Les doigts de zinc (ZF) sont des motifs structuraux présents dans de nombreuses protéines eucaryotes. Ils appartiennent au groupe des métalloprotéines, car ils sont capables de se lier à l'ion zinc métallique dont ils ont besoin pour leur fonctionnement. On prévoit que plus de 1 500 domaines ZF existent dans environ 1 000 protéines différentes chez l'homme.
Le terme doigt de zinc ou «doigt de zinc» a été inventé pour la première fois en 1985 par Miller, McLachlan et Klug, tout en étudiant en détail les petits domaines de liaison à l'ADN du facteur transcriptionnel TFIIIA de Xenopus laevis, décrit par d'autres auteurs quelques années plus tôt..
Représentation graphique du motif du doigt de zinc dans les protéines (Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), via Wikimedia Commons)
Les protéines à motifs ZF sont parmi les plus abondantes dans le génome des organismes eucaryotes et participent à une diversité de processus cellulaires essentiels, parmi lesquels la transcription génique, la traduction des protéines, le métabolisme, le repliement et l'assemblage d'autres protéines et lipides., mort cellulaire programmée, entre autres.
Structure
La structure des motifs ZF est extrêmement conservée. Habituellement, ces régions répétées ont 30 à 60 acides aminés, dont la structure secondaire se trouve sous forme de deux feuillets bêta antiparallèles qui forment une épingle à cheveux et une hélice alpha, qui est notée ββα.
Ladite structure secondaire est stabilisée par des interactions hydrophobes et par la coordination d'un atome de zinc donné par deux résidus cystéine et deux résidus histidine (Cys 2 His 2). Cependant, il existe des ZF qui peuvent coordonner plus d'un atome de zinc et d'autres où l'ordre des résidus Cys et His varie.
Les ZF peuvent être répétés par lots, configurés linéairement dans la même protéine. Tous ont des structures similaires, mais peuvent être chimiquement différenciés les uns des autres par des variations de résidus d'acides aminés essentiels à l'accomplissement de leurs fonctions.
Une caractéristique commune des ZF est leur capacité à reconnaître des molécules d'ADN ou d'ARN de différentes longueurs, c'est pourquoi elles n'étaient initialement considérées que comme des facteurs transcriptionnels.
En général, la reconnaissance porte sur les régions de 3 pb dans l'ADN et est obtenue lorsque la protéine du domaine ZF présente l'hélice alpha au sillon principal de la molécule d'ADN.
Classification
Il existe différents motifs ZF qui diffèrent les uns des autres par leur nature et les différentes configurations spatiales obtenues par les liaisons de coordination avec l'atome de zinc. L'une des classifications est la suivante:
C
C'est un motif couramment trouvé dans les ZF. La plupart des motifs C 2 H 2 sont spécifiques de l'interaction avec l'ADN et l'ARN, mais il a été observé qu'ils participent aux interactions protéine-protéine. Ils ont entre 25 et 30 résidus d'acides aminés et se trouvent dans la plus grande famille de protéines régulatrices dans les cellules de mammifères.
Structure primaire d'un domaine de doigt de zinc C2H2, y compris les liaisons qui coordonnent l'ion zinc et avec un arrière-plan "main et doigt" (AngelHerraez, via Wikimedia Commons)
C
Ils interagissent avec l'ARN et certaines autres protéines. Ils sont considérés principalement comme faisant partie de certaines protéines de capside de rétrovirus, aidant à l'empaquetage de l'ARN viral juste après la réplication.
C
Les protéines avec ce motif sont des enzymes responsables de la réplication et de la transcription de l'ADN. Un bon exemple de ceux-ci peut être les enzymes grossières des phages T4 et T7.
C
Cette famille de ZF comprend des facteurs de transcription qui régulent l'expression de gènes importants dans de nombreux tissus au cours du développement cellulaire. Les facteurs GATA-2 et 3, par exemple, sont impliqués dans l'hématopoïèse.
C
Ces domaines sont typiques de la levure, en particulier la protéine GAL4, qui active la transcription des gènes impliqués dans l'utilisation du galactose et du mélibiose.
Doigts en zinc (C
Ces structures particulières possèdent 2 sous-types de domaines ZF (C 3 HC 4 et C 3 H 2 C 3) et sont présentes dans de nombreuses protéines animales et végétales.
On les retrouve dans des protéines telles que RAD5, impliquées dans la réparation de l'ADN chez les organismes eucaryotes. On les retrouve également dans RAG1, indispensable à la reconfiguration des immunoglobulines.
