Deget de zinc (ZF) sunt motive structurale prezente în multe proteine eucariote. Ele aparțin grupului de metaloproteine, deoarece sunt capabile să lege ionul de metal de zinc, pe care le necesită pentru funcționarea lor. Se preconizează că peste 1.500 de domenii ZF există la aproximativ 1.000 de proteine diferite la om.
Termenul deget de zinc sau „deget de zinc” a fost creat pentru prima dată în 1985 de Miller, McLachlan și Klug, în timp ce studiau în detaliu micile domenii de legare la ADN ale factorului transcripțional Xenopus laevis TFIIIA, descris de alți autori cu câțiva ani mai devreme. .
Reprezentarea grafică a motivului degetului de zinc în proteine (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), prin Wikimedia Commons)
Proteinele cu motive ZF sunt printre cele mai abundente din genomul organismelor eucariote și participă la o diversitate de procese celulare esențiale, printre care se numără transcrierea genelor, traducerea proteinelor, metabolismul, plierea și asamblarea altor proteine și lipide. , moarte celulară programată, printre altele.
Structura
Structura motivelor ZF este extrem de conservată. De obicei, aceste regiuni repetate au 30 până la 60 de aminoacizi, a căror structură secundară se găsește sub formă de două foi antiparalele beta care formează un ac de păr și o helix alfa, care este denumită ββα.
Această structură secundară este stabilizată prin interacțiuni hidrofobe și prin coordonarea unui atom de zinc dat de două reziduuri de cisteină și două de histidină (Cys 2 His 2 ). Cu toate acestea, există ZF-uri care pot coordona mai mult de un atom de zinc și altele în care ordinea Cys și a reziduurilor Sale variază.
ZF-urile pot fi repetate într-un lot, configurat liniar în aceeași proteină. Toate au structuri similare, dar pot fi diferențiate chimic unele de altele prin variații de resturi de aminoacizi cheie pentru îndeplinirea funcțiilor lor.
O caracteristică comună în rândul ZFs este capacitatea lor de a recunoaște molecule de ADN sau ARN de lungimi diferite, motiv pentru care au fost inițial considerate doar ca factori transcripționali.
În general, recunoașterea este a regiunilor de 3bp în ADN și se realizează atunci când proteina de domeniu ZF prezintă helixul alfa în canalul principal al moleculei de ADN.
Clasificare
Există motive ZF diferite care diferă unele de altele prin natura lor și prin configurațiile spațiale diferite realizate prin legăturile de coordonare cu atomul de zinc. Una dintre clasificări este următoarea:
C
Acesta este un motiv întâlnit frecvent în ZF-uri. Majoritatea motivelor C 2 H 2 sunt specifice interacțiunii cu ADN și ARN, cu toate acestea, s-a observat că participă la interacțiuni proteină-proteină. Au între 25 și 30 de reziduuri de aminoacizi și se găsesc în cea mai mare familie de proteine reglatoare din celulele mamiferelor.
Structura primară a unui domeniu de deget de zinc C2H2, inclusiv legăturile care coordonează ionul de zinc și cu un fundal „mâna și degetul” (AngelHerraez, prin Wikimedia Commons)
C
Ei interacționează cu ARN și cu alte proteine. Ele sunt văzute mai ales ca făcând parte din unele proteine ale capsidei retrovirus, care ajută la ambalarea ARN-ului viral imediat după replicare.
C
Proteinele cu acest motiv sunt enzime responsabile de replicarea și transcripția ADN-ului. Un bun exemplu în acest sens poate fi enzimele grosiere T4 și T7.
C
Această familie de ZF cuprinde factori de transcripție care reglează expresia genelor importante în numeroase țesuturi în timpul dezvoltării celulare. Factorii GATA-2 și 3, de exemplu, sunt implicați în hematopoieză.
C
Aceste domenii sunt tipice drojdiei, în special proteinei GAL4, care activează transcrierea genelor implicate în utilizarea galactozei și melibiozei.
