นิ้วสังกะสี
นิ้วสังกะสี (Zinc finger ) เป็น โครงสร้างโปรตีน ขนาดเล็กที่มีลักษณะเฉพาะคือการประสานงานของไอออนสังกะสี (Zn 2+ ) หนึ่งตัวหรือมากกว่า ซึ่งช่วยให้โครงสร้างพับตัวมีความเสถียร คำว่านิ้วสังกะสีถูกบัญญัติขึ้นครั้งแรกเพื่ออธิบายลักษณะคล้ายนิ้วของโครงสร้างที่คาดการณ์ไว้จากปัจจัยการถอดรหัส IIIA ของ กบเล็บแอฟริกัน ( Xenopus laevis ) อย่างไรก็ตาม พบว่าครอบคลุมโครงสร้างโปรตีนที่แตกต่างกันหลากหลายในเซลล์ยูคาริโอต[ 1 ] ปัจจัยการถอดรหัส IIIA ของ Xenopus laevisได้รับการพิสูจน์ครั้งแรกว่ามีสังกะสีและต้องการโลหะนี้เพื่อการทำงานในปี 1983 ซึ่งเป็นความต้องการสังกะสีครั้งแรกที่รายงานสำหรับโปรตีนควบคุมยีน[ 2 ] [ 3 ]ตามมาด้วย ปัจจัย KrüppelในDrosophila ในเวลาต่อ มา[ 4 ]มักปรากฏเป็นโดเมนที่จับกับโลหะในโปรตีนหลายโดเมน[ 3 ]
โปรตีนที่มีโครงสร้างนิ้วสังกะสี ( โปรตีนนิ้วสังกะสี ) ถูกจัดจำแนกออกเป็นหลายตระกูลโครงสร้าง แตกต่างจากโครงสร้างทุติยภูมิ ที่ชัดเจนอื่นๆ เช่น โครงสร้าง แบบกุญแจกรีกหรือโครงสร้างแบบกิ๊บหนีบเบต้าโปรตีนนิ้วสังกะสีมีหลายประเภท แต่ละประเภทมีสถาปัตยกรรมสามมิติที่เป็นเอกลักษณ์ ประเภทของโปรตีนนิ้วสังกะสีจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างสามมิติ แต่ก็สามารถจำแนกได้จากโครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีนหรือชนิดของลิแกนด์ที่ประสานกับไอออนสังกะสี อย่างไรก็ตาม แม้ว่าโปรตีนเหล่านี้จะมีหลากหลายมาก แต่ส่วนใหญ่มักทำหน้าที่เป็นโมดูลปฏิสัมพันธ์ที่จับกับDNA , RNA , โปรตีน หรือโมเลกุลขนาดเล็กที่มีประโยชน์อื่นๆ และความแตกต่างในโครงสร้างส่วนใหญ่มีไว้เพื่อเปลี่ยนแปลงความจำเพาะในการจับของโปรตีนนั้นๆ
นับตั้งแต่การค้นพบครั้งแรกและการอธิบายโครงสร้างของโมดูลปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ โมดูลเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าแพร่หลายในโลกชีวภาพและอาจพบได้ในยีน 3% ของจีโนมมนุษย์[ 5 ] นอกจากนี้ นิ้วสังกะสียังมีประโยชน์อย่างมากในด้านการรักษาและการวิจัยต่างๆ การออกแบบนิ้วสังกะสีให้มีความสัมพันธ์กับลำดับเฉพาะเป็นพื้นที่ของการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ และนิวคลีเอสนิ้วสังกะสีและปัจจัยการถอดรหัสนิ้วสังกะสีเป็นสองในแอปพลิเคชันที่สำคัญที่สุดที่เกิดขึ้นจนถึงปัจจุบัน
ประวัติศาสตร์
นิ้วสังกะสีถูกค้นพบครั้งแรกในการศึกษาการถอดรหัสในกบเล็บแอฟริกัน Xenopus laevisในห้องปฏิบัติการของAaron Klugการศึกษาการถอดรหัสของลำดับ RNA เฉพาะเผยให้เห็นว่าความแข็งแรงในการจับของปัจจัยการถอดรหัส ขนาดเล็ก (ปัจจัยการถอดรหัส IIIA; TFIIIA) เกิดจากการมีโครงสร้างคล้ายนิ้วที่ประสานกับสังกะสี[ 6 ]การจัดลำดับกรดอะมิโนของ TFIIIA เผยให้เห็นลำดับแบบเรียงต่อกันเก้าลำดับของกรดอะมิโน 30 ตัว รวมถึงคู่ของซิสเทอีนและฮิสติดีนที่ไม่เปลี่ยนแปลงสองคู่โครงสร้างละเอียดของการดูดซับรังสีเอกซ์แบบขยายยืนยันเอกลักษณ์ของลิแกนด์สังกะสี: