Zinkový prst (ZF) jsou strukturální motivy přítomné v mnoha eukaryotických proteinů. Patří do skupiny metaloproteinů, protože jsou schopné vázat ionty zinečnatého kovu, které pro svou činnost vyžadují. Předpokládá se, že u asi 1 000 různých proteinů u lidí bude existovat více než 1 500 domén ZF.
Termín zinkový prst nebo „zinkový prst“ byl poprvé vytvořen v roce 1985 Millerem, McLachlanem a Klugem, zatímco podrobně studoval malé DNA vazebné domény transkripčního faktoru Xenopus laevis TFIIIA, které ostatní autoři popsali před několika lety..
Grafické znázornění motivu zinkových prstů v proteinech (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), přes Wikimedia Commons)
Proteiny se ZF motivy patří k nejhojnějším v genomu eukaryotických organismů a podílejí se na rozmanitosti základních buněčných procesů, mezi něž patří transkripce genů, translace proteinů, metabolismus, skládání a sestavování jiných proteinů a lipidů., mezi jinými programovaná smrt buněk.
Struktura
Struktura motivů ZF je velmi zachována. Obvykle tyto opakované oblasti mají 30 až 60 aminokyselin, jejichž sekundární struktura je nalezena jako dva antiparalelní beta listy, které tvoří vlásenku a alfa helix, označované jako ppα.
Uvedená sekundární struktura je stabilizována hydrofobními interakcemi a koordinací atomu zinku daným dvěma cysteinovými a dvěma histidinovými zbytky (Cys 2 His 2). Existují však ZF, které mohou koordinovat více než jeden atom zinku, a další, kde se mění pořadí Cys a His zbytků.
ZF lze opakovat v dávce, lineárně konfigurované ve stejném proteinu. Všechny mají podobné struktury, ale lze je od sebe chemicky odlišit pomocí variací aminokyselinových zbytků, které jsou klíčem k plnění jejich funkcí.
Společným znakem mezi ZF je jejich schopnost rozpoznávat molekuly DNA nebo RNA různých délek, a proto byly původně považovány pouze za transkripční faktory.
Obecně je rozpoznávání 3 bp oblastí v DNA a je dosaženo, když protein domény ZF představuje helix alfa do hlavní drážky molekuly DNA.
Klasifikace
Existují různé motivy ZF, které se od sebe liší svou povahou a různými prostorovými konfiguracemi dosaženými koordinačními vazbami s atomem zinku. Jedna z klasifikací je následující:
C
Toto je běžně nalezený motiv v ZF. Většina C 2 H 2 motivy jsou specifické interakce s DNA a RNA, avšak byly pozorovány k účasti na interakcích protein-protein. Mají mezi 25 a 30 aminokyselinovými zbytky a nacházejí se v největší rodině regulačních proteinů v savčích buňkách.
Primární struktura C2H2 zinkové prstové domény, včetně vazeb, které koordinují zinkový ion a na pozadí „ruka a prst“ (AngelHerraez, přes Wikimedia Commons)
C
Interagují s RNA a dalšími proteiny. Jsou považovány hlavně za součást některých retrovirových kapsidových proteinů, které pomáhají při balení virové RNA těsně po replikaci.
C
Proteiny s tímto motivem jsou enzymy odpovědné za replikaci a transkripci DNA. Dobrým příkladem může být enzym hrubých fágů T4 a T7.
C
Tato rodina ZF zahrnuje transkripční faktory, které regulují expresi důležitých genů v četných tkáních během vývoje buněk. Faktory GATA-2 a 3 se například podílejí na hematopoéze.
C
Tyto domény jsou typické pro kvasinky, konkrétně GAL4 protein, který aktivuje transkripci genů zapojených do použití galaktosy a melibiózy.
Zinkové prsty (C
Tyto konkrétní struktury mají 2 podtypy ZF domén (C 3 HC 4 a C 3 H 2 C 3) a jsou přítomny v mnoha živočišných a rostlinných bílkovin.
