ЦИНКОВИ ПРЪСТИ: СТРУКТУРА, КЛАСИФИКАЦИЯ, ФУНКЦИЯ И ЗНАЧЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

В пръст цинк (ZF) са структурни мотиви присъства в много еукариотни протеини. Те принадлежат към групата на металопротеините, тъй като са способни да свързват цинковия метален йон, който им е необходим за тяхната работа. Предполага се, че повече от 1500 ZF домена съществуват в около 1000 различни протеини при хората.

Терминът цинков пръст или „цинков пръст“ е въведен за пръв път през 1985 г. от Милър, Маклаклан и Клуг, докато изучава подробно малките ДНК-свързващи домейни на транскрипционния фактор на Xenopus laevis TFIIIA, описани от други автори няколко години по-рано.,

Графично представяне на мотива на цинковия пръст в протеините (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), чрез Wikimedia Commons)

Протеините с ZF мотиви са сред най-изобилните в генома на еукариотните организми и участват в разнообразие от основни клетъчни процеси, сред които са генна транскрипция, превод на протеини, метаболизъм, сгъване и сглобяване на други протеини и липиди., програмирана клетъчна смърт, наред с други.

структура

Структурата на ZF мотивите е изключително запазена. Обикновено тези повтарящи се области имат 30 до 60 аминокиселини, чиято вторична структура се намира като два антипаралелни бета листа, които образуват закопчалка и алфа спирала, която е обозначена като ββα.

Споменатата вторична структура се стабилизира чрез хидрофобни взаимодействия и чрез координация на цинков атом, даден от два цистеина и два хистидинови остатъка (Cys ₂ His ₂). Съществуват обаче ZFs, които могат да координират повече от един цинков атом и други, където редът на остатъците от Cys и His варира.

ZF могат да бъдат повторени в партида, линейно конфигурирани в един и същ протеин. Всички имат сходни структури, но могат да бъдат химически разграничени една от друга чрез вариации на аминокиселинни остатъци, ключови за изпълнението на техните функции.

Обща черта сред ZFs е тяхната способност да разпознават молекули на ДНК или РНК с различна дължина, поради което първоначално те се разглеждат само като транскрипционни фактори.

По принцип разпознаването е на 3bp участъци в ДНК и се постига, когато протеинът от ZF домейн представя алфа спиралата към основния жлеб на ДНК молекулата.

класификация

Има различни ZF мотиви, които се различават един от друг по своето естество и различните пространствени конфигурации, постигнати от координационните връзки с цинковия атом. Една от класификациите е следната:

° С

Това е често срещан мотив в ZFs. Повечето C ₂ H ₂ мотиви са специфични за взаимодействие с ДНК и РНК, обаче, те са наблюдавани да участват в протеин-протеин взаимодействия. Те имат между 25 и 30 аминокиселинни остатъци и се намират в най-голямото семейство от регулаторни протеини в клетките на бозайниците.

Първична структура на домейн от цинков пръст на C2H2, включително връзките, които координират цинковия йон и с фон "ръка и пръст" (AngelHerraez, чрез Wikimedia Commons)

° С

Те взаимодействат с РНК и някои други протеини. Те се разглеждат главно като част от някои ретровирусни капсидни протеини, подпомагащи опаковането на вирусна РНК непосредствено след репликацията.

° С

Протеините с този мотив са ензими, отговорни за репликацията и транскрипцията на ДНК. Добър пример за това могат да бъдат грубите ензими на фага Т4 и Т7.

° С

Това семейство на ZF включва транскрипционни фактори, които регулират експресията на важни гени в многобройни тъкани по време на клетъчното развитие. GATA-2 и 3 фактори, например, участват в хематопоезата.

° С

Тези домейни са характерни за дрождите, по-специално за протеина GAL4, който активира транскрипцията на гени, участващи в използването на галактоза и мелибиоза.

Цинкови пръсти (С

Тези особени структури притежават 2 подтипове на ZF домени (С ₃ HC ₄ и С ₃ Н ₂ C ₃) и се намират в различни животински и растителни протеини.

