Структура, класифікація, функції та значення цинкових пальців



The цинкові пальці (ZF) є структурними мотивами, присутніми у великій кількості еукаріотичних білків. Вони належать до групи металопротеїнів, оскільки вони здатні зв'язувати іон металевого цинку, який вони потребують для їх експлуатації. Передбачається, що більш ніж 1500 доменів ZF існують в приблизно 1000 різних білках у людини.

Термін "цинковий палець" був введений вперше в 1985 році Міллером, Маклахланом і Клагом, при цьому детально вивчаючи невеликі ДНК-зв'язуючі домени транскрипційного фактора TFIIIA. Xenopus laevis, описані іншими авторами кілька років тому.

Білки з мотивами ZF є одними з найбільш поширених в геномі еукаріотичних організмів і беруть участь у різних істотних клітинних процесах, включаючи генетичну транскрипцію, переклад білків, метаболізм, складання і збирання інших білків і ліпідів , запрограмована загибель клітин, серед інших.

Індекс

  • 1 Структура
  • 2 Класифікація
    • 2.1 C2H2
    • 2,2 C2H
    • 2.3 C4 (петля або стрічка)
    • 2.4 C4 (сімейство GATA)
    • 2.5 С6
    • 2.6 Пальці цинку (C3HC4-C3H2C3)
    • 2.7 H2C2
  • 3 Функції
  • 4 Біотехнологічне значення
  • 5 Посилання

Структура

Структура мотивів ZF вкрай збережена. Зазвичай ці повторювані області мають від 30 до 60 амінокислот, вторинна структура яких знаходиться у вигляді двох антипараллельних бета-листів, які утворюють вилку і альфа-спіраль, яка позначається як ββα.

Ця вторинна структура стабілізується гідрофобними взаємодіями і координацією атома цинку, що задається двома залишками цистеїну і двома залишками гістидину (Cys).2Його2). Однак існують ZF, які можуть координувати більше одного атома цинку та інших, де порядок залишків Cys і His змінюється.

ZF може бути повторений в тандемі, налаштований лінійно в одному і тому ж білку. Всі вони мають подібні структури, але їх можна хімічно диференціювати один від одного за допомогою варіацій ключових амінокислотних залишків для виконання їх функцій.

Спільною особливістю серед ZF є їхня здатність розпізнавати молекули ДНК або РНК різної довжини, тому їх спочатку розглядали лише як фактори транскрипції..

Загалом, розпізнавання здійснюється з областей 3 bp в ДНК і це досягається тоді, коли білок з доменом ZF представляє альфа-спіраль більшої борозни молекули ДНК..

Класифікація

Існують різні мотиви ZF, які відрізняються один від одного за своєю природою і різними просторовими конфігураціями, що досягаються координаційними зв'язками з атомом цинку. Однією з таких класифікацій є:

C2H2

Це мотив, який часто зустрічається у ZF. Більшість причин C2H2 вони специфічні для взаємодії з ДНК і РНК, однак вони спостерігаються, беручи участь у білково-білкових взаємодіях. Вони мають від 25 до 30 амінокислотних залишків і знаходяться в межах найбільшого сімейства регуляторних білків у клітинах ссавців.

C2H

Вони взаємодіють з РНК і деякими іншими білками. Вони в основному спостерігаються як частина деяких білків капсида ретровірусу, співпрацюючи в упаковці вірусної РНК відразу після реплікації.

C4 (краватка чи стрічка)

Білки з зазначеним мотивом є ферментами, відповідальними за реплікацію і транскрипцію ДНК. Хорошим прикладом цього можуть бути первинні ферменти фагів Т4 і Т7.

C4 (Родина GATA)

Це сімейство ZF містить фактори транскрипції, які регулюють експресію важливих генів у численних тканинах під час розвитку клітин. Фактори GATA-2 і 3, наприклад, залучені до кровотворення.

C6

Ці домени є специфічними для дріжджів, зокрема білком GAL4, який активує транскрипцію генів, що беруть участь у використанні галактози і мелібіози.

Цинкові пальці (C3HC4-C3H2C3)

Ці особливі структури мають 2 підтипи доменів ZF (C3HC4 і С3H2C3) і присутні в численних тваринних і рослинних білках.