ซิสเทอีนสองตัวและฮิสติดีนสองตัว[ 5 ]ลูปการจับ DNA ที่เกิดจากการประสานของลิแกนด์เหล่านี้โดยสังกะสีนั้นคิดว่ามีลักษณะคล้ายนิ้ว จึงเป็นที่มาของชื่อนี้[ 1 ] ไม่นานหลังจากนั้น ทีมงานของ Schuh ก็ได้ค้นพบ ปัจจัย KrüppelในDrosophila ในปี 1986 [ 4 ]งานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับการจำแนกลักษณะของโปรตีนในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ได้เผยให้เห็นถึงความสำคัญของไอออนสังกะสีในการทำให้พอลิเปปไทด์มีเสถียรภาพ[ 7 ] [ 8 ]
โครงสร้างผลึกของสารประกอบซิงค์ฟิงเกอร์-ดีเอ็นเอที่ได้รับการแก้ไขในปี 1991 และ 1993 เผยให้เห็นรูปแบบมาตรฐานของการโต้ตอบของซิงค์ฟิงเกอร์กับดีเอ็นเอ[ 9 ] [ 10 ]พบว่าการจับของซิงค์ฟิงเกอร์นั้นแตกต่างจากโปรตีนที่จับกับดีเอ็นเออื่นๆ จำนวนมากที่จับกับดีเอ็นเอผ่านสมมาตร 2 เท่าของเกลียวคู่ แต่ซิงค์ฟิงเกอร์จะเชื่อมต่อกันเป็นเส้นตรงเพื่อจับกับลำดับกรดนิวคลีอิกที่มีความยาวแตกต่างกัน[ 5 ] ซิงค์ฟิงเกอร์มักจะจับกับลำดับดีเอ็นเอที่เรียกว่าGC box [ 11 ]ลักษณะที่เป็นโมดูลาร์ของโมทีฟซิงค์ฟิงเกอร์ช่วยให้สามารถจับกับลำดับดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอได้หลายชุดด้วยความสัมพันธ์และความจำเพาะสูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบโปรตีนที่สามารถกำหนดเป้าหมายและจับกับลำดับดีเอ็นเอที่เฉพาะเจาะจงได้ ในปี 1994 พบว่าโปรตีนสามนิ้วที่สร้างขึ้นโดยเทียมสามารถยับยั้งการแสดงออกของยีนก่อมะเร็งในเซลล์หนูได้ ซิงค์ฟิงเกอร์ที่หลอมรวมกับโดเมนตัวกระตุ้นอื่นๆ หลายชนิด ซึ่งบางชนิดมีความสำคัญต่อการรักษา ได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว[ 5 ]
ความสำคัญของมันนั้นถึงขนาดที่ "โมทีฟนิ้วสังกะสี" ได้รับการอ้างถึงในภูมิหลังทางวิทยาศาสตร์ของรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำ ปี 2024 (มอบให้แก่David Baker , Demis HassabisและJohn M. Jumperสำหรับการออกแบบโปรตีนเชิงคำนวณและการทำนายโครงสร้างโปรตีน) [ 12 ]
โดเมน
โดเมนซิงค์ฟิงเกอร์ (Znf) เป็น โมทีฟโปรตีนขนาดเล็กที่มีส่วนยื่นคล้ายนิ้วหลายอันซึ่งสร้างการสัมผัสแบบต่อเนื่องกับโมเลกุลเป้าหมาย โดเมนเหล่านี้บางส่วนจับกับสังกะสี แต่หลายส่วนไม่จับกับสังกะสี แต่จับกับโลหะอื่นๆ เช่น เหล็ก หรือไม่จับกับโลหะเลย ตัวอย่างเช่น สมาชิกในตระกูลบางตัวสร้างพันธะเกลือเพื่อทำให้โครงสร้างคล้ายนิ้วมีความเสถียร โดเมนเหล่านี้ถูกระบุครั้งแรกว่าเป็นโมทีฟที่จับกับ DNA ในปัจจัยการถอดรหัส TFIIIA จากXenopus laevis (กบเล็บแอฟริกัน) อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันเป็นที่ยอมรับว่าสามารถจับกับ DNA, RNA, โปรตีน และ/หรือสารตั้งต้นไขมัน ได้[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]คุณสมบัติการจับของโดเมนเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลำดับกรดอะมิโนของโดเมนนิ้วและตัวเชื่อมระหว่างนิ้ว รวมถึงโครงสร้าง