Zinkfinger (ZnF) -Proteine sind eine massive, vielfältige Familie von Proteinen, die eine Vielzahl von biologischen Funktionen erfüllen. Aufgrund ihrer Vielfalt ist es schwierig, eine einfache Definition dessen zu finden, was alle ZnF-Proteine vereint; Der häufigste Ansatz besteht jedoch darin, sie als alle kleinen, funktionellen Domänen zu definieren, die eine Koordination durch mindestens ein Zinkion erfordern (Laity et al., 2001). Das Zinkion dient zur Stabilisierung der Integration des Proteins selbst und ist im Allgemeinen nicht an Bindungszielen beteiligt. Der „Finger“ bezieht sich auf die Sekundärstrukturen (α-Helix und β-Blatt), die durch das Zn-Ion zusammengehalten werden. Zinkfingerhaltige Domänen dienen typischerweise als Interaktoren, die DNA, RNA, Proteine oder kleine Moleküle binden (Laity et al., 2001).
ZnF-Proteinfamilien
Cys2His2 war die erste entdeckte Domäne (auch bekannt als Krüppel-Typ). Es wurde zunächst als Wiederholungsdomäne im IIIA-Transkriptionsfaktor in Xenopus laevis entdeckt (Brown et al., 1985; Müller et al., 1985). IIIA hat neun Wiederholungen der 30 Aminosäuren, aus denen die Cys2His2-Domäne besteht. Jede Domäne bildet eine linkshändige ββα-Sekundärstruktur und koordiniert ein Zn-Ion zwischen zwei Cysteinen auf der β-Blatt-Haarnadel und zwei Histidinen in der α-Helix, daher der Name Cys2His2 (Lee et al., 1989). Diese Substanzen sind hoch konserviert, ebenso wie ein allgemeiner hydrophober Kern, der die Bildung der Helix ermöglicht. Die anderen Reste können eine große Sequenzvielfalt aufweisen (Michael et al., 1992). Cys2His2 Zinkfinger, die DNA binden, neigen dazu, 2-4 Tandemdomänen als Teil eines größeren Proteins zu haben. Die Reste der Alpha-Helices bilden spezifische Kontakte mit einem spezifischen DNA-Sequenzmotiv, indem sie die Nukleotide in großen DNA-Rillen „lesen“ (Elrod-Erickson et al., 1996; Pavletich und Pabo, 1991). Cys2His2-Proteine sind die größte Gruppe von Transkriptionsfaktoren in den meisten Arten. Nicht-DNA-bindende Proteine können eine viel flexiblere Tertiärstruktur aufweisen. Beispiele für Cys2His2-Proteine umfassen die Inhibitor der Apoptose (IAP) -Proteinfamilie und den CTFC-Transkriptionsfaktor.
Violinschlüsselfinger sind eine sehr vielfältige Gruppe von ZnF-Protiens, sowohl in Bezug auf Struktur als auch Funktion. Was sie zu einer Familie macht, ist eine gemeinsame Falte in ihrem Kern, die ein wenig wie ein musikalischer Violinschlüssel aussieht, besonders wenn Sie schielen (Grishin, 2001). Die meisten Violinschlüsselfingermotive haben eine β-Haarnadel, eine variable Schleifenregion, eine β-Haarnadel und eine α-Helix. Der „Knöchel“ der β-Haarnadel und die α-Helix enthalten die Cys-x-x-Cys-Sequenz, die zur Koordination des Zn-Ions erforderlich ist. Violinschlüsselfinger bilden häufig den Kern von Proteinstrukturen, beispielsweise der L24E- und S14-Ribosomenproteine und der Ringfingerfamilie.
Zinkbänder sind etwas weniger strukturell komplex als die beiden anderen Hauptgruppen. Zinkbänder enthalten zwei Zinkknöchel, oft β-Haarnadeln, die ein Zinkion über zwei Cys-Reste koordinieren, die durch 2-4 andere Reste an einem Knöchel getrennt sind, und ein Cys-x-x-Cys auf der anderen Seite (Hahn und Roberts, 2000). Beispiele für Zinkband-haltige Proteine umfassen die basalen Transkriptionsfaktoren TFIIS und TFIIB, die für einen Komplex mit RNAPII DNA binden, und das Npl4-Kernkernprotein, das ein Zinkband verwendet, um Ubiquitin zu binden (Alam et al., 2004). Cys2His2, Violinschlüssel und Zinkbänder bilden die Mehrheit der Zinkfinger, aber es gibt einige andere kleinere Gruppen, die nicht genau in diese drei passen.
