miniatura|300px|dereita|Representación do motivo de dedo de cinc Cys2His2, que consta dunha hélice alfa e unha folla beta antiparalela. O ión cinc (en verde) está coordinado con dous residuos de histidina e dous de cisteína. miniatura|300px|dereita|Representación da proteína Zif268 (en azul), que contén tres dedos de cinc en complexo co ADN (en laranxa). Destacáronse os residuos de aminoácidos coordinados e os ións cinc (en verde).
Denomínase dedo de cinc a un pequeno motivo estrutural das proteínas, que se caracteriza por presentar unha coordinación dun ou máis ións cinc que estabilizan o pregamento. O termo foi acuñado orixinalmente para describir a aparencia de dedo dunha estrutura hipotetizada do factor de transcrición IIIA do anfibio Xenopus laevis, pero o nome dedo de cinc actualmente abrangue unha ampla variedade de estruturas proteicas.
As proteínas que conteñen dedos de cinc (proteínas dedos de cinc) clasifícanse en varias familias estruturais. A diferenza de moitas outras estruturas supersecundarias claramente definidas, como as grecas ou a forquita β, hai varios tipos distintos de dedos de cinc, cada un dos cales posúe a súa propia arquitectura tridimensional. Unha determinada clase de proteínas dedos de cinc está determinada pola súa estrutura tridimensional, pero tamén se pode recoñecer baseándose na estrutura primaria da proteína ou na identidade dos ligandos coordinados ao ión cinc. Porén, malia a gran variedade destas proteínas, a gran maioría funcionan tipicamente como módulos de interacción que se unen ao ADN, ARN, proteínas, ou outras pequenas e útiles moléculas, e as variacións na estrutura serven principalmente para alterar a especificidade de unión dunha determinada proteína.
Desde o seu descubrimento e a dilucidación das súas estruturas, estes módulos de interacción mostraron ser ubicuos no mundo biolóxico. Ademais, os dedos de cinc fixéronse moi útiles polas súas capacidades terapéuticas e para a investigación. A modificación por enxeñaría dos dedos de cinc para que teñan unha afinidade para unha secuencia específica é unha área en activa investigación, e as nucleases dedo de cinc e os factores de transcrición dedo de cinc son dúas das máis importantes aplicacións utilizadas ata agora.
Historia
Os dedos de cinc identificáronse por primeira vez no anfibio Xenopus laevis. Un estudo da transcrición dunha determinada secuencia de ARN revelou que a forza de unión dun pequeno factor de transcrición (o factor de transcrición IIIA) se debía á presenza de estruturas parecidas a dedos con cinc coordinado. O nome "dedo de cinc" foi proposto na posterior publicación deses traballos, na cal se realizou un detallado estudo desta estrutura. Posteriores traballos indicaron a presenza de dedos de cinc en moitas proteínas.
Dominio Os dominios dedos de cinc (Znf, zinc finger) son motivos proteicos relativamente pequenos, que conteñen múltiples protrusións de dedos de cinc que establecen contactos en tándem coas súas moléculas diana. Algúns destes dominios únense ao cinc, pero moitos non, senón que se unen a outros metais como o ferro, ou a non metais. Por exemplo, algúns membros da familia forman pontes salinas para estabilizar os pregmentos tipo dedos de cinc. Foron identificados primeiramente como motivos proteicos de unión ao ADN no factor de transcrición TFIIIA de Xenopus laevis, pero agora recoñécese que se unen ao ADN, ARN, proteínas e lípidos. As súas propiedades de unión dependen da secuencia de aminoácidos do dominio dedo e da parte que serve de enlace entre os dedos, ou das estruturas de orde máis elevado e do número de dedos. Os dominios Znf aparecen con frecuencia agrupados, e nestas agrupacións os dedos poden ter diferentes especificidades de unión. Hai moitas superfamilias de motivos Znf, que varían en secuencia e estrutura. Presentan considerable versatilidade nos seus modos de unión, mesmo entre membros da mesma clase (por exemplo, algúns únense ao ADN, outros a proteínas), o que suxire que os motivos Znf son armazóns estables que desenvolveron na evolución funcións especializadas. Por exemplo, as proteínas que conteñen dominios Znf funcionan na transcrición de xenes, tradución de proteínas, tráfico do ARNm, organización do citoesqueleto, desenvolvemento epitelial, adhesión celular, pregamento das proteínas, remodelación da cromatina e detección do cinc, entre outras funcións. Os motivos de unión ao cinc son estruturas estables, e raramente sofren cambios conformacionais ao unírense ás súas dianas.