ลำดับสูง และจำนวนนิ้ว โดเมน Znf มักพบเป็นกลุ่ม โดยที่นิ้วแต่ละนิ้วอาจมีคุณสมบัติการจับที่แตกต่างกัน ลวดลาย Znf พบได้ในซูเปอร์แฟมิลีโปรตีน ที่ไม่เกี่ยวข้องกันหลาย กลุ่ม โดยมีความแตกต่างกันทั้งในลำดับและโครงสร้าง ลวดลายเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความหลากหลายอย่างมากในรูปแบบการจับ แม้กระทั่งระหว่างสมาชิกในกลุ่มเดียวกัน (เช่น บางชนิดจับกับ DNA บางชนิดจับกับโปรตีน) ซึ่งบ่งชี้ว่าลวดลาย Znf เป็นโครงสร้างที่มั่นคงซึ่งได้วิวัฒนาการมาเพื่อทำหน้าที่เฉพาะทาง ตัวอย่างเช่น โปรตีนที่มี Znf ทำหน้าที่ในการถอดรหัสยีน การแปลรหัส การขนส่ง mRNA การจัดระเบียบโครงร่าง เซลล์ การพัฒนา เยื่อ บุผิวการยึดเกาะของเซลล์การพับโปรตีน การปรับโครงสร้าง โครมาตินและการรับรู้สังกะสี เป็นต้น[ 18 ]ลวดลายที่จับกับสังกะสีเป็นโครงสร้างที่มั่นคง และแทบจะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเมื่อจับกับเป้าหมาย
ชั้นเรียน
เดิมที คำว่า zinc finger ถูกใช้เพื่ออธิบายเฉพาะโมทีฟการจับกับ DNA ที่พบในXenopus laevisเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันคำนี้ถูกใช้เพื่ออ้างถึงโครงสร้างจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับการประสานงานของไอออนสังกะสี โดยทั่วไปแล้ว zinc finger จะประสานงานไอออนสังกะสีด้วยการรวมกันของ หมู่ ซิสเทอีนและฮิสติดีนเดิมที จำนวนและลำดับของหมู่เหล่านี้ถูกใช้เพื่อจำแนกประเภทของ zinc finger ที่แตกต่างกัน (เช่น Cys His , Cys และ Cys ) เมื่อไม่นานมานี้ มีการใช้วิธีการที่เป็นระบบมากขึ้นในการจำแนกโปรตีน zinc finger แทน วิธีนี้จำแนกโปรตีน zinc finger ออกเป็น "กลุ่มพับ" โดยพิจารณาจากรูปร่างโดยรวมของโครงสร้างหลักของโปรตีนในโดเมนที่พับแล้ว "กลุ่มพับ" ที่พบบ่อยที่สุดของ zinc finger คือ Cys His -like ("zinc finger แบบคลาสสิก"), treble clef และ zinc ribbon [ 19 ]
ตารางต่อไปนี้[ 19 ]แสดงโครงสร้างที่แตกต่างกันและคุณลักษณะสำคัญ:
| โฟลด์กรุ๊ป | โครงสร้างตัวแทน | การจัดวางลิแกนด์ |
|---|---|---|
| ซิสฮิส |  | ลิแกนด์สองตัวจากข้อต่อกระดูก และอีกสองตัวจากปลายด้านซีของเกลียว |
| ข้อต่อกระดูกนิ้วมือ |  | ลิแกนด์สองตัวจากข้อต่อกระดูก และอีกสองตัวจากเกลียวหรือห่วงสั้นๆ |
| กุญแจเสียงสูง | ลิแกนด์สองตัวจากข้อต่อกระดูก และอีกสองตัวจากปลายN-terminusของเกลียว | |
| ริบบิ้นสังกะสี |  | ลิแกนด์สองตัวจากข้อต่อสองข้อ |
| Zn /Cys |  | ลิแกนด์สองตัวจากปลาย N ของเกลียว และอีกสองตัวจากห่วง |
| โดเมน TAZ2 เช่น | ลิแกนด์สองตัวจากปลายของเกลียวสองอัน |
ซิสฮิส
| ซิงค์ฟิงเกอร์ ชนิด C2H2 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ตัวระบุ | |||||||
| เครื่องหมาย | zf-C2H2 | ||||||
| พีแฟม | PF00096 | ||||||
| ตระกูลพีแฟม | ซีแอล0361 | ||||||
| อีโคด | 386.1.1 | ||||||
| อินเตอร์โปร | IPR007087 | ||||||
| โปรไซต์ | PS00028 | ||||||
| |||||||
