锌指蛋白结构及功能研究进展
LETTERS IN BIOTECHNOLOGY
生物技术通讯
Vol.20No.1Jan.,2009
131
doi:10.3969/j.issn.1009-0002.2009.01.037
综述
锌指蛋白结构及功能研究进展
赵楠1,赵飞2,李玉花1
1.东北林业大学生命科学学院,黑龙江哈尔滨150040;2.山东农业大学园艺科学与工程学院,山东泰安271018
[摘要]
锌指蛋白是一类具有手指状结构域的转录因子,对基因调控起重要的作用。根据其保守结构域的不同,可将锌指
蛋白主要分为C 2H 2型、C 4型和C 6型。锌指通过与靶分子DNA 、RNA 、DNA-RNA的序列特异性结合,以及与自身或其他锌指蛋白的结合,在转录和翻译水平上调控基因的表达。我们简要综述了近年来锌指蛋白结构、分类及其与核酸及蛋白质相互作用等方面的研究进展。[关键词]
锌指蛋白;转录因子;结构;功能
[中图分类号]
Q513[文献标识码]A [文章编号]1009-0002(2009)01-0131-04
Advances in Research on Zinc Finger Protein
ZHAO Nan 1, ZHAO Fei 2, LI Yu-Hua1
1.College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040;
2.College of Flower Biological Engineering, Shandong Agricultural University, Tai'an271018; China
[Abstract ]
Zinc finger protein is one of the most important transcription factors in eukaryotes, displaying variable
secondary structures and enormous functional diversity with finger-likedomain, unique and highly conserved consensus amino acid sequences.and also can involved in protein-proteininteractions, translational processes.
[Key words ]
playing a very important role in regulating
RNA,
DNA-RNAhybrid
the genes.It can be mainly divided into three types of zinc finger protein, including C 2H 2, C 4and C 6type based on their
Zinc fingers can bind to DNA,
regulating the expression of the target genes in transcriptional and
classification of zinc finger protein
We mainly described the advances research on the structure,
and its interactions with nucleic acids and protein in recent years.
zinc finger protein; transcriptional factors; structure; function
过锌指结构,使激活子蛋白与增强子序列特异性结合而调节基因的表达。锌指结构的稳定性主要是由锌离子提供的链间的交叉链接,锌离子缺乏时不能形成折叠结构。当用Zn 2+螯合剂除去
锌指蛋白最初于1983年在非洲爪蟾卵母细胞的转录因子
TF ⅢA 中被发现[1-2],是迄今在真核生物基因组中分布最广的一
类蛋白,人类基因组中可能有近1%的序列编码含有锌指结构的蛋白[3]。锌指蛋白是一类具有手指状结构域的转录因子,在基因表达调控、细胞分化、胚胎发育、增强植物抗逆性等方面具有重要的作用。近年来已成功设计了特异性锌指蛋白元件用于调节与疾病相关基因的表达,为临床基因治疗疾病提供了广阔的前景[4-5]。我们简要综述了锌指蛋白结构、分类及其与核酸及蛋白质间相互作用等方面的研究进展。
Zn 2+,或用Fe 、Cu 、Mn 、Co 、Ni 等金属离子置换锌离子后[1],锌指蛋
