Els dits de zinc (ZF) són motius estructurals presents en gran quantitat de proteïnes eucariotes. Pertanyen a el grup de les metaloproteínas, ja que són capaços d'unir l'ió metàl·lic zinc, que requereixen per al seu funcionament. Es prediu que més de 1500 dominis ZF ha a l'entorn de 1000 proteïnes diferents en humans.
El terme dit de zinc o "zinc finger" va ser encunyat per primera vegada el 1985 per Miller, McLachlan i Klug, mentre estudiaven en detall els petits dominis d'unió a l'ADN de l'factor transcripcional TFIIIA de Xenopus laevis, descrit per altres autors alguns anys abans.
Representació gràfica de l'motiu dit de zinc en proteïnes (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), via Wikimedia Commons)
Les proteïnes amb motius ZF són de les més abundants en el genoma d'organismes eucariotes i participen en diversitat de processos cel·lulars essencials, entre els quals destaquen la transcripció genètica, la traducció de proteïnes, metabolisme, el plegament i acoblament d'altres proteïnes i de lípids, mort cel·lular programada, entre d'altres.
estructura
L'estructura dels motius ZF està extremadament conservada. Usualment aquestes regions repetides posseeixen de 30 a 60 aminoàcids, l'estructura secundària es troba com dues làmines beta antiparal·leles que formen una forquilla i una hèlix alfa, que es denota com ββα.
Aquesta estructura secundària s'estabilitza per interaccions hidrofòbiques i per la coordinació d'un àtom de zinc donada per dos residus de cisteïna i dos d'histidina (Cys 2 His 2). No obstant això, hi ZF que poden coordinar més d'un àtom de zinc i altres on l'ordre dels residus de Cys i His varia.
Els ZF poden trobar repetits en tanda, configurats linealment en una mateixa proteïna. Tots tenen estructures similars, però poden diferenciar-se químicament entre si per variacions de residus aminoacídics clau per al compliment de les seves funcions.
Una característica comuna entre els ZF és la seva capacitat de reconèixer molècules d'ADN o ARN de diferents longituds, raó per la qual inicialment es consideraven només com a factors transcripcionals.
En general, el reconeixement és de regions de 3PB en l'ADN i s'aconsegueix quan la proteïna amb domini ZF presenta l'hèlix alfa a la rega major de la molècula d'ADN.
classificació
Hi ha diferents motius ZF que es diferencien entre si per la seva naturalesa i les diferents configuracions espacials que aconsegueixen els enllaços de coordinació amb l'àtom de zinc. Una de les classificacions és la següent:
C
Aquest és un motiu comunament trobat en els ZF. La majoria dels motius C 2 H 2 són específics per a la interacció amb ADN i ARN, però, s'han observat participant en interaccions proteïna-proteïna. Posseeixen entre 25 i 30 residus aminoacídics i es troben dins de la família més gran de proteïnes reguladores en cèl·lules de mamífers.
Estructura primària d'un domini dit de zinc C2H2, incloent els enllaços que coordinen a l'ió zinc i amb un fons de «mà i dit» (AngelHerraez, via Wikimedia Commons)
C
Interactuen amb ARN i algunes altres proteïnes. S'observen principalment com a part d'algunes proteïnes de la càpside de retrovirus, col·laborant en l'empaquetat de l'ARN viral just després de la replicació.
C
Les proteïnes amb aquest motiu són enzims responsables de la replicació i la transcripció de l'ADN. Un bon exemple d'aquestes poden ser els enzims primasas dels fags T4 i T7.
C
Aquesta família de ZF comprèn factors de transcripció que regulen l'expressió d'importants gens en nombrosos teixits durant el desenvolupament cel·lular. Els factors GATA-2 i 3, per exemple, estan implicats en l'hematopoesi.
C
Aquests dominis són propis de llevats, específicament la proteïna GAL4, que activa la transcripció de gens involucrats en la utilització de la galactosa i la melibiosa.
Dits de zinc (C
Aquestes estructures particulars posseeixen 2 subtipus de dominis ZF (C 3 HC 4 i C 3 H 2 C 3) i són presents en nombroses proteïnes d'animals i vegetals.