กลุ่มพับแบบ Cys His (C2H2) เป็นกลุ่มนิ้วสังกะสีที่มีลักษณะเฉพาะมากที่สุด และพบได้ทั่วไปในปัจจัยการถอดรหัสของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดเมนดังกล่าวใช้โครงสร้างพับ ββα ที่เรียบง่ายและมีลำดับกรดอะมิโนเป็นโมทีฟ : [ 20 ]
- X -Cys-X -Cys-X -His-X -His
โปรตีนกลุ่มซิงค์ฟิงเกอร์นี้มีหน้าที่หลากหลาย เช่น การจับกับ RNA และการเป็นตัวกลางในการสื่อสารระหว่างโปรตีน แต่เป็นที่รู้จักกันดีที่สุดในบทบาทของมันในโปรตีนที่จับกับ DNA อย่างจำเพาะเจาะจง เช่นZif268 (Egr1) ในโปรตีนเหล่านี้ โดเมนซิงค์ฟิงเกอร์แต่ละโดเมนมักจะเรียงตัวซ้ำกันเป็นแถว โดยมีสอง สาม หรือมากกว่านั้นประกอบกันเป็นโดเมนที่จับกับ DNA ของโปรตีน แถวที่เรียงตัวซ้ำกันนี้สามารถจับกับร่องหลักของ DNA และโดยทั่วไปจะเว้นระยะห่างกันที่ 3 คู่เบส เกลียวอัลฟาของแต่ละโดเมน (มักเรียกว่า "เกลียวการจดจำ") สามารถสร้างการสัมผัสกับเบสของ DNA อย่างจำเพาะเจาะจงได้ โดยสารตกค้างจากเกลียวการจดจำเดียวสามารถสัมผัสกับเบสสี่ตัวขึ้นไป ทำให้เกิดรูปแบบการสัมผัสที่ทับซ้อนกันกับซิงค์ฟิงเกอร์ที่อยู่ติดกัน ในทางกลับกัน พบว่าสายเบต้าทั้งสองมีปฏิสัมพันธ์กับตัวควบคุมร่วม เช่น คอมเพล็กซ์ Zincore ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นการถอดรหัส[ 21 ]หรือ Cereblon (CRBN) ซึ่งร่วมกับอะนาล็อกของทาลิโดไมด์ สามารถย่อยสลายโปรตีนที่มี C2H2 ซึ่งก่อนหน้านี้ถือว่า 'ไม่สามารถใช้ยาได้' [ 22 ]
ข้อต่อกระดูกนิ้วมือ
| ข้อต่อสังกะสี | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ตัวระบุ | |||||||
| เครื่องหมาย | zf-CCHC | ||||||
| พีแฟม | PF00098 | ||||||
| อินเตอร์โปร | IPR001878 | ||||||
| ปราดเปรื่อง | SM00343 | ||||||
| โปรไซต์ | พีเอส50158 | ||||||
| |||||||
กลุ่มโครงสร้างพับนี้ถูกกำหนดโดยสายเบต้าสั้นสองสายที่เชื่อมต่อกันด้วยการหักงอ (ข้อต่อสังกะสี) ตามด้วยเกลียวหรือห่วงสั้น ๆ และมีลักษณะคล้ายกับโมทีฟ Cys His แบบคลาสสิก โดยส่วนใหญ่ของเกลียวและเบต้าแฮร์พินถูกตัดทอน
โปรตีนนิวคลีโอแคปซิด (NC) ของไวรัสเรโทรไวรัสจากเชื้อเอชไอวีและไวรัสเรโทรไวรัสอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง เป็นตัวอย่างของโปรตีนที่มีลวดลายเหล่านี้ ส่วนซิงค์ฟิงเกอร์แบบแกก-นัคเคิลในโปรตีน NC ของเชื้อเอชไอวี เป็นเป้าหมายของยาประเภทหนึ่งที่เรียกว่าสารยับยั้งซิงค์ฟิงเกอร์
กุญแจเสียงสูง
โครงสร้างรูปกุญแจเสียงสูงประกอบด้วยเบต้าแฮร์พินที่ปลายด้าน N และอัลฟาเฮลิกซ์ที่ปลายด้าน C ซึ่งแต่ละส่วนมีส่วนช่วยในการจับกับสังกะสีสองตัว แม้ว่าอาจมีลูปและเบต้าแฮร์พินที่สองที่มีความยาวและรูปร่างแตกต่างกันอยู่ระหว่างเบต้าแฮร์พินที่ปลายด้าน N และอัลฟาเฮลิกซ์ที่ปลายด้าน C ก็ตาม นิ้วสังกะสีรูปกุญแจเสียงสูงเหล่านี้พบได้ในโปรตีนหลากหลายกลุ่มซึ่งมักไม่มีความคล้ายคลึงกันในลำดับหรือหน้าที่การทำงาน โปรตีนที่มีโครงสร้างนิ้วสังกะสีรูปกุญแจเสียงสูงที่ได้รับการศึกษาอย่างดีที่สุดคือตัวรับฮอร์โมนนิวเคลียร์
