Den zinkfinger (ZF) er strukturelle motiver til stede i mange eukaryote proteiner. De hører til gruppen af metalloproteiner, da de er i stand til at binde zinkmetalionen, som de har brug for til deres drift. Mere end 1.500 ZF-domæner forventes at eksistere i ca. 1.000 forskellige proteiner hos mennesker.
Udtrykket zinkfinger eller "zinkfinger" blev først myntet i 1985 af Miller, McLachlan og Klug, mens de studerede detaljeret de små DNA-bindende domæner i Xenopus laevis transkriptionsfaktor TFIIIA, beskrevet af andre forfattere nogle år tidligere..
Grafisk gengivelse af zinkfingermotivet i proteiner (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), via Wikimedia Commons)
Proteiner med ZF-motiver er blandt de mest udbredte i genomet af eukaryote organismer og deltager i en mangfoldighed af essentielle cellulære processer, herunder gentranskription, proteintransaktion, metabolisme, foldning og samling af andre proteiner og lipider., programmeret celledød, blandt andre.
Struktur
Strukturen af ZF-motiver er yderst bevaret. Normalt har disse gentagne regioner 30 til 60 aminosyrer, hvis sekundære struktur findes som to antiparallelle beta-ark, der danner en hårnål og en alfa-helix, betegnet som ßpa.
Nævnte sekundære struktur er stabiliseret ved hydrofobe interaktioner og ved koordinationen af et zinkatom givet af to cystein- og to histidinrester (Cys 2 His 2). Der er imidlertid ZF'er, der kan koordinere mere end et zinkatom og andre, hvor rækkefølgen af Cys og Hans rester varierer.
ZF'erne kan gentages i en batch, lineært konfigureret i det samme protein. Alle har lignende strukturer, men kan kemisk differentieres fra hinanden ved variationer af aminosyrerester, der er nøglen til udførelsen af deres funktioner.
Et almindeligt træk blandt ZF'er er deres evne til at genkende DNA- eller RNA-molekyler i forskellige længder, hvorfor de oprindeligt kun blev betragtet som transkriptionelle faktorer.
Generelt er genkendelse af 3bp-regioner i DNA og opnås, når ZF-domæneproteinet præsenterer alfa-helixen til den største rille af DNA-molekylet.
Klassifikation
Der er forskellige ZF-motiver, der adskiller sig fra hinanden af deres art og de forskellige rumlige konfigurationer opnået ved koordinationsbinding med zinkatom. En af klassificeringerne er som følger:
C
Dette er et almindeligt fundet motiv i ZF'er. Fleste C 2 H 2 motiver er specifikke for interaktion med DNA og RNA, imidlertid er de blevet observeret at deltage i protein-protein-interaktioner. De har mellem 25 og 30 aminosyrerester og findes inden for den største familie af regulatoriske proteiner i pattedyrceller.
Primær struktur af et zinkfingerdomæne C2H2, inklusive bindingerne, der koordinerer zinkionen og med en "hånd og finger" baggrund (AngelHerraez, via Wikimedia Commons)
C
De interagerer med RNA og nogle andre proteiner. De ses hovedsageligt som en del af nogle retrovirus-kapselproteiner, som hjælper med pakningen af viralt RNA lige efter replikation.
C
Proteiner med dette motiv er enzymer, der er ansvarlige for DNA-replikation og transkription. Et godt eksempel på disse kan være grove enzymerne T4 og T7.
C
Denne familie af ZF omfatter transkriptionsfaktorer, der regulerer ekspressionen af vigtige gener i adskillige væv under celleudvikling. GATA-2 og 3 faktorer er for eksempel involveret i hæmatopoiesis.
C
Disse domæner er typiske for gær, specifikt GAL4-proteinet, der aktiverer transkription af gener involveret i anvendelsen af galactose og melibiose.
