorji opisali že nekaj let prej. .
Grafični prikaz motiva cinkovega prsta v proteinih (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), prek Wikimedia Commons)
Beljakovine z motivi ZF spadajo med najbogatejše v genomu evkariontskih organizmov in sodelujejo pri raznovrstnih bistvenih celičnih procesih, med katerimi so genska transkripcija, prevajanje beljakovin, metabolizem, zlaganje in sestavljanje drugih beljakovin in lipidov. , med drugim programirana celična smrt.
Struktura
Struktura motivov ZF je izjemno ohranjena. Običajno imajo ta ponavljajoča se območja od 30 do 60 aminokislin, katerih sekundarna struktura najdemo kot dva protiparalna beta lista, ki tvorita lasnico in alfa vijačnico, ki je označena kot ββα.
Omenjeno sekundarno strukturo stabiliziramo s hidrofobnimi interakcijami in koordinacijo cinkovega atoma, ki ga dobita dva cisteinska in dva histidinska ostanka (Cys 2 His 2 ). Vendar obstajajo ZF, ki lahko koordinirajo več kot en cink atom in drugi, kjer se vrstni red ostankov Cys in His razlikuje.
ZF se lahko ponovijo v šarži, linearno konfigurirani v istem proteinu. Vsi imajo podobno strukturo, vendar jih je mogoče kemično razlikovati med seboj z variacijami aminokislinskih ostankov, ki so ključni za izpolnjevanje njihovih funkcij.
Skupna značilnost ZF je njihova sposobnost prepoznavanja molekul DNK ali RNK različnih dolžin, zato so jih sprva obravnavali le kot transkripcijske dejavnike.
Na splošno je prepoznavanje 3bp regij v DNK in je doseženo, če protein domene ZF predstavlja alfa vijačnico glavnemu žlebu molekule DNA.
Razvrstitev
Obstajajo različni motivi ZF, ki se med seboj razlikujejo po svoji naravi in različnih prostorskih konfiguracijah, ki jih dosegajo koordinacijske vezi z cinkovim atomom. Ena od razvrstitev je naslednja:
C
To je pogost motiv v ZF. Večina C 2 H 2 motivi so specifični za interakcijo z DNA in RNA, vendar pa so opazili, da sodelujejo v protein-proteinskih interakcijah. Imajo med 25 in 30 aminokislinskih ostankov in jih najdemo v največji družini regulatornih beljakovin v celicah sesalcev.
Primarna struktura domene cinkovega prsta C2H2, vključno z vezmi, ki koordinirajo cinkov ion in z ozadjem "roka in prst" (AngelHerraez, Wikimedia Commons)
C
Medsebojno delujejo z RNA in nekaterimi drugimi proteini. V glavnem jih vidimo kot del nekaterih retrovirusnih kapsidnih proteinov, ki pomagajo pri pakiranju virusne RNA takoj po razmnoževanju.
C
Beljakovine s tem motivom so encimi, odgovorni za podvajanje in prepisovanje DNK. Dober primer so lahko grobi encimi fagov T4 in T7.
C
Ta družina ZF obsega transkripcijske faktorje, ki uravnavajo izražanje pomembnih genov v številnih tkivih med celičnim razvojem. Na primer, dejavniki GATA-2 in 3 so vključeni v hematopoezo.
C
Te domene so značilne za kvas, natančneje protein GAL4, ki aktivira transkripcijo genov, ki sodelujejo pri uporabi galaktoze in melibioze.
Cinkovi prsti (C
Te posebne strukture imajo 2 podtipa domen ZF (C 3 HC 4 in C 3 H 2 C 3 ) in so prisotne v številnih živalskih in rastlinskih beljakovinah.
Najdemo jih v beljakovinah, kot je RAD5, ki sodelujejo pri popravilu DNK v evkariontskih organizmih. Najdemo jih tudi v RAG1, ki je bistven za rekonfiguracijo imunoglobulinov.