ริบบิ้นสังกะสี
| การจับสังกะสีของ TFIIB | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ตัวระบุ | |||||||
| เครื่องหมาย | ริบบิ้น TF_Zn | ||||||
| พีแฟม | PF08271 | ||||||
| ตระกูลพีแฟม | ซีแอล0167 | ||||||
| อีโคด | 375.1.1 | ||||||
| อินเตอร์โปร | IPR013137 | ||||||
| โปรไซต์ | พีเอส51134 | ||||||
| |||||||
โครงสร้างแบบริบบิ้นสังกะสีมีลักษณะเฉพาะคือมีเบต้าแฮร์พินสองอันที่ก่อตัวเป็นบริเวณย่อยสำหรับจับสังกะสีที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกันสองแห่ง
Zn /Cys
| โดเมนคลัสเตอร์ไบนิวเคลียร์ Zn(2)-Cys(6) ของเชื้อรา | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ตัวระบุ | |||||||
| เครื่องหมาย | Zn_clus | ||||||
| พีแฟม | PF00172 | ||||||
| อินเตอร์โปร | IPR001138 | ||||||
| ปราดเปรื่อง | กัล4 | ||||||
| โปรไซต์ | พีเอส00463 | ||||||
| ซีดีดี | ซีดี00067 | ||||||
| |||||||
สมาชิกหลักของกลุ่มนี้ประกอบด้วยคลัสเตอร์สังกะสีแบบสองนิวเคลียส ซึ่งไอออนสังกะสีสองไอออนถูกยึดไว้ด้วย หมู่ซิ สเทอีน หก หมู่ โครงสร้างแบบนิ้วสังกะสีนี้พบได้ในปัจจัยการถอดรหัสหลายชนิด รวมถึงโปรตีนGal4 ของยีสต์
| zf-C2HC | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 โครงสร้างสารละลายของโดเมน cchhc ของปัจจัยซิงค์ฟิงเกอร์ประสาท-1 | |||||||
| ตัวระบุ | |||||||
| เครื่องหมาย | zf-C2HC | ||||||
| พีแฟม | PF01530 | ||||||
| อินเตอร์โปร | IPR002515 | ||||||
| |||||||
| zf-C2HC5 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ตัวระบุ | |||||||
| เครื่องหมาย | zf-C2HC5 | ||||||
| พีแฟม | PF06221 | ||||||
| อินเตอร์โปร | IPR009349 | ||||||
| |||||||
เบ็ดเตล็ด
โปรตีนต้านไวรัสซิงค์ฟิงเกอร์(ZAPจับกับไซต์ CpG ใช้ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเพื่อป้องกันไวรัส [ 23 ] [ 24 ]
แอปพลิเคชัน
เทคนิค ทางวิศวกรรมโปรตีนต่างๆสามารถนำมาใช้เพื่อเปลี่ยนแปลงความจำเพาะในการจับ DNA ของซิงค์ฟิงเกอร์[ 20 ]และการทำซ้ำแบบต่อเนื่องของซิงค์ฟิงเกอร์ที่ได้รับการออกแบบดังกล่าวสามารถใช้เพื่อกำหนดเป้าหมายลำดับ DNA จีโนมที่ต้องการได้[ 25 ] การรวมโดเมนโปรตีนที่สอง เช่น ตัวกระตุ้นหรือตัวยับยั้งการถอดรหัส เข้ากับอาร์เรย์ของซิงค์ฟิงเกอร์ที่ได้รับการออกแบบซึ่งจับใกล้กับโปรโมเตอร์ของยีนที่กำหนด สามารถใช้เพื่อเปลี่ยนแปลงการถอดรหัสของยีนนั้นได้[ 25 ]การรวมกันระหว่างอาร์เรย์ซิงค์ฟิงเกอร์ที่ได้รับการออกแบบและโดเมนโปรตีนที่ตัดหรือดัดแปลง DNA อื่นๆ สามารถใช้เพื่อกำหนดเป้าหมายกิจกรรมเหล่านั้นไปยังตำแหน่งจีโนมที่ต้องการได้เช่นกัน [ 25 ] การใช้งานที่พบบ่อยที่สุดสำหรับอาร์เรย์ซิงค์ฟิงเกอร์ที่ได้รับการออกแบบได้แก่ปัจจัยการ ถอดรหัสซิงค์ฟิงเกอร์และนิวคลีเอสซิงค์ฟิงเกอร์แต่ก็มีการอธิบายการใช้งานอื่นๆ ด้วยเช่นกัน อาร์เรย์ซิงค์ฟิงเกอร์ที่ได้รับการออกแบบโดยทั่วไปจะมีโมทีฟซิงค์ฟิงเกอร์แต่ละตัวระหว่าง 3 ถึง 6 ตัว และจับกับไซต์เป้าหมายที่มีความยาวตั้งแต่ 9 คู่เบสถึง 18 คู่เบส อาร์เรย์ที่มีโมทีฟนิ้วสังกะสี 6 อันนั้นน่าสนใจเป็นพิเศษเพราะจับกับไซต์เป้าหมายที่มีความยาวเพียงพอที่จะมีโอกาสสูงที่จะเป็นเอกลักษณ์ในจีโนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม[ 26 ]
