białka palca cynkowego (ZnF) są masywną, zróżnicowaną rodziną białek, które pełnią różnorodne funkcje biologiczne. Ze względu na ich różnorodność trudno jest wymyślić prostą definicję tego, co łączy wszystkie białka ZnF; jednak najczęstszym podejściem jest zdefiniowanie ich jako wszystkich małych, funkcjonalnych domen, które wymagają koordynacji przez co najmniej jeden jon cynku(Laity et al., 2001). Jon cynku służy do stabilizacji integracji samego białka i na ogół nie uczestniczy w wiązaniu celów. „Palec” odnosi się do struktur wtórnych (α-helisy i β-arkusza), które są utrzymywane razem przez Jon Zn. Domeny zawierające palec cynkowy zazwyczaj służą jako interaktory, wiążące DNA, RNA, białka lub małe cząsteczki(Laity et al., 2001).
rodziny białek ZnF
Cys2His2 była pierwszą odkrytą domeną (znaną również jako typ Krüppela). Początkowo została odkryta jako domena powtarzająca się w IIIA czynnika transkrypcyjnego w Xenopus laevis (Brown et al., 1985; Miller et al., 1985). IIIA ma dziewięć powtórzeń 30 aminokwasów, które tworzą domenę Cys2His2. Każda domena tworzy lewostronną strukturę wtórną ββα i koordynuje jon Zn między dwiema cysteinami na spince arkusza β i dwiema histydynami w α-helisie, stąd nazwa Cys2His2 (Lee et al., 1989). Rezydencje te są wysoce konserwowane, a także ogólny hydrofobowy rdzeń, który umożliwia tworzenie helisy. Pozostałe pozostałości mogą wykazywać dużą różnorodność sekwencji (Michael et al., 1992). Palce cynkowe Cys2His2, które wiążą DNA, mają zwykle 2-4 domeny tandemowe jako część większego białka. Pozostałości Helis Alfa tworzą specyficzne kontakty z określonym motywem sekwencji DNA poprzez „odczytywanie” nukleotydów w głównym rowku DNA (Elrod-Erickson et al., 1996; Pavletich i Pabo, 1991). Białka Cys2His2 stanowią największą grupę czynników transkrypcyjnych u większości gatunków. Białka wiążące DNA mogą mieć znacznie bardziej elastyczną strukturę trzeciorzędową. Przykłady białek Cys2His2 obejmują rodzinę białek inhibitora apoptozy (IAP) i czynnik transkrypcyjny ctfc.
górne palce klucza są bardzo zróżnicowaną grupą protienów ZnF zarówno pod względem struktury, jak i funkcji. To, co sprawia, że są rodziną, to wspólna fałda w ich rdzeniu, która wygląda trochę jak muzyczny klucz treble, zwłaszcza jeśli zezujesz (Grishin, 2001). Większość motywów palców kluczowych ma spinkę β, region zmiennej pętli, spinkę β i spiralę α. „Knuckle” spinki β i helisy α zawierają sekwencję Cys-x-X-Cys niezbędną do koordynowania jonu Zn. Palce wirowe często tworzą rdzeń struktur białkowych, na przykład białka rybosomalne l24e i S14 oraz rodzina palców serdecznych.
wstęgi cynkowe są nieco mniej złożone strukturalnie niż pozostałe dwie główne grupy. Wstążki cynkowe zawierają dwie kłykcie cynkowe, często β-kłykcie, koordynujące jon cynku poprzez dwie pozostałości Cys oddzielone 2-4 innymi pozostałościami na jednej kłykcie, a Cys-x-X-Cys na drugiej (Hahn and Roberts, 2000). Przykłady białek zawierających wstążkę cynkową obejmują podstawowe czynniki transkrypcyjne TFIIS i TFIIB, które dla kompleksu z RNAPII wiążą DNA, oraz jądro jądrowe npl4, które wykorzystuje wstążkę cynkową do wiązania ubikwityny(Alam et al., 2004). Cys2His2, treble clef fingers i Zinc ribbons tworzą większość palców cynkowych, ale istnieje kilka innych mniejszych grup, które nie pasują idealnie do tych trzech.
