De zinkvinger (ZF) zijn structurele motieven die in veel eukaryote eiwitten voorkomen. Ze behoren tot de groep van metalloproteïnen, omdat ze het zinkmetaalion kunnen binden dat ze nodig hebben voor hun werking. Er wordt voorspeld dat meer dan 1.500 ZF-domeinen voorkomen in ongeveer 1.000 verschillende eiwitten bij mensen.
De term zinkvinger of “zinkvinger” werd voor het eerst bedacht in 1985 door Miller, McLachlan en Klug, terwijl ze de kleine DNA-bindende domeinen van de Xenopus laevis transcriptiefactor TFIIIA, die enkele jaren eerder door andere auteurs werden beschreven, in detail bestudeerden. .
Grafische weergave van het zinkvingermotief in eiwitten (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), via Wikimedia Commons)
Eiwitten met ZF-motieven behoren tot de meest voorkomende in het genoom van eukaryote organismen en nemen deel aan een diversiteit aan essentiële cellulaire processen, waaronder gentranscriptie, eiwittranslatie, metabolisme, de vouwing en assemblage van andere eiwitten en lipiden. , geprogrammeerde celdood, onder anderen.
Structuur
De structuur van de ZF-motieven is extreem geconserveerd. Gewoonlijk hebben deze herhaalde gebieden 30 tot 60 aminozuren, waarvan de secundaire structuur wordt gevonden als twee antiparallelle bètavellen die een haarspeld vormen en een alfa-helix, die wordt aangeduid als ββα.
Genoemde secundaire structuur wordt gestabiliseerd door hydrofobe interacties en door de coördinatie van een zinkatoom bepaald door twee cysteïne en twee histidine residuen (Cys 2 His 2 ). Er zijn echter ZF's die meer dan één zinkatoom kunnen coördineren en andere waarbij de volgorde van de Cys en His-residuen varieert.
De ZF's kunnen in een batch worden herhaald, lineair geconfigureerd in hetzelfde eiwit. Ze hebben allemaal vergelijkbare structuren, maar kunnen chemisch van elkaar worden onderscheiden door variaties van aminozuurresiduen die essentieel zijn voor de vervulling van hun functies.
Een gemeenschappelijk kenmerk van ZF's is hun vermogen om DNA- of RNA-moleculen van verschillende lengtes te herkennen, en daarom werden ze aanvankelijk alleen als transcriptiefactoren beschouwd.
In het algemeen is de herkenning van 3bp-gebieden in DNA en wordt bereikt wanneer het ZF-domeineiwit de alfa-helix presenteert aan de hoofdgroef van het DNA-molecuul.
Classificatie
Er zijn verschillende ZF-motieven die van elkaar verschillen door hun aard en de verschillende ruimtelijke configuraties die worden bereikt door de coördinatiebindingen met het zinkatoom. Een van de classificaties is als volgt:
C
Dit is een veel voorkomend motief in ZF's. De meeste C 2 H 2 motieven zijn specifiek voor interactie met DNA en RNA, echter hebben zij waargenomen deelnemen aan eiwit-eiwitinteracties. Ze hebben tussen de 25 en 30 aminozuurresiduen en worden aangetroffen in de grootste familie van regulerende eiwitten in zoogdiercellen.
Primaire structuur van een zinkvingerdomein C2H2, inclusief de bindingen die het zinkion coördineren en met een "hand en vinger" achtergrond (AngelHerraez, via Wikimedia Commons)
C
Ze werken samen met RNA en enkele andere eiwitten. Ze worden voornamelijk gezien als onderdeel van sommige retrovirus-capside-eiwitten, die helpen bij het verpakken van viraal RNA net na replicatie.
C
Eiwitten met dit motief zijn enzymen die verantwoordelijk zijn voor DNA-replicatie en transcriptie. Een goed voorbeeld hiervan kunnen de T4- en T7-faag-grove enzymen zijn.
C
Deze familie van ZF omvat transcriptiefactoren die de expressie van belangrijke genen in talrijke weefsels tijdens celontwikkeling reguleren. GATA-2- en 3-factoren zijn bijvoorbeeld betrokken bij hematopoëse.
C
Deze domeinen zijn typerend voor gist, met name het GAL4-eiwit, dat de transcriptie activeert van genen die betrokken zijn bij het gebruik van galactose en melibiose.
Zinkvingers (C.
Deze specifieke structuren bezitten 2 subtypes van ZF-domeinen (C 3 HC 4 en C 3 H 2 C 3 ) en zijn aanwezig in talrijke dierlijke en plantaardige eiwitten.