Praktische Anwendungen für Zinkfingerproteine
Sobald die Spezifität von ZnF-Proteinen verstanden wurde, wurde die Idee, synthetische ZnF-Proteine herzustellen, zum Schwerpunkt vieler Biotech-Unternehmen. Cys2His2-Motive erkennen jeweils ein spezifisches Nukleotidtriplett in Abhängigkeit von den Resten auf ihrer α-Helix. Es wurde angenommen, dass dies einen einfachen Code bildet, mit dem sehr spezifische DNA-Sequenzen erkannt werden können, indem spezifische ZnF-Motive im Tandem innerhalb eines Proteins konstruiert werden. Eine andere Domäne des Proteins könnte dann eine gewünschte biologische Funktion erfüllen, sobald der ZnF die Zielsequenz gebunden hat. Zum Beispiel Schneiden an einem bestimmten Punkt im Genom und Einfügen eines transgenen Elements. Aber leider war es nicht so einfach. ZnF-Erkennungsreste haben auch eine Kreuzerkennung zu benachbarten Elementen, daher muss jedes Motiv im Kontext seiner Umgebung ausgewählt werden. Diese Fragen wurden nun weitgehend angegangen (Urnov et al., 2010). Benutzerdefinierte ZnF-Proteine stehen Forschern jetzt zur Verfügung, um ihre eigenen Fragen zu beantworten. Ob diese Technologie attraktiv genug wird, um vertrauenswürdigere Methoden zu ersetzen, bleibt abzuwarten.
Zinkfinger-Protein Zusätzliche Lektüre
Krishna, SS, Majumdar, I. und Grishin, NV (2003). Strukturelle Klassifizierung von Zinkfingern: Übersicht und Zusammenfassung. Nukleinsäuren Res. 31, 532-550.
Dieses Papier hat die Grundlage für unsere derzeitige Klassifizierung und unser Verständnis der ZnF-Struktur gelegt. Es war dafür verantwortlich, Proteine zusammenzubringen, die bisher nicht als Zinkfinger verstanden wurden.
Wolfe, S.A., Nekludova, L. und Pabo, C.O. (2000). DNA-Erkennung durch Cys2His2 Zinkfingerproteine. Jahr. In: Rev. Biophys. In: Biomol. Struct. 29, 183-212.
Dies ist eine ältere Übersicht, aber sie gibt einen guten Überblick über die Entdeckung und Klassifizierung von ZnF-Proteinen, insbesondere Cys2His2.
Urnov, F.D., Rebar, E.J., Holmes, M.C., Zhang, H.S. und Gregory, P.D. (2010). Genome Editing mit gentechnisch veränderten Zinkfinger-Nukleasen. Nat. In: Rev. Genet. 11, 636-646.
Diese Rezension gibt viele großartige Informationen darüber, wie synthetische ZnF-Proteine erzeugt werden können, und geht auf ihre potenziellen Anwendungen ein.
- Alam, S.L., Sun, J., Payne, M., Welch, B.D., Blake, B.K., Davis, D.R., Meyer, H.H., Emr, S.D. und Sundquist, W.I. (2004). Ubiquitin-Wechselwirkungen von NZF-Zinkfingern. EMBO J. 23, 1411-1421.
- Brown, RS, Sander, C. und Argos, P. (1985). Die Primärstruktur des Transkriptionsfaktors TFIIIA hat 12 aufeinanderfolgende Wiederholungen. FEBS Lett. 186, 271-274.
- Elrod-Erickson, M., Rould, MA, Nekludova, L. und Pabo, CO (1996). Zif268 Protein-DNA-Komplex verfeinert bei 1.6 A: ein Modellsystem zum Verständnis von Zinkfinger-DNA-Wechselwirkungen. Struktur 4, 1171-1180.
- Grischin, N.V. (2001). Violinschlüsselfinger – ein funktionell vielfältiges zinkbindendes Strukturmotiv. Nucleic Acids Res. 29, 1703-1714.
- Hahn, S. und Roberts, S. (2000). Die Zinkbanddomänen der allgemeinen Transkriptionsfaktoren TFIIB und Brf: konservierte funktionelle Oberflächen, aber unterschiedliche Rollen bei der Transkriptionsinitiation. Gene Dev. 14, 719-730.
- Laien, JH, Lee, BM und Wright, PE (2001). Zinkfinger-Proteine: neue Einblicke in die strukturelle und funktionale Vielfalt. Curr. Opin. Struct. Biol. 11, 39-46.
- Lee, MS, Gippert, GP, Soman, KV, Case, DA und Wright, PE (1989). Dreidimensionale Lösungsstruktur einer einzelnen Zinkfinger-DNA-Bindedomäne. Wissenschaft 245, 635-637.
- Michael, S.F., Kilfoil, V.J., Schmidt, M.H., Amann, B.T. und Berg, J.M. (1992). Metallbindungs- und Faltungseigenschaften eines minimalistischen Cys2His2-Zinkfingerpeptids. Prok. Natl. Acad. Sci. USA 89, 4796-4800.
- Miller, J., McLachlan, A.D. und Klug, A. (1985). Repetitive Zink-bindende Domänen im Protein Transkriptionsfaktor IIIA aus Xenopus-Oozyten. EMBO J. 4, 1609-1614.
- Pavletich, N.P. und Pabo, C.O. (1991). Zinkfinger-DNA-Erkennung: Kristallstruktur eines Zif268-DNA-Komplexes bei 2.1 A. Science 252, 809-817.
- Urnov, F.D., Rebar, E.J., Holmes, M.C., Zhang, H.S. und Gregory, P.D. (2010). Genome Editing mit gentechnisch veränderten Zinkfinger-Nukleasen. Nat. In: Rev. Genet. 11, 636-646.