Degete de zinc (C
Aceste structuri particulare posedă 2 subtipuri de domenii ZF (C 3 HC 4 și C 3 H 2 C 3 ) și sunt prezente în numeroase proteine animale și vegetale.
Se găsesc în proteine precum RAD5, implicate în repararea ADN-ului în organismele eucariote. De asemenea, se găsesc în RAG1, esențiale pentru reconfigurarea imunoglobulinelor.
H
Acest domeniu al ZF este foarte bine conservat în integrazele retrovirusurilor și retrotranspozonilor; prin legarea la proteina țintă provoacă o schimbare conformațională în ea.
Caracteristici
Proteinele cu domenii ZF servesc o varietate de scopuri: pot fi găsite pe proteine ribozomale sau pe adaptoare transcripționale. De asemenea, au fost detectate ca parte integrantă a structurii ARN polimerazei II drojdii.
Se pare că sunt implicați în homeostază intracelulară de zinc și în reglarea apoptozei sau a morții celulare programate. În plus, există unele proteine ZF care funcționează ca chaperone pentru plierea sau transportul altor proteine.
Legarea la lipide și un rol critic în interacțiunile proteină-proteină sunt, de asemenea, funcții proeminente ale domeniilor ZF în unele proteine.
Importanță biotehnologică
De-a lungul anilor, înțelegerea structurală și funcțională a domeniilor ZF a permis mari progrese științifice care implică utilizarea caracteristicilor lor în scopuri biotehnologice.
Deoarece unele proteine ZF au specificitate ridicată pentru anumite domenii ADN, în prezent se investește mult efort în proiectarea ZFs specifice, care pot oferi progrese valoroase în terapia genică la om.
Aplicații biotehnologice interesante apar și din proiectarea proteinelor cu ZF-uri concepute genetic. În funcție de scopul dorit, unele dintre acestea pot fi modificate prin adăugarea de peptide de tip „pol zinc”, care sunt capabile să recunoască practic orice secvență de ADN cu afinitate și specificitate ridicată.
Editarea genomică modificată de nuclează este una dintre cele mai promițătoare aplicații de astăzi. Acest tip de editare oferă posibilitatea de a efectua studii asupra funcției genetice direct în sistemul model de interes.
Ingineria genetică folosind nucleaze ZF modificate a atras atenția oamenilor de știință în domeniul îmbunătățirii genetice a cultivarilor de plante de importanță agronomică. Aceste nucleaze au fost utilizate pentru a corecta o genă endogenă care produce forme rezistente la erbicide în plantele de tutun.
Nucleazele cu ZF au fost, de asemenea, utilizate pentru adăugarea de gene în celulele de mamifere. Proteinele în cauză au fost utilizate pentru a genera un set de celule izogenice de șoarece cu un set de alele definite pentru o genă endogenă.
Un astfel de proces are o aplicație directă în etichetarea și crearea de noi forme alelice pentru a studia relațiile de structură și funcții în condiții native de exprimare și în medii izogene.
Referințe
- Berg, JM (1990). Domeniile degetelor de zinc: ipoteze și cunoștințe actuale. Revizuirea anuală a biofizicii și chimiei biofizice, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Dezvoltarea domeniilor degetelor de zinc pentru recunoașterea familiei 5'-ANN-3 'de secvențe de ADN și utilizarea lor în construcția factorilor de transcripție artificială. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., & Mackay, JP (2007). Degetele lipicioase: degetele de zinc ca motive de recunoaștere a proteinelor. Tendințe în științele biochimice, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). Descoperirea degetelor de zinc și aplicațiile lor în reglarea genelor și manipularea genomului. Revizuirea anuală a biochimiei, 79 (1), 213–231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Proprietățile de legare metalică ale degetelor de zinc cu un situs de legare a metalului modificat în mod natural. Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laici, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Proteine de deget de zinc: noi perspective asupra diversității structurale și funcționale. Opinia actuală în biologia structurală, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Domenii repetitive de legare a zincului în factorul de transcripție proteic IIIA de la ovocitele Xenopus. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609-1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, & Gregory, PD (2010). Editarea genomului cu nucleaze de zinc inginerite. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.