白与DNA 等结合特异性就会显著地被抑制,同时蛋白本身得结构稳定性也会被破坏,影响基因表达。用半胱氨酸或组氨酸代替锌离子通常也会导致锌指功能的丧失。由此可见,锌指结构的稳定性保证了锌指功能的有效性。
2
1
锌指蛋白
锌指蛋白的分类
不同的蛋白结构对应不同的功能,根据锌指Cys 和His 残基
1988年,Pabo 等给出了对锌指结构的描述:在调节蛋白一
小段氨基酸序列中含有几个Cys 残基,这些区域是依赖锌的
围绕Zn 2+所构成的空间结构得不同,Krishna [7]等把锌指蛋白分成
8个不同的折叠群(foldgroup ):类C 2H 2型锌指(C 2H 2like )、塞结
状锌指(gag knuckle )、高音谱号锌指(treble clef )、带状锌指(zinc
DNA 结合域,它通过结合Zn 2+自我折叠形成短的稳定的手指状
结构[6]。常见的锌指结构中,锌与多个半胱氨酸和(或)组氨酸的不同排列组成稳定的四面体结构,通过疏水作用来稳定其结构。锌指不仅可以结合DNA 和RNA ,还能与DNA-RNA杂交双链分子以及其他锌指蛋白或自身结合,在转录和翻译水平上调控基因的表达。
锌离子的存在是锌指蛋白发挥调控作用的关键。锌可以通
ribbon )、Zn 2/Cys 6型锌指(Zn 2/Cys 6)、类TAZ 2型锌指(TAZ 2do-main like )、锌离子结合短环锌指(short zinc binding loops )和金
属硫蛋白锌指(metallothionein )。前3个折叠群包含了目前发现
[收稿日期]2008-06-02
[作者简介]赵楠(1983-),女,硕士研究生[通信作者]李玉花,(E-mail)lyhshen@126.com
132
的大多数锌指类型。
根据锌指蛋白保守结构域的差异,又可以将其分为C 2H 2型(Krüppel相关型)、C 4型和C 6型等3个类群[8,9]。
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大多数C 2H 2型锌指蛋白都含有一个连接相邻锌指的高度保守的接头序列TG (Q /E )KP [10,27-28]。早期突变试验证明,该接头序列单一位点的突变即可导致锌指蛋白与DNA 结合的稳定性降低至1/20[29]。接头序列通过氢键与相邻锌指的α螺旋C 端结合,称为C 端加帽(C-capping)[23,30]。SWISSPROT 数据库中,70%以上的接头序列可以形成这样的帽子结构,说明DNA 结合诱导的α螺旋加帽在锌指蛋白的功能上起着重要的作用。锌指DNA 结合模型假设接头序列的稳定性促进了锌指蛋白结合DNA 时的移动。一旦锌指蛋白在寻找其结合的同源位点时遇到正确的DNA 序列,接头结构就会随之发生变化,形成“弹簧锁”结构,使处于正确位置的锌指能与DNA 双螺旋表面的大沟发生最佳结合[10]。
2.1C 2H 2型锌指
C 2H 2型即Cys 2His 2型锌指也被称为经典型锌指,是最先在
TF ⅢA 中发现的,是目前研究最多最广泛的一类锌指,其模体为CX 2-4CX 3FX 5LX 2HX 3-5H (X 代表任意氨基酸)。这些序列在锌离子
存在时能够紧密折叠形成ββα结构,其中锌离子夹叠在α螺旋和2股反向平行的β折叠中[10]。小鼠转录因子Zif268和人类转录因子SP1[11-12]都属于这类蛋白。FOG 蛋白(friend of GATA )[13]是该类型的亚家族,它除了包含经典的C 2H 2型锌指结构外,还包含一个C 2HC 结构。C 2HC 型锌指首先在逆转录病毒Gag 蛋白中被鉴定,因此又称为逆转录病毒型,其保守序列为CX 2CX 4HX 4C [14],主要与RNA 结合。C 2H 2型家族成员以单体的形式与核酸发生相互作用。
WT1[31](Wilm's肿瘤抑制蛋白)含有4个锌指,在WT1锌指接头
序列第9外显子处选择性剪切,插入Lys-Thr-Ser等3个氨基酸(+KTS),从而使原来的保守序列发生改变,导致DNA 的结合能力下降[32];而当缺失这3个氨基酸时(-KTS),锌指蛋白具有很强的结合DNA 的能力,并且可以调节靶基因的转录[33-34]。核磁共振研究表明,插入的这3个氨基酸破坏了ZF3的C 端加帽反应,这也证实了保守的接头序列对于维持锌指-DNA的结合稳定性具有重要的作用[35]。
锌纽型锌指主要包括糖皮质激素受体(glucocorticoid recep-
2.2C 4型锌指
