Las proteínas de dedo de zinc (ZnF) son una familia masiva y diversa de proteínas que cumplen una amplia variedad de funciones biológicas. Debido a su diversidad, es difícil llegar a una definición simple de lo que une a todas las proteínas ZnF; sin embargo, el enfoque más común es definirlas como todos los dominios pequeños y funcionales que requieren coordinación por al menos un ion de zinc (Laicado et al., 2001). El ion zinc sirve para estabilizar la integración de la proteína en sí, y generalmente no participa en objetivos de unión. El «dedo» se refiere a las estructuras secundarias (hélice α y lámina β) que se mantienen unidas por el ion Zn. Los dominios que contienen dedos de zinc suelen servir como interactores, uniendo ADN, ARN, proteínas o pequeñas moléculas(Laicado et al., 2001).
Familias de proteínas ZnF
Cys2His2 fue el primer dominio descubierto (también conocido como tipo Krüppel). Fue descubierto inicialmente como un dominio repetido en el factor de transcripción IIIA en Xenopus laevis (Brown et al., 1985; Miller et al., 1985). IIIA tiene nueve repeticiones de los 30 aminoácidos que componen el dominio Cys2His2. Cada dominio forma una estructura secundaria ββα zurda, y coordina un ion Zn entre dos cisteínas en la horquilla de la hoja β y dos histidinas en la hélice α, de ahí el nombre Cys2His2 (Lee et al., 1989). Estos resides están altamente conservados, así como un núcleo hidrofóbico general que permite la formación de la hélice. Los otros residuos pueden mostrar una gran diversidad de secuencias (Michael et al., 1992). Los dedos de zinc Cys2His2 que se unen al ADN tienden a tener 2-4 dominios en tándem como parte de una proteína más grande. Los residuos de las hélices alfa forman contactos específicos con un motivo de secuencia de ADN específico al «leer» los nucleótidos en el surco principal del ADN (Elrod-Erickson et al., 1996; Pavletich y Pabo, 1991). Las proteínas Cys2His2 son el grupo más grande de factores de transcripción en la mayoría de las especies. Las proteínas que no se unen al ADN pueden tener una estructura terciaria mucho más flexible. Ejemplos de proteínas Cys2His2 incluyen la familia de proteínas Inhibidoras de la Apoptosis (IAP) y el factor de transcripción CTFC.
Los dedos de clave de sol son un grupo muy diverso de protiens ZnF tanto en términos de estructura como de función. Lo que los hace una familia es un pliegue compartido en su núcleo que se parece un poco a una clave de sol musical, especialmente si entrecerras los ojos (Grishin, 2001). La mayoría de los motivos de los dedos de la clave de sol tienen una horquilla β, una región de bucle variable, una horquilla β y una hélice α. El «nudillo» de la horquilla β y la hélice α contienen la secuencia Cys-x-x-Cys necesaria para coordinar el ion Zn. Los dedos de la clave de sol a menudo forman el núcleo de las estructuras proteicas, por ejemplo, las proteínas ribosómicas L24E y S14 y la familia de los dedos ANULARES.
Las cintas de zinc son un poco menos complejas estructuralmente que los otros dos grupos principales. Las cintas de zinc contienen dos nudillos de zinc, a menudo horquillas β, que coordinan un ion de zinc a través de dos residuos Cys separados por otros 2-4 residuos en un nudillo, y un Cys-x-x-Cys en el otro (Hahn y Roberts, 2000). Ejemplos de proteínas que contienen cinta de zinc incluyen los factores de transcripción basales TFIIS y TFIIB que para un complejo con RNAPII se unen al ADN, y la proteína del núcleo nuclear Npl4 que utiliza una cinta de zinc para unirse a la ubiquitina (Alam et al., 2004). Los dedos Cys2His2, la clave de sol y las cintas de zinc forman la mayoría de los dedos de zinc, pero hay varios otros grupos más pequeños que no encajan perfectamente en estos tres.
