Sinkkisormiproteiinit (ZnF) ovat massiivinen, monipuolinen proteiiniperhe, joka palvelee monenlaisia biologisia toimintoja. Erilaisuutensa vuoksi on vaikea keksiä yksinkertaista määritelmää sille, mikä yhdistää kaikkia ZnF-proteiineja; yleisin lähestymistapa on kuitenkin määritellä ne pieniksi, toiminnallisiksi domeeneiksi, jotka vaativat vähintään yhden sinkki-ionin koordinointia (Maally et al., 2001). Sinkki-ioni stabiloi itse proteiinin integraatiota,eikä se yleensä osallistu kohteiden sitomiseen. ”Sormella” tarkoitetaan sekundaarirakenteita (α-helix ja β-arkki), joita Zn-ioni pitää koossa. Sinkkisormen sisältävät domeenit toimivat tyypillisesti interaktoreina, jotka sitovat DNA: ta, RNA: ta, proteiineja tai pieniä molekyylejä (Maally et al., 2001).
ZnF-Proteiiniperheet
Cys2His2 oli ensimmäinen löydetty domeeni (tunnetaan myös nimellä Krüppel-tyyppi). Se löydettiin aluksi toistuvana verkkotunnuksena IIIA: n transkriptiotekijässä Xenopus laevis (Brown et al., 1985; Miller ym., 1985). IIIA: ssa on yhdeksän toistoa 30 aminohaposta, jotka muodostavat Cys2His2-domeenin. Kukin domeeni muodostaa vasenkätisen ββα-toisiorakenteen ja koordinoi Zn-ionin β-arkin hiusneulan kahden kysteiinin ja α-helixin kahden histidiinin välillä, mistä nimi Cys2His2 (Lee et al., 1989). Ne ovat hyvin säilyneitä, kuten myös yleinen hydrofobinen ydin, joka mahdollistaa helixin muodostumisen. Muut jäämät voivat osoittaa suurta sekvenssin monimuotoisuutta (Michael et al., 1992). DNA: ta sitovissa cys2his2-sinkkisormissa on yleensä 2-4 tandem-domeenia osana suurempaa proteiinia. Alfahiilien jäämät muodostavat erityisiä kontakteja tiettyyn DNA-sekvenssimotiiviin ”lukemalla” nukleotideja DNA: n pääurassa (Elrod-Erickson et al., 1996; Pavletich ja Pabo, 1991). Cys2His2-proteiinit ovat suurin ryhmä transkriptiotekijöitä useimmilla lajeilla. Ei-DNA: ta sitovilla proteiineilla voi olla paljon joustavampi tertiäärirakenne. Esimerkkejä cys2his2-proteiineista ovat apoptoosin (IAP) proteiiniperheen estäjä ja CTFC-transkriptiotekijä.
Treble clef-sormet ovat hyvin monimuotoinen ryhmä ZnF-protieneja sekä rakenteeltaan että toiminnaltaan. Mikä tekee heistä perheen on yhteinen taitos niiden ytimessä, joka näyttää hieman kuin musiikillinen diskantti clef, varsinkin jos siristää (Grishin, 2001). Useimmissa treble clef-sormimotiiveissa on β-hiusneula, muuttuva silmukan alue, β-hiusneula ja α-helix. Β-hiusneulan ”knuckle” ja α-helix sisältävät Zn-ionin koordinointiin tarvittavan KYS-x-X-KYS-sekvenssin. Diskanttisormet muodostavat usein proteiinirakenteiden ytimen, esimerkiksi ribosomaalisten l24e-ja S14-proteiinien sekä nimettömän sormiperheen.
Sinkkinauhat ovat rakenteellisesti hieman vähemmän monimutkaisia kuin kaksi muuta pääryhmää. Sinkkinauhat sisältävät kaksi sinkkirystystä, usein β-hiuspinnejä, jotka koordinoivat sinkki-Ionia kahden KYS-jäännöksen kautta, joita erottaa 2-4 muuta jäännöstä toisessa rystyssä, ja kys-x-x-KYS toisessa (Hahn and Roberts, 2000). Esimerkkejä sinkki nauha-sisältää proteiineja ovat pohjapinta transkriptio tekijät TFIIS ja TFIIB, että monimutkainen RNAPII sitoa DNA: ta, ja Npl4 ytimen proteiinia, joka käyttää sinkki nauha sitoa ubikitiinipromoottori (Alam et al., 2004). Cys2His2, treble clef-sormet ja sinkkinauhat muodostavat suurimman osan sinkkisormista, mutta on olemassa useita muita pienempiä ryhmiä, jotka eivät sovi siististi näihin kolmeen.