Zinkfingre (C
Disse særlige strukturer besidder 2 undertyper af ZF domæner (C 3 HC 4 og C 3 H 2 C 3) og er til stede i talrige animalske og vegetabilske proteiner.
De findes i proteiner såsom RAD5, der er involveret i DNA-reparation i eukaryote organismer. De findes også i RAG1, essentielle til rekonfiguration af immunoglobuliner.
H
Dette domæne af ZF er meget konserveret i integraserne af retrovira og retrotransposoner; ved at binde til målproteinet forårsager det en konformationel ændring i det.
Funktioner
Proteiner med ZF-domæner tjener en række forskellige formål: De kan findes på ribosomale proteiner eller på transkriptionelle adaptere. De er også blevet påvist som en integreret del af strukturen af gær-RNA-polymerase II.
De ser ud til at være involveret i intracellulær zinkhomeostase og i reguleringen af apoptose eller programmeret celledød. Derudover er der nogle ZF-proteiner, der fungerer som chaperoner til foldning eller transport af andre proteiner.
Binding til lipider og en kritisk rolle i protein-protein-interaktioner er også fremtrædende funktioner af ZF-domænerne i nogle proteiner.
Bioteknologisk betydning
I årenes løb har den strukturelle og funktionelle forståelse af ZF-domænerne muliggjort store videnskabelige fremskridt, der involverer brugen af deres egenskaber til bioteknologiske formål.
Da nogle ZF-proteiner har stor specificitet for visse DNA-domæner, investeres der i øjeblikket meget i designet af specifikke ZF'er, som kan give værdifulde fremskridt inden for genterapi hos mennesker.
Interessante bioteknologiske anvendelser stammer også fra design af proteiner med genetisk manipulerede ZF'er. Afhængigt af det ønskede formål kan nogle af disse modificeres ved tilsætning af "poly zink" fingerpeptider, som er i stand til at genkende praktisk talt enhver DNA-sekvens med høj affinitet og specificitet.
Nuclease-modificeret genomisk redigering er en af de mest lovende applikationer i dag. Denne type redigering giver mulighed for at gennemføre undersøgelser af genetisk funktion direkte i det interesserede model-system.
Genteknologi ved hjælp af modificerede ZF-nukleaser har fanget opmærksomheden fra forskere inden for genetisk forbedring af kultivarer af planter af agronomisk betydning. Disse nukleaser er blevet brugt til at korrigere et endogent gen, der producerer herbicidresistente former i tobaksplanter.
Nukleaser med ZF er også blevet anvendt til tilsætning af gener i pattedyrceller. De pågældende proteiner blev anvendt til at generere et sæt isogene museceller med et sæt af definerede alleler til et endogent gen.
En sådan proces har en direkte anvendelse i tagging og oprettelse af nye alleliske former for at undersøge forholdene mellem struktur og funktion under naturlige ekspressionsbetingelser og i isogene miljøer.
Referencer
- Berg, JM (1990). Zinkfingerdomæner: hypoteser og aktuel viden. Årlig gennemgang af biofysik og biofysisk kemi, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Udvikling af zinkfingerdomæner til genkendelse af 5'-ANN-3'-familien af DNA-sekvenser og deres anvendelse i konstruktionen af kunstige transkriptionsfaktorer. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., & Mackay, JP (2007). Klæbede fingre: zink-fingre som proteingenkendelsesmotiver. Trends in Biochemical Sciences, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). Opdagelsen af zinkfingre og deres anvendelser i genregulering og genommanipulation. Årlig gennemgang af biokemi, 79 (1), 213-231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Metalbindende egenskaber hos zinkfingre med et naturligt ændret metalbindingssted. Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Zinkfingerproteiner: Ny indsigt i strukturel og funktionel mangfoldighed. Aktuel udtalelse inden for strukturbiologi, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Gentagne zinkbindende domæner i proteentranskriptionsfaktor IIIA fra Xenopus oocytter. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, & Gregory, PD (2010). Genomredigering med konstruerede zinkfingernukleaser. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.