Nacházejí se v proteinech, jako je RAD5, podílejících se na opravě DNA v eukaryotických organismech. Nacházejí se také v RAG1, nezbytném pro rekonfiguraci imunoglobulinů.
H
Tato doména ZF je vysoce konzervovaná v integrázách retrovirů a retrotranspozonů; spojením cílového proteinu v něm způsobuje konformační změnu.
Funkce
Proteiny s doménami ZF slouží různým účelům: lze je nalézt na ribozomálních proteinech nebo na transkripčních adaptérech. Byly také detekovány jako nedílná součást struktury kvasinkové RNA polymerázy II.
Zdá se, že se podílejí na intracelulární homeostáze zinku a na regulaci apoptózy nebo programované buněčné smrti. Kromě toho existují některé proteiny ZF, které fungují jako chaperony pro skládání nebo transport jiných proteinů.
Vazba na lipidy a kritická role v interakcích protein-protein jsou také významnými funkcemi domén ZF v některých proteinech.
Biotechnologický význam
Strukturální a funkční porozumění oblastí ZF v průběhu let umožnilo velké vědecké pokroky, které zahrnují využití jejich charakteristik pro biotechnologické účely.
Protože některé ZF proteiny mají vysokou specificitu pro určité domény DNA, je v současné době investováno velké úsilí do návrhu specifických ZF, které mohou poskytnout cenné pokroky v genové terapii u lidí.
Zajímavé biotechnologické aplikace také vycházejí z návrhu proteinů s geneticky upravenými ZF. V závislosti na požadovaném účelu mohou být některé z nich modifikovány přidáním "polyzineckých" prstových peptidů, které jsou schopné rozpoznávat prakticky jakoukoli sekvenci DNA s vysokou afinitou a specificitou.
Nukleázově modifikovaná genomická editace je jednou z nejslibnějších aplikací v současnosti. Tento typ editace nabízí možnost provádět studie genetické funkce přímo v modelovém systému zájmu.
Genetické inženýrství využívající modifikované nukleázy ZF upoutalo pozornost vědců v oblasti genetického zlepšování kultivarů rostlin agronomického významu. Tyto nukleázy byly použity pro korekci endogenního genu, který produkuje formy rezistentní na herbicidy v tabákových rostlinách.
Nukleázy s ZF byly také použity pro přidání genů v savčích buňkách. Tyto proteiny byly použity k vytvoření sady isogenních myších buněk se sadou definovaných alel pro endogenní gen.
Takový proces má přímou aplikaci při značkování a vytváření nových alelických forem ke studiu vztahů struktury a funkce v nativních podmínkách exprese a v izogenních prostředích.
Reference
- Berg, JM (1990). Zinkové prstové domény: hypotézy a současné znalosti. Roční přehled biofyziky a biofyzikální chemie, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Vývoj zinkových prstových domén pro rozpoznávání 5'-ANN-3 'rodiny DNA sekvencí a jejich použití při konstrukci umělých transkripčních faktorů. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M. a Mackay, JP (2007). Lepivé prsty: zinkové prsty jako motivy pro rozpoznávání proteinů. Trends in Biochemical Sciences, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). Objev prsty zinku a jejich aplikace v regulaci genů a manipulaci s genomy. Roční přehled biochemie, 79 (1), 213–231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Vazebné vlastnosti zinkových prstů s přirozeně pozměněným kovovým vazebným místem. Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM, a Wright, PE (2001). Proteiny zinkových prstů: Nové pohledy na strukturální a funkční rozmanitost. Aktuální názor na strukturální biologii, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, a Klug, A. (1985). Opakující se domény vázající zinek v proteinovém transkripčním faktoru IIIA z oocytů Xenopus. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS a Gregory, PD (2010). Úpravy genomu pomocí nukleázových zinkových prstů. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.