Sinkkisormiproteiinien käytännön käyttötarkoitukset
heti kun znf-proteiinien spesifisyys ymmärrettiin, ajatus synteettisten ZnF-proteiinien luomisesta tuli monien biotekniikkayritysten keskiöön. Cys2His2-motiivit tunnistavat kukin tietyn nukleotiditripletin riippuen niiden α-helixin jäämistä. Tämän ajateltiin muodostavan yksinkertaisen koodin, jota voitaisiin käyttää tunnistamaan hyvin erityisiä DNA-sekvenssejä suunnittelemalla tiettyjä ZnF-motiiveja yhdessä proteiinin sisällä. Toinen proteiinin osa-alue voisi sitten palvella jotain haluttua biologista toimintoa, kun ZnF sitoi kohdesekvenssin. Esimerkiksi leikkaamalla tiettyyn kohtaan genomia ja lisäämällä siirtogeenisen elementin. Mutta valitettavasti se ei ollut niin yksinkertaista. ZnF-tunnistusjäännöksillä on myös ristiintunnistus viereisiin elementteihin, joten jokainen motiivi on valittava sen ympärillä olevien yhteydessä. Nämä kysymykset on nyt suurelta osin käsitelty (Urnov et al., 2010). Mukautetut ZnF-proteiinit ovat nyt tutkijoiden käytettävissä vastaamaan omiin kysymyksiinsä. Sää tämä tekniikka tulee houkutteleva tarpeeksi korvata enemmän luotettuja menetelmiä jää nähtäväksi.
Zinc Finger Protein Additional Reading
Krishna, S. S., Majumdar, I., and Grishin, N. V. (2003). Sinkkisormien rakenneluokitus: tutkimus ja yhteenveto. Nucleic Acids Res. 31, 532-550.
tämä paperi on luonut perustan nykyiselle znf-rakenteen luokittelulle ja ymmärtämiselle. Sen tehtävänä oli koota yhteen proteiineja, joita ei aiemmin ymmärretty sinkkisormiksi.
Wolfe, S. A., Nekludova, L., and Pabo, C. O. (2000). DNA: n tunnistaminen Cys2His2-sinkkisormiproteiineilla. Annu. Pastori Biofys. Biomolia. Struct. 29, 183-212.
tämä on vanhempi katsaus, mutta se antaa hyvän yleiskuvan ZnF-proteiinien, erityisesti Cys2His2: n, löytymisestä ja luokittelusta.
Urnov, F. D., Rebar, E. J., Holmes, M. C., Zhang, H. S., and Gregory, P. D. (2010). Genomin muokkaus sinkkisormen nukleaasien avulla. Nat. Pastori Genet. 11, 636-646.
tämä katsaus antaa paljon hyvää tietoa siitä, miten synteettisiä ZnF-proteiineja voidaan tuottaa, ja käy läpi niiden mahdollisia käyttötarkoituksia.
- 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). NZF-sinkkisormien ubikitiini-interaktiot. EMBO J. 23, 1411-1421.
- Brown, R. S., Sander, C., and Argos, P. (1985). Transkriptiotekijän tfiiia: n perusrakenteessa on 12 peräkkäistä toistoa. FEBS Lett. 186, 271-274.
- Elrod-Erickson, M., Rould, M. A., Nekludova, L., and Pabo, C. O. (1996). Zif268 protein-DNA complex refined at 1.6 A: A model system for understanding zinc finger-DNA interactions. Rakennus 4, 1171-1180.
- Grishin, N. V. (2001). Treble clef finger – toiminnallisesti monipuolinen sinkkiä sitova rakenteellinen motiivi. Nucleic Acids Res. 29, 1703-1714.
- Hahn, S., and Roberts, S. (2000). Yleisten transkriptiotekijöiden tfiib ja Brf sinkkinauhakomponentit: säilyneet toiminnalliset pinnat, mutta erilaiset roolit transkription aloittamisessa. Genes Dev. 14, 719-730.
- Maally, J. H., Lee, B. M., and Wright, P. E. (2001). Sinkkisormiproteiinit: uusia oivalluksia rakenteellisesta ja toiminnallisesta monimuotoisuudesta. Kurr. Opinista. Struct. Biol. 11, 39-46.
- Lee, M. S., Gippert, G. P., Soman, K. V., Case, D. A., and Wright, P. E. (1989). Yhden sinkkisormen DNA: ta sitovan domeenin kolmiulotteinen ratkaisurakenne. Science 245, 635-637.
- Michael, S. F., Kilfoil, V. J., Schmidt, M. H., Amann, B. T., and Berg, J. M. (1992). Minimalistisen cys2his2 sinkkisormipeptidin metalli-ja taittoominaisuudet. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 4796-4800.
- Miller, J., McLachlan, A. D., and Klug, A. (1985). Xenopus-varhaismunasolujen proteiinitranskriptiotekijä IIIA: ssa esiintyy toistuvia sinkkiä sitovia domeeneja. EMBO J. 4, 1609-1614.
- Pavletich, N. P., and Pabo, C. O. (1991). Zinc finger-DNA recognition: crystal structure of a Zif268-DNA complex at 2.1 A. Science 252, 809-817.
- Urnov, F. D., Rebar, E. J., Holmes, M. C., Zhang, H. S., and Gregory, P. D. (2010). Genomin muokkaus sinkkisormen nukleaasien avulla. Nat. Pastori Genet. 11, 636-646.