นิวคลีเอสแบบซิงค์ฟิงเกอร์
อาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่ได้รับการออกแบบมักจะถูกหลอมรวมเข้ากับโดเมนการตัด DNA (โดยปกติคือโดเมนการตัดของFokI ) เพื่อสร้างนิวคลีเอส นิ้วสังกะสี การหลอมรวมนิ้วสังกะสี-FokI ดังกล่าวได้กลายเป็นสารรีเอเจนต์ที่มีประโยชน์สำหรับการจัดการจีโนมของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงหลายชนิด รวมถึงDrosophila melanogaster , Caenorhabditis elegans , ยาสูบ , ข้าวโพด , [ 27 ]ปลาซีบราฟิช , [ 28 ]เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายชนิด, [ 29 ] และหนู[ 30 ] การกำหนดเป้าหมายการแตกของสายคู่ไปยังตำแหน่งจีโนมที่ต้องการสามารถใช้เพื่อแนะนำการกลายพันธุ์แบบเลื่อนเฟรมเข้าไปในลำดับการเข้ารหัสของยีนเนื่องจากลักษณะที่ผิดพลาดได้ง่ายของเส้นทางการซ่อมแซม DNA ที่ไม่เหมือนกัน หากใช้ "ลำดับผู้บริจาค" DNA ที่เหมือนกันด้วย ตำแหน่งจีโนมสามารถแปลงเป็นลำดับที่กำหนดได้ผ่านทางเส้นทางการซ่อมแซมที่กำกับโดยความเหมือนกัน การทดลองทางคลินิกที่กำลังดำเนินอยู่กำลังประเมินนิวคลีเอสซิงค์ฟิงเกอร์ที่ขัดขวางยีน CCR5 ในเซลล์ T ของมนุษย์ CD4+ เพื่อเป็นแนวทางการรักษาที่มีศักยภาพสำหรับHIV/AIDS [ 31 ]
วิธีการออกแบบอาร์เรย์นิ้วสังกะสี
อาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่ได้รับการออกแบบส่วนใหญ่มีพื้นฐานมาจากโดเมนนิ้วสังกะสีของปัจจัยการถอดรหัส Zif268 ของหนู แม้ว่าบางกลุ่มจะใช้อาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่มีพื้นฐานมาจากปัจจัยการถอดรหัส SP1 ของมนุษย์ก็ตาม Zif268 มีโมทีฟนิ้วสังกะสีสามโมทีฟที่รวมกันจับกับลำดับ 9 bp ด้วยความสัมพันธ์สูง[ 32 ]โครงสร้างของโปรตีนนี้ที่จับกับ DNA ได้รับการไขปริศนาในปี 1991 [ 9 ]และกระตุ้นให้เกิดการวิจัยมากมายเกี่ยวกับอาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่ได้รับการออกแบบ ในปี 1994 และ 1995 กลุ่มจำนวนหนึ่งใช้การแสดงผลฟาจเพื่อเปลี่ยนแปลงความจำเพาะของนิ้วสังกะสีเดี่ยวของ Zif268 [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]ปัจจุบันมีวิธีการหลักสองวิธีที่ใช้ในการสร้างอาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่ได้รับการออกแบบ ได้แก่ การประกอบแบบโมดูลาร์และระบบการคัดเลือกแบคทีเรีย และมีการถกเถียงกันว่าวิธีใดเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่[ 37 ] [ 38 ]