Те се намират в протеини като RAD5, участващи в възстановяването на ДНК в еукариотни организми. Те се намират и в RAG1, който е от съществено значение за преконфигурацията на имуноглобулините.

Н

Този домен на ZF е силно запазен при интегразите на ретровируси и ретротранспозони; чрез свързване с целевия протеин причинява конформационна промяна в него.

Характеристика

Протеините с ZF домейни служат за най-различни цели: те могат да бъдат намерени в рибозомни протеини или в транскрипционни адаптери. Те също са открити като неразделна част от структурата на дрожди РНК полимераза II.

Изглежда, те участват във вътреклетъчната цинкова хомеостаза и в регулацията на апоптозата или програмираната клетъчна смърт. В допълнение, има някои протеини ZF, които функционират като шаперони за сгъването или транспортирането на други протеини.

Свързването с липидите и критичната роля в протеино-протеиновите взаимодействия са също видни функции на ZF домейните в някои протеини.

Биотехнологично значение

С течение на годините структурното и функционално разбиране на ZF домейните позволи голям научен напредък, който включва използването на техните характеристики за биотехнологични цели.

Тъй като някои ZF протеини имат висока специфичност за определени ДНК домейни, в момента се инвестират много усилия в проектирането на специфични ZF, които могат да осигурят ценен напредък в генната терапия при хора.

Интересни биотехнологични приложения възникват и от дизайна на протеини с генетично модифицирани ZF. В зависимост от желаната цел, някои от тях могат да бъдат модифицирани чрез добавяне на "полицинкови" пръстови пептиди, които са способни да разпознаят практически всяка последователност на ДНК с висок афинитет и специфичност.

Nuclease-модифицираното геномно редактиране е едно от най-обещаващите приложения днес. Този тип редактиране предлага възможност за провеждане на изследвания върху генетичната функция директно в моделната система на интерес.

Генетичното инженерство, използващо модифицирани ZF нуклеази, привлякло вниманието на учените в областта на генетичното усъвършенстване на сортове растения с агрономично значение. Тези нуклеази са били използвани за коригиране на ендогенен ген, който произвежда устойчиви на хербициди форми в тютюневите растения.

Нуклеази със ZF се използват и за добавяне на гени в клетки на бозайници. Въпросните протеини бяха използвани за генериране на набор от изогенни миши клетки с набор от дефинирани алели за ендогенен ген.

Такъв процес има пряко приложение при маркирането и създаването на нови алелни форми за изучаване на структурни и функционални връзки в естествени условия на изразяване и в изогенна среда.

Препратки

1. Berg, JM (1990). Домейни на цинкови пръсти: хипотези и текущи знания. Годишен преглед на биофизиката и биофизичната химия, 19 (39), 405–421.
2. Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Разработване на цинкови пръстови домейни за разпознаване на 5'-ANN-3 'семейството на ДНК последователности и тяхното използване при изграждането на изкуствени транскрипционни фактори. JBC, (54).
3. Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., & Mackay, JP (2007). Лепливи пръсти: цинкови пръсти като мотиви за разпознаване на протеини. Тенденции в биохимичните науки, 32 (2), 63–70.
4. Klug, A. (2010). Откриването на цинкови пръсти и техните приложения при регулиране на гените и манипулация на генома. Годишен преглед на биохимията, 79 (1), 213–231.
5. Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Метални свързващи свойства на цинкови пръсти с естествено променено място за свързване на метал. Metallomics, 10 (2), 248–263.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Протеини с цинков пръст: Нова представа за структурно и функционално многообразие. Настоящо мнение в структурната биология, 11 (1), 39–46.
7. Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Повтарящи се цинкови свързващи домейни в протеиновия транскрипционен фактор IIIА от Xenopus oocytes. Списание за микроелементи в експерименталната медицина, 4 (6), 1609–1614.
8. Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, & Gregory, PD (2010). Редактиране на геном с инженерство с цинков пръст нуклеази. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.