H
Ce domaine de ZF est hautement conservé dans les intégrases des rétrovirus et des rétrotransposons; en rejoignant la protéine cible, il provoque un changement conformationnel.
Caractéristiques
Les protéines avec des domaines ZF servent à des fins diverses: elles peuvent être trouvées sur des protéines ribosomales ou sur des adaptateurs transcriptionnels. Ils ont également été détectés comme faisant partie intégrante de la structure de l'ARN polymérase II de levure.
Ils semblent être impliqués dans l'homéostasie intracellulaire du zinc et dans la régulation de l'apoptose ou de la mort cellulaire programmée. De plus, certaines protéines ZF fonctionnent comme chaperons pour le repliement ou le transport d'autres protéines.
La liaison aux lipides et un rôle critique dans les interactions protéine-protéine sont également des fonctions importantes des domaines ZF dans certaines protéines.
Importance biotechnologique
Au fil des années, la compréhension structurelle et fonctionnelle des domaines ZF a permis de grandes avancées scientifiques qui impliquent l'utilisation de leurs caractéristiques à des fins biotechnologiques.
Étant donné que certaines protéines ZF ont une spécificité élevée pour certains domaines d'ADN, beaucoup d'efforts sont actuellement investis dans la conception de ZF spécifiques, qui peuvent fournir des progrès précieux dans la thérapie génique chez l'homme.
Des applications biotechnologiques intéressantes découlent également de la conception de protéines avec des ZF génétiquement modifiés. En fonction du but recherché, certains de ceux-ci peuvent être modifiés par l'addition de peptides à doigts «poly zinc», qui sont capables de reconnaître pratiquement n'importe quelle séquence d'ADN avec une affinité et une spécificité élevées.
L'édition génomique modifiée par la nucléase est aujourd'hui l'une des applications les plus prometteuses. Ce type d'édition offre la possibilité de réaliser des études sur la fonction génétique directement dans le système modèle d'intérêt.
Le génie génétique utilisant des nucléases ZF modifiées a retenu l'attention des scientifiques dans le domaine de l'amélioration génétique des cultivars de plantes d'importance agronomique. Ces nucléases ont été utilisées pour corriger un gène endogène qui produit des formes résistantes aux herbicides chez les plants de tabac.
Des nucléases avec ZF ont également été utilisées pour l'addition de gènes dans des cellules de mammifères. Les protéines en question ont été utilisées pour générer un ensemble de cellules de souris isogéniques avec un ensemble d'allèles définis pour un gène endogène.
Un tel processus a une application directe dans le marquage et la création de nouvelles formes alléliques pour étudier les relations de structure et de fonction dans des conditions natives d'expression et dans des environnements isogéniques.
Références
- Berg, JM (1990). Domaines en doigt de zinc: hypothèses et connaissances actuelles. Revue annuelle de la biophysique et de la chimie biophysique, 19 (39), 405–421.
- Dreier, B., Beerli, R., Segal, D., Flippin, J., et Barbas, C. (2001). Développement de domaines en doigt de zinc pour la reconnaissance de la famille 5'-ANN-3 'de séquences d'ADN et leur utilisation dans la construction de facteurs de transcription artificiels. JBC, (54).
- Gamsjaeger, R., Liew, CK, Loughlin, FE, Crossley, M. et Mackay, JP (2007). Doigts collants: doigts de zinc comme motifs de reconnaissance des protéines. Trends in Biochemical Sciences, 32 (2), 63–70.
- Klug, A. (2010). La découverte des doigts en zinc et leurs applications dans la régulation et la manipulation du génome. Revue annuelle de biochimie, 79 (1), 213-231.
- Kluska, K., Adamczyk, J., et Krȩzel, A. (2017). Propriétés de liaison du métal des doigts de zinc avec un site de liaison métallique naturellement modifié. Metallomics, 10 (2), 248-263.
- Laïcs, JH, Lee, BM et Wright, PE (2001). Protéines à doigts de zinc: nouvelles perspectives sur la diversité structurelle et fonctionnelle. Opinion actuelle en biologie structurale, 11 (1), 39–46.
- Miller, J., McLachlan, AD et Klug, A. (1985). Domaines de liaison au zinc répétitifs dans le facteur de transcription protéique IIIA des ovocytes de Xenopus. Journal des oligo-éléments en médecine expérimentale, 4 (6), 1609–1614.
- Urnov, FD, Rebar, EJ, Holmes, MC, Zhang, HS et Gregory, PD (2010). Édition du génome avec des nucléases à doigt de zinc modifiées. Nature Reviews Genetics, 11 (9), 636–646.