Вони зустрічаються в білках, таких як RAD5, що беруть участь у репарації ДНК в еукаріотичних організмах. Вони також зустрічаються в RAG1, необхідних для повторної конфігурації імуноглобулінів.

H2C2

Цей домен ZF є висококонсервативним в інтегралах ретровірусів і ретротранспозонів; шляхом зв'язування з білим білком викликає конформаційне зміна в ньому.

Функції

Білки з доменами ZF виконують декілька цілей: їх можна знайти в рибосомальних білках або в транскрипційних адаптерах. Вони також були виявлені як невід'ємна частина структури дріжджової РНК-полімерази II.

Вони, здається, беруть участь у внутрішньоклітинному гомеостазі цинку і в регуляції апоптозу або запрограмованої загибелі клітин. Крім того, є деякі білки з ZF, які функціонують як шаперони для згортання або транспортування інших білків.

Зв'язування ліпідів і ключова роль в білково-білкових взаємодіях є також важливими функціями доменів ZF в деяких білках.

Біотехнологічне значення

Протягом багатьох років структурно-функціональне розуміння доменів ZF дозволило досягти значних наукових досягнень, які передбачають використання їхніх характеристик для біотехнологічних цілей..

Оскільки деякі білки з ZF мають високу специфічність для певних доменів ДНК, зараз великі зусилля інвестуються в розробку специфічного ZF, що може забезпечити цінні досягнення в генній терапії у людей.

Цікаві біотехнологічні застосування також виникають в результаті розробки білків з ZF, модифікованих генною інженерією. Залежно від бажаного кінця, деякі з них можуть бути модифіковані додаванням "цинк-цинкових" пальцевих пептидів, які здатні розпізнавати практично будь-яку послідовність ДНК з великою спорідненістю і специфічністю.

Геномне видання з модифікованими нуклеазами є одним з найбільш перспективних в даний час. Цей тип видання надає можливість проведення досліджень генетичної функції безпосередньо в моделі, що представляє інтерес.

Генна інженерія з використанням модифікованих ZF нуклеаз привернула увагу вчених у галузі генетичного вдосконалення сортів рослин агрономічного значення. Ці нуклеази використовувалися для корекції ендогенного гена, який продукує стійкі до гербіцидів форми на рослинах тютюну.

Нуклеази з ZF також використовували для додавання генів у клітинах ссавців. Ці білки використовувалися для створення набору ізогенних клітин миші з серією алелей, визначеними для ендогенного гена.

Цей процес має безпосереднє застосування в маркуванні і створенні нових алельних форм для вивчення взаємозв'язків структури і функції в нативних умовах експресії і в ізогенних середовищах..

Список літератури

  1. Berg, J. М. (1990). Цинкові пальцеві домени: гіпотези та сучасні знання. Щорічний огляд біофізики та біофізичної хімії, 19(39), 405-421.
  2. Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Розробка доменів цинкових пальців для розпізнавання 5'-ANN-3 'сімейства послідовностей ДНК та їх використання при побудові штучних транскрипційних факторів \ t. JBC, (54).
  3. Gamsjaeger, R., Liew, C.K., Loughlin, F.E., Crossley, M., & Mackay, J.P. (2007). Липкі пальці: цинкові пальці як мотиви розпізнавання білків. Тенденції біохімічних наук, 32(2), 63-70.
  4. Klug, A. (2010). Відкриття паличок цинку та їх застосування в генному регулюванні та маніпуляції геном. Щорічний огляд біохімії, 79(1), 213-231.
  5. Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Металеві зв'язуючі властивості цинкових пальців з природно зміненим сайтом зв'язування металу. Металоміка, 10(2), 248-263.
  6. Laity, J.H., Lee, B.M., & Wright, P.E. (2001). Білки цинку пальця: нові уявлення про структурно-функціональну різноманітність. Актуальне думка в структурній біології, 11(1), 39-46.
  7. Miller, J., McLachlan, A.D., & Klug, A. (1985). Повторювані зв'язуючі цинк домени в фактори транскрипції білка IIIA з ооцитів Xenopus. Журнал мікроелементів в експериментальній медицині, 4(6), 1609-1614.
  8. Urnov, F. D., Rebar, E.J., Holmes, M.C., Zhang, H.S. & Gregory, P.D. (2010). Редагування генома з розробленими цинковими пальцевими нуклеазами. Відгуки про природу Генетика, 11(9), 636-646.