สังกะสีนิ้ว (ZF) เป็นโครงสร้างปัจจุบันลวดลายโปรตีน eukaryotic จำนวนมาก พวกมันอยู่ในกลุ่มของ metalloproteins เนื่องจากมีความสามารถในการจับไอออนของโลหะสังกะสีซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงาน มีการคาดการณ์ว่าโดเมน ZF มากกว่า 1,500 โดเมนมีอยู่ในโปรตีนประมาณ 1,000 ชนิดในมนุษย์
คำว่า zinc finger หรือ "zinc finger" ได้รับการประกาศเกียรติคุณเป็นครั้งแรกในปี 1985 โดย Miller, McLachlan และ Klug ในขณะที่ศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับโดเมนที่มีผลผูกพัน DNA ขนาดเล็กของ Xenopus laevis transcriptional factor TFIIIA ซึ่งผู้เขียนคนอื่นอธิบายไว้เมื่อหลายปีก่อน .
การแสดงกราฟิกของแม่ลายนิ้วสังกะสีในโปรตีน (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com) ผ่าน Wikimedia Commons)
โปรตีนที่มีลวดลาย ZF เป็นหนึ่งในจีโนมของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตที่มีอยู่มากที่สุดและมีส่วนร่วมในกระบวนการที่จำเป็นของเซลล์ที่หลากหลายซึ่ง ได้แก่ การถอดยีนการแปลโปรตีนการเผาผลาญการพับและการประกอบของโปรตีนและไขมันอื่น ๆ , การตายของเซลล์ที่ตั้งโปรแกรมไว้และอื่น ๆ
โครงสร้าง
โครงสร้างของลวดลาย ZF ได้รับการอนุรักษ์อย่างมาก โดยปกติบริเวณที่ทำซ้ำเหล่านี้จะมีกรดอะมิโน 30 ถึง 60 ชนิดซึ่งโครงสร้างทุติยภูมิพบเป็นแผ่นเบต้าคู่ขนานสองแผ่นที่ประกอบเป็นกิ๊บและเกลียวอัลฟาซึ่งแสดงเป็นββα
โครงสร้างทุติยภูมิกล่าวว่ามีความเสถียรโดยปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ชอบน้ำและโดยการประสานงานของอะตอมสังกะสีที่ได้รับจากซิสเทอีนสองตัวและสารตกค้างฮิสติดีนสองตัว (Cys 2 His 2 ) อย่างไรก็ตามมี ZF ที่สามารถประสานอะตอมสังกะสีได้มากกว่าหนึ่งอะตอมและอื่น ๆ ที่ลำดับของ Cys และการตกค้างของเขาแตกต่างกันไป
ZF สามารถทำซ้ำได้ในชุดการกำหนดค่าเชิงเส้นในโปรตีนเดียวกัน ทั้งหมดมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน แต่สามารถแตกต่างกันทางเคมีได้โดยการแปรผันของกรดอะมิโนตกค้างที่เป็นกุญแจสำคัญในการปฏิบัติตามหน้าที่
คุณลักษณะทั่วไปของ ZF คือความสามารถในการรับรู้โมเลกุลของ DNA หรือ RNA ที่มีความยาวต่างกันซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมในตอนแรกจึงถูกพิจารณาว่าเป็นปัจจัยการถอดเสียงเท่านั้น
โดยทั่วไปการรับรู้จะอยู่ที่บริเวณ 3bp ใน DNA และจะทำได้เมื่อโปรตีนที่มีโดเมน ZF นำเสนอเกลียวแอลฟาไปที่ร่องหลักของโมเลกุลดีเอ็นเอ
การจัดหมวดหมู่
มีลวดลาย ZF ที่แตกต่างกันซึ่งแตกต่างกันไปตามลักษณะของมันและการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกันที่เกิดจากพันธะประสานกับอะตอมของสังกะสี การจำแนกประเภทหนึ่งมีดังนี้:
ค
นี่เป็นบรรทัดฐานที่พบได้ทั่วไปใน ZF ลวดลาย C 2 H 2ส่วนใหญ่มีความเฉพาะเจาะจงสำหรับการมีปฏิสัมพันธ์กับ DNA และ RNA อย่างไรก็ตามมีการสังเกตว่ามีส่วนร่วมในปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนกับโปรตีน พวกมันมีกรดอะมิโนตกค้างระหว่าง 25 ถึง 30 ชนิดและพบได้ในกลุ่มโปรตีนควบคุมที่ใหญ่ที่สุดในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