Clases
Inicialmente, o termo dedo de cinc usábase só para describir os motivos de unión ao ADN que se encontraban en Xenopus laevis, pero agora denomínanse así diversas estruturas que presentan coordinación dun ión cinc. En xeral, os dedos de cinc coordinan ións cinc cunha combinación de residuos de cisteína e histidina. Orixinalmente, utilizouse o número e orde destes residuos para clasificar os diferentes tipos de dedos de cinc (por exemplo, Cys2His2, Cys4, e Cys6). Máis recentemente, está utilizándose un método máis sistemático para a clasificación das proteínas dedos de cinc. Este método clasifica as proteínas dedos de cinc en "grupos de pregamento" baseados na forma de conxunto do esqueleto proteico no dominio pregado. Os "grupos de pregamento" máis comúns de dedos de cinc son o de tipo Cys2His2 (que é o "dedo de cinc clásico"), a clave de sol (treble clef), e a fita de cinc.
A seguinte táboa mostra as distintas estruturas e as súas características fundamentais:
Grupo de pregamento Estrutura representativa Colocación do ligando Cys2His2 150px Dous ligandos forman un cotelo e dous máis forman o C-terminal da hélice. Cotelo Gag 150px Dous ligandos forman un cotelo e dous máis forman unha curta hélice ou bucle. Clave de sol (Treble clef) Dous ligandos forman un cotelo e dúas máis forman o N-terminal da hélice. Fita de cinc 150px Dous ligandos forman cadanseu cotelo. Zn2/Cys6 150px Dous ligandos forman o N-terminal da hélice e dous máis forman un bucle. Dominio tipo TAZ2 Dous ligandos forman o extremo terminal das dúas hélices.
Cys2His2
O grupo de pregamento de tipo Cys2His2 é con diferenza a clase mellor caracterizada de dedo de cinc e é moi común entre os factores de transcrición de mamíferos. Estes dominios adoptan un pregamento simple ββα e teñen a seguinte secuencia motivo de aminoácidos:
X2-Cys-X2,4-Cys-X12-His-X3,4,5-His
Esta clase de dedos de cinc pode ter diversas funcións como a unión ao ARN e mediar interaccións proteína-proteína, pero é mellor coñecida polo seu papel en proteínas que se unen ao ADN con especificidade de secuencia como Zif268 (Egr1). En tales proteínas, os dominios dedos de cinc aparecen como repeticións en tándem con dous, tres ou máis dedos formando o dominio de unión ao ADN da proteína. Estas series en tándem poden unirse ao suco maior do ADN e están tipicamente espazadas a intervalos de 3 pares de bases. A hélice α de cada dominio (a miúdo chamada a "hélice de recoñecemento") pode establecer contactos específicos de secuencia con bases do ADN; e residuos dunha soa hélice de recoñecemento poden contactar con 4 bases ou máis para orixinar un patrón de contactos solapados con dedos de cinc adxacentes.
Cotelo Gag
O grupo de pregamento cotelo gag (gag knuckle) defínese por ter dúas curtas cadeas β conectadas por un xiro (cotelo de cinc) seguidas por unha curta hélice ou bucle e lembra ao motivo clásico Cys2His2 cunha gran porción da hélice e a forquita β truncadas.
A proteína da nucleocápside retroviral (NC) do VIH e outros retrovirus similares son exemplos de proteínas que presentan este motivo. O dedo de cinc cotelo gag da proteína NC do VIH é a diana dun tipo de drogas coñecidas como inhibidores de dedos de cinc.