H
Ta domena ZF je zelo ohranjena v integracijah retrovirusov in retrotransposonov; z vezavo na ciljni protein povzroči konformacijsko spremembo v njem.
Lastnosti
Beljakovine z domena ZF služijo v različne namene: najdemo jih na ribosomalnih proteinih ali na transkripcijskih adapterjih. Odkrili so jih tudi kot sestavni del strukture RNA polimeraze kvasovk.
Kaže, da so vključeni v znotrajcelično homeostazo cinka in v uravnavanje apoptoze ali programirane celične smrti. Poleg tega obstaja nekaj beljakovin ZF, ki delujejo kot kaperoni za zlaganje ali transport drugih beljakovin.
Vezanje lipidov in kritična vloga medsebojno delovanje beljakovin in beljakovin sta tudi pomembni funkciji ZF domen v nekaterih proteinih.
Biotehnološki pomen
Skozi leta je strukturno in funkcionalno razumevanje domen ZF omogočilo velik znanstveni napredek, ki vključuje uporabo njihovih značilnosti v biotehnološke namene.
Ker imajo nekateri proteini ZF visoko specifičnost za določene domene DNK, je vloženo veliko truda v oblikovanje specifičnih ZF, ki lahko zagotovijo dragocen napredek genske terapije pri ljudeh.
Zanimive biotehnološke aplikacije izhajajo tudi iz zasnove beljakovin z gensko inženirnimi ZF. Odvisno od želenega namena lahko nekatere od teh spremenimo z dodajanjem prstnih peptidov "poli cinka", ki so sposobni prepoznati skoraj vsako zaporedje DNK z visoko afiniteto in specifičnostjo.
Nuclease-modificirano gensko urejanje je ena najbolj obetavnih aplikacij danes. Ta vrsta urejanja ponuja možnost izvajanja študij o genetski funkciji neposredno v modelnem sistemu, ki nas zanima.
Gensko inženirstvo z uporabo modificiranih ZF nukleusov je pritegnilo pozornost znanstvenikov na področju genetskega izboljšanja kultivarjev rastlin agronomskega pomena. Ti nukleoti so bili uporabljeni za popravljanje endogenega gena, ki proizvaja rastline, odporne na herbicide, v rastlinah tobaka.
Nukleaze z ZF so bile uporabljene tudi za dodajanje genov v celicah sesalcev. Zadevni proteini so bili uporabljeni za ustvarjanje nabora izogenih mišjih celic z nizom definiranih alelov za endogeni gen.
Takšen postopek ima neposredno uporabo pri označevanju in ustvarjanju novih alelnih oblik za preučevanje strukturnih in funkcijskih razmerij v naravnih pogojih izražanja in v izogenih okoljih.
Reference
- Berg, JM (1990). Področja cinkovega prsta: hipoteze in trenutno znanje. Letni pregled biofizike in biofizikalne kemije, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Razvoj domen cinkovega prsta za prepoznavanje 5'-ANN-3 'družine DNK zaporedij in njihovo uporabo pri gradnji umetnih faktorjev transkripcije. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., in Mackay, JP (2007). Lepljivi prsti: cinkovi prsti kot motivi za prepoznavanje beljakovin. Trendi v biokemijskih znanostih, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). Odkritje cinkovih prstov in njihove uporabe pri regulaciji genov in manipulaciji z genomi. Letni pregled biokemije, 79 (1), 213–231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Kovinske vezi za cinkove prste z naravno spremenjenim mestom vezave kovine. Metallomika, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM in Wright, PE (2001). Proteini cinkovega prsta: Novi vpogled v strukturno in funkcionalno raznolikost. Trenutno mnenje o strukturni biologiji, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Ponavljajoče domene, ki vežejo cink, v faktorju transkripcije proteina IIIA iz oocitov Xenopus. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, in Gregory, PD (2010). Urejanje genoma z inženirji cinkovega prsta nuclease. Nature Review Genetics, 11 (9), 636–646.