โครงสร้างหลักของโดเมนนิ้วสังกะสี C2H2 รวมถึงพันธะที่ประสานไอออนสังกะสีและพื้นหลัง "มือและนิ้ว" (AngelHerraez จาก Wikimedia Commons)
ค
พวกมันทำปฏิกิริยากับ RNA และโปรตีนอื่น ๆ พวกเขาถูกมองว่าส่วนใหญ่เป็นส่วนหนึ่งของโปรตีน retrovirus capsid ซึ่งช่วยในการบรรจุ RNA ของไวรัสหลังจากการจำลองแบบ
ค
โปรตีนที่มีแม่ลายนี้เป็นเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการจำลองแบบและการถอดเสียงดีเอ็นเอ ตัวอย่างที่ดี ได้แก่ เอนไซม์ฟาจหยาบ T4 และ T7
ค
ZF ตระกูลนี้ประกอบด้วยปัจจัยการถอดความที่ควบคุมการแสดงออกของยีนที่สำคัญในเนื้อเยื่อจำนวนมากในระหว่างการพัฒนาเซลล์ ตัวอย่างเช่นปัจจัย GATA-2 และ 3 มีส่วนเกี่ยวข้องกับการสร้างเม็ดเลือด
ค
โดเมนเหล่านี้เป็นเรื่องปกติของยีสต์โดยเฉพาะโปรตีน GAL4 ซึ่งกระตุ้นการถอดรหัสยีนที่เกี่ยวข้องกับการใช้กาแลคโตสและเมลิไบโอส
นิ้วสังกะสี (C
โครงสร้างเฉพาะเหล่านี้มีโดเมนย่อย 2 ชนิดของ ZF (C 3 HC 4และ C 3 H 2 C 3 ) และมีอยู่ในโปรตีนจากสัตว์และพืชจำนวนมาก
พบในโปรตีนเช่น RAD5 ซึ่งเกี่ยวข้องกับการซ่อมแซมดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต นอกจากนี้ยังพบใน RAG1 ซึ่งจำเป็นสำหรับการกำหนดค่าอิมมูโนโกลบูลินใหม่
H
โดเมนของ ZF นี้ได้รับการอนุรักษ์อย่างสูงในกลุ่มของรีโทรไวรัสและรีโทรทรานสพอนส์ โดยการจับกับโปรตีนเป้าหมายจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง
คุณสมบัติ
โปรตีนที่มีโดเมน ZF มีวัตถุประสงค์หลายประการ: สามารถพบได้ในโปรตีนไรโบโซมหรือในอะแดปเตอร์การถอดเสียง นอกจากนี้ยังถูกตรวจพบว่าเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างของยีสต์ RNA polymerase II
ดูเหมือนว่าพวกเขาจะเกี่ยวข้องกับสภาวะสมดุลของสังกะสีภายในเซลล์และในการควบคุมการตายของเซลล์หรือการตายของเซลล์ตามโปรแกรม นอกจากนี้ยังมีโปรตีน ZF บางตัวที่ทำหน้าที่เป็นตัวละครในการพับหรือขนส่งโปรตีนอื่น ๆ
การจับตัวกับไขมันและมีบทบาทสำคัญในปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนกับโปรตีนก็เป็นหน้าที่ที่โดดเด่นของโดเมน ZF ในโปรตีนบางชนิด
ความสำคัญทางเทคโนโลยีชีวภาพ
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาความเข้าใจเชิงโครงสร้างและการทำงานของโดเมน ZF ทำให้เกิดความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการใช้ลักษณะเฉพาะเพื่อวัตถุประสงค์ทางเทคโนโลยีชีวภาพ
เนื่องจากโปรตีน ZF บางชนิดมีความจำเพาะสูงสำหรับโดเมนดีเอ็นเอบางชนิดจึงมีการลงทุนอย่างมากในการออกแบบ ZF ที่เฉพาะเจาะจงซึ่งสามารถให้ความก้าวหน้าอันมีค่าในการบำบัดด้วยยีนในมนุษย์
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพที่น่าสนใจยังเกิดจากการออกแบบโปรตีนด้วย ZF ที่ดัดแปลงพันธุกรรม ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ที่ต้องการสิ่งเหล่านี้สามารถแก้ไขได้โดยการเติมเปปไทด์นิ้ว "โพลีสังกะสี" ซึ่งสามารถรับรู้ลำดับดีเอ็นเอที่มีความสัมพันธ์และความจำเพาะสูง