Es troben en proteïnes com RAD5, involucrades en la reparació de l'ADN en organismes eucariotes. També es troben en RAG1, indispensable per a la re-configuració de les immunoglobulines.
H
Aquest domini de ZF es troba altament conservat en les integrasas dels retrovirus i els retrotransposons; a l'unir-se a la proteïna blanc causa un canvi conformacional en la mateixa.
funcions
Les proteïnes amb dominis ZF serveixen diversos propòsits: poden trobar-se en proteïnes ribosomals o en adaptadors transcripcionals. També s'han detectat com a part integral de l'estructura de l'ARN polimerasa II de llevats.
Semblen estar involucrades en l'homeòstasi intracel·lular de zinc i en la regulació de l'apoptosi o mort cel·lular programada. A més, hi ha algunes proteïnes amb ZF que funcionen com xaperones per al plegament o transport d'altres proteïnes.
La unió a lípids i un paper fonamental en les interaccions proteïna-proteïna són també funcions destacades dels dominis ZF en algunes proteïnes.
importància biotecnològica
Amb els anys, la comprensió estructural i funcional dels dominis ZF ha permès fer grans avenços científics que impliquen la utilització de les seves característiques amb fins biotecnològics.
Ja que algunes proteïnes amb ZF tenen una gran especificitat per determinats dominis d'ADN, molt esforç s'inverteix actualment en el disseny de ZF específics, que puguin aportar valuosos avenços en la teràpia gènica en humans.
Aplicacions biotecnològiques interessants també sorgeixen de el disseny de proteïnes amb ZF modificades per enginyeria genètica. Depenent de la fi desitjada, algunes d'aquestes poden ser modificades per l'addició de pèptids amb dits "poli zinc", que són capaços de reconèixer virtualment qualsevol seqüència d'ADN amb gran afinitat i especificitat.
L'edició genòmica amb nucleases modificades és una de les aplicacions més prometedores en l'actualitat. Aquest tipus d'edició ofereix la possibilitat de dur a terme estudis sobre la funció genètica directament en el sistema model d'interès.
L'enginyeria genètica emprant nucleases ZF modificades ha captat l'atenció dels científics en el camp de la millora genètica de conreus de plantes d'importància agronòmica. Aquestes nucleases s'han emprat per corregir un gen endogen que produeix formes resistents a herbicides en plantes de tabac.
Nucleases amb ZF també han estat emprades per a l'addició de gens en cèl·lules de mamífers. Les proteïnes en qüestió van ser utilitzades per generar un conjunt de cèl·lules de ratolí isogèniques amb una sèrie d'al·lels definits per a un gen endogen.
Tal procés té una aplicació directa en l'etiquetatge i la creació de noves formes al·lèliques per estudiar les relacions d'estructura i funció en condicions natives d'expressió i en ambients isogénicos.
referències
- Berg, JM (1990). Zinc finger domains: hypotheses and current knowledge. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry, 19 (39), 405-421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., & Barbes, C. (2001). Development of zinc finger domains for recognition of the 5'-ANN-3 'family of DNA sequences and their use in the construction of artificial transcription factors. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M., & Mackay, JP (2007). Sticky fingers: zinc-fingers es protein-recognition motifs. Trends in Biochemical Sciences, 32 (2), 63-70.
- Klug, A. (2010). The Discovery of Zinc Fingers and Their Applications in Gene Regulation and Genome Manipulation. Annual Review of Biochemistry, 79 (1), 213-231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., & Krȩzel, A. (2017). Metall binding properties of zinc fingers with a naturally Altered metall binding site. Metallomics, 10 (2), 248-263.
- Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Zinc finger proteins: New insights into structural and functional diversity. Current Opinion in Structural Biology, 11 (1), 39-46.
- Miller, J., McLachlan, AD, & Klug, A. (1985). Repetitive zinc-binding domains in the protein transcription factor IIIA from Xenopus oocytes. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609-1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS, & Gregori, PD (2010). Genome editing with Engineered zinc finger nucleases. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636-646.