วิธีที่ตรงไปตรงมาที่สุดในการสร้างอาร์เรย์นิ้วสังกะสีใหม่คือการรวม "โมดูล" นิ้วสังกะสีขนาดเล็กที่มีความจำเพาะที่ทราบแล้ว โครงสร้างของโปรตีนนิ้วสังกะสี Zif268 ที่จับกับ DNA ที่อธิบายโดย Pavletich และ Pabo ในสิ่งพิมพ์ปี 1991 ของพวกเขาเป็นกุญแจสำคัญในงานนี้เป็นอย่างมาก และอธิบายแนวคิดของการได้รับนิ้วสำหรับแต่ละคู่เบสสามคู่ที่เป็นไปได้ 64 แบบ จากนั้นผสมและจับคู่นิ้วเหล่านี้เพื่อออกแบบโปรตีนที่มีความจำเพาะต่อลำดับที่ต้องการ[ 9 ] กระบวนการประกอบโมดูลาร์ที่พบได้บ่อยที่สุดเกี่ยวข้องกับการรวมนิ้วสังกะสีที่แยกจากกันซึ่งแต่ละนิ้วสามารถจดจำลำดับ DNA 3 คู่เบสได้ เพื่อสร้างอาร์เรย์ 3 นิ้ว 4 นิ้ว 5 นิ้ว หรือ 6 นิ้ว ที่จดจำไซต์เป้าหมายที่มีความยาวตั้งแต่ 9 คู่เบสถึง 18 คู่เบส อีกวิธีหนึ่งใช้โมดูล 2 นิ้วเพื่อสร้างอาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่มีนิ้วสังกะสีแต่ละตัวได้มากถึงหกนิ้ว[ 27 ]ห้องปฏิบัติการ Barbas ของสถาบันวิจัย Scripps ใช้การแสดงผลฟาจเพื่อพัฒนาและกำหนดลักษณะของโดเมนนิ้วสังกะสีที่รู้จักลำดับสามตัวอักษร DNA ส่วนใหญ่[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]ในขณะที่อีกกลุ่มหนึ่งแยกและกำหนดลักษณะของนิ้วแต่ละนิ้วจากจีโนมมนุษย์[ 42 ]ข้อเสียที่อาจเกิดขึ้นจากการประกอบแบบโมดูลาร์โดยทั่วไปคือ ความจำเพาะของนิ้วสังกะสีแต่ละนิ้วอาจทับซ้อนกันและอาจขึ้นอยู่กับบริบทของนิ้วสังกะสีและ DNA ที่อยู่รอบข้าง การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าอาร์เรย์นิ้วสังกะสี 3 นิ้วจำนวนมากที่สร้างขึ้นโดยการประกอบแบบโมดูลาร์ล้มเหลวในการจับเป้าหมายที่ตั้งใจไว้ด้วยความสัมพันธ์ที่เพียงพอในการทดสอบแบบสองไฮบริดของแบคทีเรียและล้มเหลวในการทำงานเป็นนิวคลีเอสนิ้วสังกะสีแต่มีอัตราความสำเร็จค่อนข้างสูงกว่าเมื่อกำหนดเป้าหมายไปยังไซต์ในรูปแบบ GNNGNNGNN [ 43 ]ความก้าวหน้าล่าสุดในการออกแบบอาร์เรย์นิ้วสังกะสีคือ ZFDesign ซึ่งเป็นวิธีการเรียนรู้เชิงลึกที่ช่วยให้สามารถออกแบบโปรตีน ZF ได้อย่างแม่นยำเพื่อการควบคุมยีนอย่างแม่นยำในฐานะนิวคลีเอส ตัวกระตุ้น หรือตัวยับยั้ง[ 44 ]
การศึกษาครั้งต่อมาใช้การประกอบแบบโมดูลาร์เพื่อสร้างนิวคลีเอสนิ้วสังกะสีด้วยอาร์เรย์ 3 นิ้วและอาร์เรย์ 4 นิ้ว และพบว่าอัตราความสำเร็จสูงกว่ามากเมื่อใช้อาร์เรย์ 4 นิ้ว[ 45 ] นอกจากนี้ยังมีการรายงานรูปแบบการประกอบแบบโมดูลาร์ที่คำนึงถึงบริบทของนิ้วที่อยู่ใกล้เคียง และวิธีนี้มีแนวโน้มที่จะสร้างโปรตีนที่มีประสิทธิภาพดีขึ้นเมื่อเทียบกับการประกอบแบบโมดูลาร์มาตรฐาน[ 46 ]
มีการใช้วิธีการคัดเลือกมากมายเพื่อสร้างอาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่สามารถกำหนดเป้าหมายลำดับที่ต้องการได้ ความพยายามในการคัดเลือกเบื้องต้นใช้การแสดงผลของฟาจเพื่อเลือกโปรตีนที่จับกับเป้าหมาย DNA ที่กำหนดจากกลุ่มใหญ่ของอาร์เรย์นิ้วสังกะสีแบบสุ่มบางส่วน เทคนิคนี้ยากที่จะใช้กับนิ้วสังกะสีมากกว่าหนึ่งนิ้วในแต่ละครั้ง ดังนั้นจึงมีการพัฒนากระบวนการหลายขั้นตอนที่สร้างอาร์เรย์ 3 