Các ngón tay kẽm (ZF) là cấu trúc mô típ hiện diện trong nhiều protein eukaryote. Chúng thuộc nhóm metalloprotein, vì chúng có khả năng liên kết với ion kim loại kẽm mà chúng cần cho hoạt động của chúng. Hơn 1.500 miền ZF được dự đoán tồn tại trong khoảng 1.000 loại protein khác nhau ở người.
Thuật ngữ ngón tay kẽm hay “ngón tay kẽm” lần đầu tiên được đặt ra vào năm 1985 bởi Miller, McLachlan và Klug, trong khi nghiên cứu chi tiết các vùng liên kết DNA nhỏ của yếu tố phiên mã Xenopus laevis TFIIIA, được các tác giả khác mô tả vài năm trước đó. .
Biểu diễn đồ họa của mô típ ngón tay kẽm trong protein (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), qua Wikimedia Commons)
Protein có mô típ ZF là một trong những loại có nhiều nhất trong bộ gen của sinh vật nhân chuẩn và tham gia vào nhiều quá trình thiết yếu của tế bào, trong đó có quá trình phiên mã gen, dịch mã protein, trao đổi chất, gấp và lắp ráp các protein và lipid khác. , chết tế bào được lập trình, trong số những người khác.
Kết cấu
Cấu trúc của các họa tiết ZF được bảo tồn rất tốt. Thông thường những vùng lặp lại này có từ 30 đến 60 axit amin, cấu trúc thứ cấp của chúng được tìm thấy dưới dạng hai tấm beta đối song nhau tạo thành một kẹp tóc và một chuỗi xoắn alpha, được ký hiệu là ββα.
Cấu trúc thứ cấp đã nói được ổn định bởi các tương tác kỵ nước và bởi sự phối hợp của một nguyên tử kẽm được tạo ra bởi hai gốc cysteine và hai histidine (Cys 2 His 2 ). Tuy nhiên, có những ZF có thể phối hợp nhiều hơn một nguyên tử kẽm và những nguyên tử khác trong đó trật tự của các nguyên tử Cys và His khác nhau.
Các ZF có thể được lặp lại trong một lô, được cấu hình tuyến tính trong cùng một loại protein. Tất cả đều có cấu trúc tương tự, nhưng có thể được phân biệt về mặt hóa học với nhau bằng các biến thể của dư lượng axit amin, chìa khóa để thực hiện các chức năng của chúng.
Một đặc điểm chung giữa các ZF là khả năng nhận ra các phân tử DNA hoặc RNA có độ dài khác nhau, đó là lý do tại sao ban đầu chúng chỉ được coi là yếu tố phiên mã.
Nói chung, sự nhận biết là vùng 3bp trong DNA và đạt được khi protein có vùng ZF trình bày chuỗi xoắn alpha tới rãnh chính của phân tử DNA.
Phân loại
Có các mô-típ ZF khác nhau khác nhau về bản chất của chúng và các cấu hình không gian khác nhau đạt được nhờ các liên kết phối trí với nguyên tử kẽm. Một trong những cách phân loại như sau:
C
Đây là mô-típ thường thấy trong ZFs. Hầu hết các mô típ C 2 H 2 là đặc trưng cho sự tương tác với DNA và RNA, tuy nhiên, chúng đã được quan sát thấy tham gia vào các tương tác protein-protein. Chúng có từ 25 đến 30 dư lượng axit amin và được tìm thấy trong họ protein điều hòa lớn nhất trong tế bào động vật có vú.
Cấu trúc cơ bản của miền ngón tay kẽm C2H2, bao gồm các liên kết phối hợp ion kẽm và với nền "bàn tay và ngón tay" (AngelHerraez, qua Wikimedia Commons)
C
Chúng tương tác với RNA và một số protein khác. Chúng chủ yếu được xem là một phần của một số protein capsid retrovirus, hỗ trợ đóng gói RNA của virus ngay sau khi sao chép.
C
Protein có mô típ này là các enzym chịu trách nhiệm sao chép và phiên mã DNA. Một ví dụ điển hình có thể kể đến là enzym thô của phage T4 và T7.
C
Họ ZF này bao gồm các yếu tố phiên mã điều chỉnh sự biểu hiện của các gen quan trọng trong nhiều mô trong quá trình phát triển tế bào. Ví dụ, yếu tố GATA-2 và 3 có liên quan đến quá trình tạo máu.
C
Những vùng này là đặc trưng của nấm men, cụ thể là protein GAL4, kích hoạt quá trình phiên mã của các gen liên quan đến việc sử dụng galactose và melibiose.
Ngón tay kẽm (C
Các cấu trúc đặc biệt này sở hữu 2 kiểu phụ của miền ZF (C 3 HC 4 và C 3 H 2 C 3 ) và có trong nhiều loại protein động vật và thực vật.