C 4型锌指家族包括锌纽(2Zn 2/Cys 4,zinc twist )和锌带(Zn /
Cys 4,zinc ribbon )两类。锌纽锌指由8个保守的Cys 残基与2个Zn 2+分别组成2个四面体配位结构,形成了一个纽形的DNA 识
别位点。它主要包括GATA 蛋白[15]、LIM 蛋白[16]及核激素受体蛋白。6种GATA 结合蛋白GATA-1~GATA-6以双锌指区域与它们靶基因调控区的保守序列[(A /T )GATA (A /G )]结合[17]。锌带锌指由3条反平行的β折叠组成,以TF ⅡS 为代表。与C 2H 2型锌指不同,C 4型锌指以二聚体方式与DNA 结合。通常,同源二聚体识别靶基因的反向重复序列,而异源二聚体结合正向重复序列。
tor ,GR )和雌激素受体(estrogen receptor ,ER )蛋白。GR 以二聚体
形式对称地作用于DNA ,其N 端锌指结合19bp 的DNA 回文结构,C 端锌指用于形成二聚体。GR 分为3部分,即α螺旋、连接区和二聚体区域,二聚体连接区位于DNA 的小沟。ER 也以二聚体的方式与DNA 发生相互作用,结合部位位于α螺旋表面。
2.3C 6型锌指
C 6型锌指蛋白主要包括一些真菌转录调控因子,研究最多
GAL4是酵母转录活化因子,它也以二聚体方式结合DNA 。
其中N 端1~62位是含有Zn 2/Cys 6的锌簇肽段,与靶DNA 序列
的是酵母转录激活因子GAL4。该蛋白包含一个由6个半胱氨酸围绕着2个锌离子而形成的DNA 结合区[18],又称锌簇(Zn 2/Cys 6,
5'-CCG-3'结合;而C 端α螺旋用于形成二聚体,能够与DNA
小沟发生特异性结合作用。
zinc cluster )。这类转录因子的特点在于其只有一个锌指区域,但
是却可以结合2个锌离子。C 6型锌指蛋白能够以单体、二聚体的方式与DNA 结合[19-21]。
3.2与RNA 的相互作用
锌指不仅能与DNA 发生相互作用,也可以识别RNA ,如TF
ⅢA 既可以与5S rDNA 结合,也可以与该基因的转录产物5S rRNA 结合形成7S RNP 复合物。
TF ⅢA 有9个串联排列的锌指,锌指4~6识别结合5S rRNA ,而锌指1~3负责结合DNA [36-37]。TF ⅢA 中α螺旋主要与DNA 发生相互作用,而对于RNA 识别,磷酸骨架接触起主导作
用。噬菌体显示试验证明,在TF ⅢA 中,锌指4~6使用与DNA 结合相似的α螺旋识别RNA ,但是对于与RNA 结合,α螺旋的-1、
3
3.1
锌指蛋白与核酸的相互作用
对DNA 靶序列的识别
锌指蛋白能特异性地识别DNA ,主要是由于其DNA 结合域
具有与DNA 双螺旋互补的特殊表面结构,依靠其指型空间结构伸入到DNA 双螺旋的大沟内,通过α螺旋与DNA 碱基发生特异性接触[22]。锌指与DNA 发生结合时必须满足如下条件:①锌指蛋白的α螺旋位于大沟;②锌指蛋白携带正电荷的区域接近磷酸骨架;③锌指间的接头结构相对固定。
+2位更为重要[38]。
逆转录病毒HIV-1的核壳体(nucleocapsid ,NC )蛋白包含2个锌指区域、连接区和1个N 端尾巴,由连接区连接2个锌指区域[39]。NC 蛋白可以识别HIV-1包装序列ψ位点的4个不同的茎环结构,其中对于RNA 剪接前导区SL2和SL3的识别已有报道,为锌指蛋白与RNA 的识别机制提供了重要的依据[40-41]。当与
Zif268与DNA 结合所形成复合物的晶体结构揭示了两者相
互作用的具体情形[23]。Zif268的3个锌指模体以排列成类似“C ”字形的夹子环绕于其靶DNA 5'-GCGTGGGCG-3'的9聚体序列上,形成特异性接触。每个锌指的α螺旋与DNA 大沟上的3个碱基对各自结合,此时的DNA 大沟与正常相比变宽变深。每一个锌指相对于DNA 的取向是相同的,与DNA 成反平行,ZF1位于正义链的3'端,ZF3位于正义链的5'端。所有的碱基特异性接触都位于DNA 双螺旋的一条链上[24]。噬菌体展示技术表明,α螺旋的-1、+2、+3、+6位与DNA 的识别密切相关[25-26]。
SL3识别时,NC 蛋白的N 端尾巴折叠成可与大沟结合的一个310
螺旋,并且与磷酸骨架发生接触;当与SL2识别结合时,NC 蛋白的N 端锌指在小沟处结合,结合位点为SL2特异碱基A-U-A处,N 端的310螺旋与磷酸骨架接触,但是不像SL3那样与大沟发生氢键特异性结合[42]。NC 蛋白对于不同RNA 茎环结构采用不同的识别机制,这种适应性结合无疑是其连接区和N 端尾巴本身的适应性促成的。
赵楠等:