Usos prácticos de las proteínas de dedo de Zinc
Tan pronto como se entendió la especificidad de las proteínas ZnF, la idea de crear proteínas ZNF sintéticas se convirtió en el foco de muchas empresas de biotecnología. Los motivos Cys2His2 reconocen cada uno un triplete de nucleótidos específico dependiendo de los residuos en su hélice α. Esto se pensó para formar un código simple que podría usarse para reconocer secuencias de ADN muy específicas mediante la ingeniería de motivos específicos de ZnF en tándem dentro de una proteína. Otro dominio de la proteína podría servir a alguna función biológica deseada una vez que el ZnF se uniera a la secuencia objetivo. Por ejemplo, cortar en un punto específico del genoma e insertar un elemento transgénico. Pero, por desgracia, no era tan simple. Los residuos de reconocimiento de ZnF también tienen reconocimiento cruzado con elementos adyacentes, por lo que cada motivo debe elegirse en el contexto de los que lo rodean. Estas cuestiones ya se han abordado en gran medida (Urnov et al., 2010). Las proteínas ZnF personalizadas ahora están disponibles para que los investigadores aborden sus propias preguntas. El tiempo que esta tecnología se volverá lo suficientemente atractiva como para reemplazar métodos más confiables está por verse.
Lectura adicional de Proteína de dedo de Zinc
Krishna, S. S., Majumdar, I., and Grishin, N. V. (2003). Clasificación estructural de dedos de zinc: estudio y resumen. Nucleic Acids Res. 31, 532-550.
Este documento ha sentado las bases para nuestra clasificación y comprensión actuales de la estructura de ZnF. Fue responsable de reunir proteínas que antes no se entendían como dedos de zinc.
Wolfe, S.A., Nekludova, L., and Pabo, C. O. (2000). Reconocimiento de ADN por proteínas de dedo de zinc Cys2His2. Annu. Apo. Biophys. Biomol. Estructura. 29, 183-212.
Esta es una revisión anterior, pero ofrece una buena visión general del descubrimiento y la clasificación de las proteínas ZnF, especialmente Cys2His2.
Urnov, F. D., Rebar, E. J., Holmes, M. C., Zhang, H. S., and Gregory, P. D. (2010). Edición del genoma con nucleasas de dedos de zinc diseñadas. NAT. Reverendo Genet. 11, 636-646.
Esta revisión ofrece mucha información sobre cómo se pueden generar proteínas sintéticas ZnF y repasa sus usos potenciales.
- Alam, S.L., Sun, J., Payne, M., Welch, B. D., Blake, B. K., Davis, D. R., Meyer, H. H., Emr, S. D., and Sundquist, W. I. (2004). Interacciones de ubiquitina de dedos de zinc NZF. EMBO J. 23, 1411-1421.
- Brown, R. S., Sander, C., and Argos, P. (1985). La estructura primaria del factor de transcripción TFIIIA tiene 12 repeticiones consecutivas. FEBS Lett. 186, 271-274.
- Elrod-Erickson, M., Rould, M. A., Nekludova, L., and Pabo, C. O. (1996). Complejo de proteína-ADN Zif268 refinado en 1.6 A: un sistema modelo para comprender las interacciones dedo-ADN de zinc. Estructura 4, 1171-1180.
- Grishin, N. V. (2001). Dedo de clave de sol: un motivo estructural de unión de zinc funcionalmente diverso. Nucleic Acids Res. 29, 1703-1714.
- Hahn, S., and Roberts, S. (2000). Los dominios de cinta de zinc de los factores de transcripción generales TFIIB y Brf: superficies funcionales conservadas pero diferentes roles en la iniciación de la transcripción. Genes Dev. 14, 719-730.
- Laicado, J. H., Lee, B. M., and Wright, P. E. (2001). Proteínas de dedo de zinc: nuevos conocimientos sobre la diversidad estructural y funcional. Curr. Opin. Estructura. Biol. 11, 39-46.
- Lee, M. S., Gippert, G. P., Soman, K. V., Case, D. A., y Wright, P. E. (1989). Estructura de solución tridimensional de un único dominio de unión al ADN con dedos de zinc. Science 245, 635-637.
- Michael, S. F., Kilfoil, V. J., Schmidt, M. H., Amann, B. T., and Berg, J. M. (1992). Propiedades de unión y plegado de metal de un péptido de dedo de zinc minimalista Cys2His2. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 89, 4796-4800.
- Miller, J., McLachlan, A. D., and Klug, A. (1985). Dominios repetitivos de unión de zinc en el factor de transcripción de proteínas IIIA de ovocitos Xenopus. EMBO J. 4, 1609-1614.
- Pavletich, N. P., and Pabo, C. O. (1991). Reconocimiento de ADN de dedo de zinc: estructura cristalina de un complejo de ADN Zif268 en 2.1 A. Science 252, 809-817.
- Urnov, F. D., Rebar, E. J., Holmes, M. C., Zhang, H. S., and Gregory, P. D. (2010). Edición del genoma con nucleasas de dedos de zinc diseñadas. NAT. Reverendo Genet. 11, 636-646.