Chúng được tìm thấy trong các protein như RAD5, tham gia vào quá trình sửa chữa DNA ở sinh vật nhân chuẩn. Chúng cũng được tìm thấy trong RAG1, cần thiết cho việc cấu hình lại các globulin miễn dịch.
H
Miền này của ZF được bảo tồn cao trong sự tích hợp của retrovirus và retrotransposon; bằng cách liên kết với protein đích, nó gây ra sự thay đổi cấu trúc trong đó.
Đặc trưng
Các protein có miền ZF phục vụ nhiều mục đích khác nhau: chúng có thể được tìm thấy trên protein ribosome hoặc trên các bộ điều hợp phiên mã. Chúng cũng đã được phát hiện là một phần không thể thiếu trong cấu trúc của men RNA polymerase II.
Chúng dường như tham gia vào quá trình cân bằng nội môi bằng kẽm trong tế bào và trong việc điều chỉnh quá trình chết theo chương trình hoặc quá trình chết của tế bào. Ngoài ra, có một số protein ZF có chức năng như các chaperones để gấp hoặc vận chuyển các protein khác.
Liên kết với lipid và đóng vai trò quan trọng trong tương tác protein-protein cũng là những chức năng nổi bật của vùng ZF trong một số protein.
Tầm quan trọng công nghệ sinh học
Trong những năm qua, sự hiểu biết về cấu trúc và chức năng của các miền ZF đã cho phép những tiến bộ khoa học lớn liên quan đến việc sử dụng các đặc điểm của chúng cho các mục đích công nghệ sinh học.
Vì một số protein ZF có tính đặc hiệu cao đối với một số vùng DNA nhất định, nên hiện đang đầu tư nhiều nỗ lực vào việc thiết kế các ZF cụ thể, có thể mang lại những tiến bộ có giá trị trong liệu pháp gen ở người.
Các ứng dụng công nghệ sinh học thú vị cũng nảy sinh từ việc thiết kế các protein với các ZF được biến đổi gen. Tùy thuộc vào mục đích mong muốn, một số trong số này có thể được sửa đổi bằng cách bổ sung các peptit ngón tay "poly kẽm", có khả năng nhận ra hầu như bất kỳ trình tự DNA nào có ái lực và độ đặc hiệu cao.
Chỉnh sửa bộ gen được điều chỉnh bằng nucleaza là một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất hiện nay. Loại chỉnh sửa này cung cấp khả năng thực hiện các nghiên cứu về chức năng di truyền trực tiếp trong hệ thống mô hình quan tâm.
Kỹ thuật di truyền sử dụng các nuclease ZF biến đổi đã thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học trong lĩnh vực cải tiến di truyền của các giống cây trồng có tầm quan trọng về mặt nông học. Những nuclease này đã được sử dụng để sửa một gen nội sinh tạo ra các dạng kháng thuốc diệt cỏ ở cây thuốc lá.
Nucleases với ZF cũng đã được sử dụng để bổ sung các gen trong tế bào động vật có vú. Các protein được đề cập được sử dụng để tạo ra một tập hợp các tế bào chuột isogenic với một tập hợp các alen xác định cho một gen nội sinh.
Quá trình như vậy có một ứng dụng trực tiếp trong việc gắn thẻ và tạo ra các dạng alen mới để nghiên cứu các mối quan hệ của cấu trúc và chức năng trong các điều kiện biểu hiện tự nhiên và trong môi trường isogenic.
Người giới thiệu
- Berg, JM (1990). Lĩnh vực ngón tay kẽm: giả thuyết và kiến thức hiện tại. Đánh giá hàng năm về Lý sinh và Hóa lý sinh, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbas, C. (2001). Phát triển các vùng ngón tay kẽm để nhận dạng chuỗi DNA 5'-ANN-3 'và việc sử dụng chúng trong việc xây dựng các yếu tố phiên mã nhân tạo. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., & Mackay, JP (2007). Ngón tay dính: ngón tay kẽm làm mô-típ nhận dạng protein. Xu hướng Khoa học Hóa sinh, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). Khám phá các ngón tay kẽm và các ứng dụng của chúng trong việc điều chỉnh gen và thao tác bộ gen. Đánh giá hàng năm về Hóa sinh, 79 (1), 213–231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Tính chất liên kết kim loại của ngón tay kẽm với vị trí liên kết kim loại bị thay đổi tự nhiên. Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Protein ngón tay kẽm: Những hiểu biết mới về sự đa dạng về cấu trúc và chức năng. Ý kiến hiện tại trong sinh học cấu trúc, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Vùng liên kết kẽm lặp đi lặp lại trong yếu tố phiên mã protein IIIA từ tế bào trứng Xenopus. Tạp chí Các yếu tố dấu vết trong Y học Thực nghiệm, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, & Gregory, PD (2010). Chỉnh sửa bộ gen với nucleaza ngón tay kẽm được thiết kế. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.