Clave de sol
O motivo clave de sol (treble-clef) consta dunha forquita β no extremo N-terminal e unha hélice α no extremo C-terminal, que contribúen cada un con dous ligandos para a unión dos dedos de cinc, aínda que poden estar presentes tamén un bucle e unha segunda forquita β de lonxitude e conformación variables entre a forquita β N-terminal e a hélice α C-terminal. Estes dedos están presentes en diversos grupos de proteínas que frecuentemente non comparten secuencia ou similitude funcional entre si. As proteínas mellor caracterizadas que conteñen dedos de cinc clave de sol son os receptores nucleares de hormonas.
Fita de cinc
O pregamento fita de cinc (zinc ribbon) caracterízase por ter dúas forquitas β que forman dous subsitios de unión ao cinc estruturalmente semellantes.
Zn2/Cys6
Os membros canónicos desta clase conteñen un clúster de cinc binuclear no cal se unen dous ións cinc a seis residuos de cisteína. Estes dedos de cinc poden atoparse en varios factores de transcrición como na proteína de lévedos Gal4.
Aplicacións
Poden utilizarse varias técnicas de enxeñaría de proteínas para alterar a especificidade da unión ao ADN dos dedos de cinc Pabo CO, Peisach E, Grant RA (2001). "Design Andselection Ofnovelcys2His2Zincfingerproteins". Annual Review of Biochemistry 70: 313–340. doi 10.1146/annurev.biochem.70.1.313. PMID 11395410. e poden usarse repeticións en tándem deses dedos de cinc producidos por enxeñaría para que se unan a unha secuencia de ADN desexada.Jamieson AC, Miller JC, Pabo CO (2003). "Drug discovery with engineered zinc-finger proteins". Nature Reviews Drug Discovery 2 (5): 361–368. doi:10.1038/nrd1087. PMID 12750739. Fusionando un segundo dominio proteico, como pode ser un activador transcricional ou un represor, a unha serie de dedos de cinc producidos por enxeñaría que se unan preto do promotor dun xene dado pódese alterar a transcrición dese xene. As fusións entre series ou matrices (arrays) de dedos de cinc producidos por enxeñaría e dominios proteicos que clivan ou modifican dalgún outro modo ao ADN poden usarse para afectar ás actividades de determinados loci xenómicos. As aplicacións máis comúns das matrices de dedos de cinc producidos por enxañaría inclúen os factores de transcrición dedo de cinc e as nucleases dedo de cinc, pero foron descritas outras aplicacións. As matrices de dedos de cinc típicas producidas por enxeñaría teñen entre 3 e 6 motivos de dedos de cinc e únense a sitios diana que van de 9 a 18 pares de bases de longo. As que teñen 6 motivos de dedo de cinc son particularmente interesantes porque se unen a un sitio diana que é dabondo longo como para que haxa unha alta probabilidade de que sexa único nun xenoma de mamífero.
Nucleases dedo de cinc
As matrices de dedos de cinc producidas por enxeñaría fusiónanse frecuentemente cun dominio de clivaxe do ADN (xeralmente o dominio de clivaxe FokI) para xerar nucleases dedo de cinc. Estas fusións dedo de cinc-FokI convertéronse en reactivos útiles para manipular os xenomas de moitos organismos superiores como Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans, tabaco, millo, peixe cebra, e varios tipos de células de mamíferos, e ratas. Pódese tomar como diana unha rotura da dobre hélice dun locus xenómico determinado para introducir mutacións de cambio da pauta de lectura na secuencia codificante dun xene debido á tendencia ao erro da vía de reparación do ADN non homólogo. Se utilizamos tamén unha "secuencia doante" de ADN homólogo o locus xenómico pode converterse nunha secuencia definida por medio da vía de reparación dirixida á homoloxía. Estanse a realizar ensaios clínicos para avaliar as nucleases dedo de cinc que rompen o xene CCR5 nas células T CD4+ humanas como un posible tratamento para a SIDA.
Métodos de enxeñaría de dedos de cinc