การแก้ไขจีโนมที่ดัดแปลงด้วย Nuclease เป็นหนึ่งในแอปพลิเคชั่นที่มีแนวโน้มดีที่สุดในปัจจุบัน การแก้ไขประเภทนี้มีความเป็นไปได้ในการศึกษาเกี่ยวกับการทำงานของพันธุกรรมโดยตรงในระบบโมเดลที่สนใจ
พันธุวิศวกรรมโดยใช้นิวเคลียส ZF ที่ได้รับการดัดแปลงได้ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ในด้านการปรับปรุงพันธุกรรมของพืชที่มีความสำคัญทางพืชไร่ นิวคลีเอสเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อแก้ไขยีนภายนอกที่ก่อให้เกิดรูปแบบที่ต้านทานสารกำจัดวัชพืชในต้นยาสูบ
นิวคลีเอสที่มี ZF ยังถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มยีนในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โปรตีนที่เป็นปัญหาถูกนำมาใช้เพื่อสร้างชุดของเซลล์เมาส์ไอโซนิกที่มีชุดของอัลลีลที่กำหนดไว้สำหรับยีนภายนอก
กระบวนการดังกล่าวมีการประยุกต์ใช้โดยตรงในการติดแท็กและการสร้างรูปแบบอัลลิลิกใหม่เพื่อศึกษาโครงสร้างและความสัมพันธ์ของฟังก์ชันในเงื่อนไขดั้งเดิมของการแสดงออกและในสภาพแวดล้อมที่เป็นไอจีนิก
อ้างอิง
- เบิร์ก, JM (1990). โดเมนนิ้วสังกะสี: สมมติฐานและความรู้ปัจจุบัน การทบทวนชีวฟิสิกส์และเคมีชีวฟิสิกส์ประจำปี, 19 (39), 405–421
- Dreier, B. , Beerli, R. , Segal, D. , Flippin, J. , & Barbas, C. (2001). การพัฒนาโดเมนซิงก์ฟิงเกอร์เพื่อการจดจำลำดับดีเอ็นเอในตระกูล 5'-ANN-3 'และการใช้ในการสร้างปัจจัยการถอดเสียงเทียม เจบีซี, (54).
- Gamsjaeger, R. , Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M. , & Mackay, JP (2007) นิ้วเหนียว: นิ้วสังกะสีเป็นรูปแบบการจดจำโปรตีน แนวโน้มทางชีวเคมี, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). การค้นพบนิ้วมือสังกะสีและการประยุกต์ใช้ในการควบคุมยีนและการจัดการจีโนม การทบทวนชีวเคมีประจำปี, 79 (1), 213–231
- Kluska, K. , Adamczyk, J. และKrȩzel, A. (2017). คุณสมบัติการยึดโลหะของนิ้วสังกะสีกับไซต์การจับโลหะที่เปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติ Metallomics, 10 (2), 248–263.
- Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). สังกะสีฟิงเกอร์โปรตีน: ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับความหลากหลายของโครงสร้างและการทำงาน ความคิดเห็นปัจจุบันทางชีววิทยาโครงสร้าง, 11 (1), 39–46.
- Miller, J. , McLachlan, AD, & Klug, A. (1985) โดเมนที่มีผลผูกพันสังกะสีซ้ำ ๆ ในปัจจัยการถอดรหัสโปรตีน IIIA จากเซลล์ไข่ Xenopus วารสาร Trace Elements in Experimental Medicine, 4 (6), 1609–1614
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS และ Gregory, PD (2010) การแก้ไขจีโนมด้วยนิวคลีเอสนิ้วสังกะสีที่ออกแบบ Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646