praktyczne zastosowania białek palców cynkowych
gdy tylko poznano specyficzność białek ZnF, idea tworzenia syntetycznych białek ZnF stała się przedmiotem zainteresowania wielu firm biotechnologicznych. Motywy Cys2His2 rozpoznają specyficzny triplet nukleotydowy w zależności od reszt na ich helisie α. Uważano, że tworzy to prosty kod, który może być użyty do rozpoznania bardzo specyficznych sekwencji DNA poprzez inżynierię specyficznych motywów ZnF w tandemie w białku. Inna domena białka może wtedy służyć jakiejś pożądanej funkcji biologicznej, gdy ZnF wiąże sekwencję docelową. Na przykład cięcie w określonym punkcie genomu i wstawianie elementu transgenicznego. Ale niestety, to nie było takie proste. Pozostałości rozpoznawania ZnF mają również wzajemne rozpoznawanie z sąsiednimi elementami, dlatego każdy motyw musi być wybrany w kontekście otaczających go elementów. Kwestie te zostały w dużej mierze rozwiązane (Urnov et al., 2010). Niestandardowe białka ZnF są teraz dostępne dla naukowców w celu rozwiązania własnych pytań. Pogoda ta technologia stanie się na tyle atrakcyjna, że zastąpi bardziej zaufane metody.
Krishna, S. S., Majumdar, I., and Grishin, N. V.(2003). Klasyfikacja strukturalna palców cynkowych: badanie i podsumowanie. Nucleic Acids Res.31, 532-550.
ta praca położyła podwaliny pod naszą obecną klasyfikację i zrozumienie struktury ZnF. Był odpowiedzialny za połączenie białek, które wcześniej nie były rozumiane jako palce cynkowe.
Rozpoznawanie DNA przez białka palców cynkowych Cys2His2. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 29, 183-212.
jest to starszy przegląd, ale daje dobry przegląd odkrycia i klasyfikacji białek ZnF, zwłaszcza Cys2His2.
Urnov, F. D., Rebar, E. J., Holmes, M. C., Zhang, H. S., and Gregory, P. D. (2010). Edycja genomu za pomocą zmodyfikowanych nukleaz z palcem cynkowym. Nat. Wielebny Genet. 11, 636-646.
ta recenzja daje wiele świetnych informacji na temat tego, jak syntetyczne białka ZnF mogą być generowane i omawia ich potencjalne zastosowania.
- 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). Interakcje ubikwityny palców cynkowych NZF. EMBO J. 23, 1411-1421.
- Brown, R. S., Sander, C., and Argos, P. (1985). Podstawowa struktura czynnika transkrypcyjnego TFIIIA ma 12 kolejnych powtórzeń. 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: modelowy system do zrozumienia interakcji palec cynkowy-DNA. Struktura 4, 1171-1180.
- Grishin, N. V. (2001). Klucz kotwiczny (ang. „Treble clef finger”)–funkcjonalnie zróżnicowany motyw strukturalny wiążący cynk. Nucleic Acids Res. 29, 1703-1714.
- Hahn, S., and Roberts, S. (2000). Domeny wstążki cynkowej ogólnych czynników transkrypcyjnych TFIIB i Brf: zachowane powierzchnie funkcjonalne, ale różne role w inicjacji transkrypcji. Genes Dev. 14, 719-730.
- Laity, J. H., Lee, B. M., and Wright, P. E. (2001). Białka palców cynkowych: nowe spojrzenie na różnorodność strukturalną i funkcjonalną. Curr. Opin. Struct. Biol. 11, 39-46.
- Lee, M. S., Gippert, G. P., Soman, K. V., Case, D. A., and Wright, P. E. (1989). Trójwymiarowa struktura roztworu pojedynczej domeny wiążącej DNA palca cynkowego. Nauka 245, 635-637.
- Michael, S. F., Kilfoil, V. J., Schmidt, M. H., Amann, B. T., and Berg, J. M. (1992). Właściwości wiązania i składania metalu minimalistycznego peptydu cynkowego cys2his2. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 89, 4796-4800.
- Miller, J., McLachlan, A. D., and Klug, A. (1985). Powtarzalne domeny wiążące cynk w białkowym czynniku transkrypcyjnym IIIA z oocytów Xenopus. 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). Edycja genomu za pomocą zmodyfikowanych nukleaz z palcem cynkowym. Nat. Wielebny Genet. 11, 636-646.