นิ้วที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างสมบูรณ์โดยการเพิ่มและปรับนิ้วสังกะสีทีละนิ้ว[ 47 ]ความพยายามล่าสุดได้ใช้ระบบยีสต์วันไฮบริด ระบบแบคทีเรียวันไฮบริดและทูไฮบริด และเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม วิธีการใหม่ที่น่าสนใจในการคัดเลือกอาร์เรย์นิ้วสังกะสี 3 นิ้วแบบใหม่ใช้ระบบแบคทีเรียทูไฮบริดและได้รับการขนานนามว่า "OPEN" โดยผู้สร้าง[ 48 ] ระบบนี้รวมกลุ่มของนิ้วสังกะสีแต่ละนิ้วที่เลือกไว้ล่วงหน้า ซึ่งแต่ละนิ้วถูกเลือกให้จับกับไตรเพล็ตที่กำหนด จากนั้นใช้การคัดเลือกในรอบที่สองเพื่อให้ได้อาร์เรย์ 3 นิ้วที่สามารถจับกับลำดับ 9-bp ที่ต้องการ ระบบนี้ได้รับการพัฒนาโดย Zinc Finger Consortium เพื่อเป็นทางเลือกแทนแหล่งที่มาเชิงพาณิชย์ของอาร์เรย์นิ้วสังกะสีที่ได้รับการออกแบบ การเปรียบเทียบคุณสมบัติการจับของโปรตีนที่สร้างขึ้นด้วยวิธีนี้กับโปรตีนที่สร้างขึ้นโดยการประกอบแบบโมดูลาร์โดยตรงนั้นค่อนข้างยาก เนื่องจากโปรไฟล์ความจำเพาะของโปรตีนที่สร้างขึ้นด้วยวิธี OPEN ไม่เคยมีการรายงานมาก่อน
ตัวอย่าง
ข้อมูลนี้แสดงถึงโดเมนซิงค์ฟิงเกอร์ชนิด CysCysHisCys (C2HC) ที่พบในยูคาริโอตโปรตีนที่มีโดเมนเหล่านี้ได้แก่:
- เอนไซม์อะเซทิลทรานสเฟอเรสของฮิสโตนในตระกูล MYST [ 49 ] [ 50 ]
- ปัจจัยการถอดรหัสไมอีลินMyt1 [ 51 ]
- โปรตีนยับยั้งการเกิดเนื้องอก 18 (ST18) [ 52 ]
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- ตระกูล C2H2 ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์ 2016 ที่Wayback MachineในPlantTFDB: ฐานข้อมูลปัจจัยการถอดรหัสทางพันธุกรรมของพืชถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 22 เมษายน 2016 ที่Wayback Machine
- McDowall J. "โปรตีนประจำเดือน: ซิงค์ฟิงเกอร์" . ห้องปฏิบัติการชีววิทยาโมเลกุลแห่งยุโรป - สถาบันชีวสารสนเทศแห่งยุโรป (EMBL-EBI) . สืบค้นเมื่อ13 มกราคม 2551 .
- Goodsell DS. "โมเลกุลประจำเดือน: นิ้วสังกะสี" . ศูนย์วิจัยความร่วมมือด้านชีวสารสนเทศเชิงโครงสร้าง (RCSB) ธนาคารข้อมูลโปรตีน (PDB). เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 31 พฤษภาคม 2551. สืบค้นเมื่อ13 มกราคม 2551 .
- เกลียวคู่ระหว่างนิ้วสังกะสี
- เว็บไซต์ออกแบบและให้ข้อมูลเกี่ยวกับ Zinc Finger Tools
- แคตตาล็อกยีน KZNF ของมนุษย์ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 16 มีนาคม 2012 ที่Wayback Machine
- โดเมนประเภท Zinc finger C2H2 ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 13 เมษายน 2020 ที่Wayback MachineในPROSITE
- ข้อมูลสำหรับคลาสซิงค์ฟิงเกอร์ C2H2 ในฐานข้อมูล SMART
- กลุ่มความร่วมมือซิงค์ฟิงเกอร์
- ZiFiT - เครื่องมือออกแบบนิ้วสังกะสี (Zinc Finger Design Tool) ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 5 เมษายน 2551 ที่Wayback Machine
- วัสดุ Zinc Finger Consortium จาก Addgene
- การทำนายความจำเพาะในการจับกับ DNA ของโปรตีนซิงค์ฟิงเกอร์ C2H2