Ze worden aangetroffen in eiwitten zoals RAD5, die betrokken zijn bij DNA-herstel in eukaryote organismen. Ze worden ook aangetroffen in RAG1, essentieel voor de herconfiguratie van immunoglobulinen.
H.
Dit domein van ZF is in hoge mate geconserveerd in de integrases van retrovirussen en retrotransposons; door binding aan het doeleiwit veroorzaakt het een conformationele verandering daarin.
Kenmerken
Eiwitten met ZF-domeinen dienen verschillende doelen: ze zijn te vinden op ribosomale eiwitten of op transcriptionele adapters. Ze zijn ook gedetecteerd als een integraal onderdeel van de structuur van gist-RNA-polymerase II.
Ze lijken betrokken te zijn bij intracellulaire zinkhomeostase en bij de regulatie van apoptose of geprogrammeerde celdood. Daarnaast zijn er enkele ZF-eiwitten die fungeren als begeleiders voor het vouwen of transporteren van andere eiwitten.
Binding aan lipiden en een cruciale rol bij eiwit-eiwitinteracties zijn ook prominente functies van de ZF-domeinen in sommige eiwitten.
Biotechnologisch belang
Door de jaren heen heeft het structurele en functionele begrip van de ZF-domeinen grote wetenschappelijke vorderingen mogelijk gemaakt waarbij hun kenmerken voor biotechnologische doeleinden zijn gebruikt.
Aangezien sommige ZF-eiwitten een hoge specificiteit hebben voor bepaalde DNA-domeinen, wordt er momenteel veel geïnvesteerd in het ontwerp van specifieke ZF's, die waardevolle vooruitgang kunnen opleveren in gentherapie bij mensen.
Interessante biotechnologische toepassingen komen ook voort uit het ontwerp van eiwitten met genetisch gemanipuleerde ZF's. Afhankelijk van het gewenste doel kunnen sommige hiervan worden gemodificeerd door de toevoeging van "polyzink" -vingerpeptiden, die in staat zijn vrijwel elke DNA-sequentie met hoge affiniteit en specificiteit te herkennen.
Nuclease-gemodificeerde genomische bewerking is tegenwoordig een van de meest veelbelovende toepassingen. Dit type bewerking biedt de mogelijkheid om studies naar de genetische functie rechtstreeks in het betreffende modelsysteem uit te voeren.
Genetische manipulatie met behulp van gemodificeerde ZF-nucleasen heeft de aandacht getrokken van wetenschappers op het gebied van genetische verbetering van cultivars van planten van agronomisch belang. Deze nucleasen zijn gebruikt om een endogeen gen te corrigeren dat herbicideresistente vormen in tabaksplanten produceert.
Nucleasen met ZF zijn ook gebruikt voor de toevoeging van genen in zoogdiercellen. De eiwitten in kwestie werden gebruikt om een set isogene muiscellen te genereren met een set gedefinieerde allelen voor een endogeen gen.
Een dergelijk proces heeft een directe toepassing bij het labelen en creëren van nieuwe allelvormen om de relaties van structuur en functie te bestuderen in natieve expressieomstandigheden en in isogene omgevingen.
Referenties
- Berg, JM (1990). Zinkvingerdomeinen: hypothesen en huidige kennis. Jaaroverzicht van biofysica en biofysische chemie, 19 (39), 405-421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., en Barbas, C. (2001). Ontwikkeling van zinkvingerdomeinen voor herkenning van de 5'-ANN-3 'familie van DNA-sequenties en hun gebruik bij de constructie van kunstmatige transcriptiefactoren. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., & Mackay, JP (2007). Kleverige vingers: zinkvingers als eiwitherkenningsmotieven. Trends in Biochemical Sciences, 32 (2), 63-70.
- Klug, A. (2010). De ontdekking van zinkvingers en hun toepassingen in genregulatie en genoommanipulatie. Annual Review of Biochemistry, 79 (1), 213-231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Metaalbindingseigenschappen van zinken vingers met een natuurlijk veranderde metaalbindingsplaats. Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Zinkvingereiwitten: nieuwe inzichten in structurele en functionele diversiteit. Current Opinion in Structural Biology, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Herhaalde zinkbindende domeinen in de eiwittranscriptiefactor IIIA van Xenopus-oöcyten. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609-1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS en Gregory, PD (2010). Genoombewerking met gemanipuleerde zinkvingernucleasen. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636-646.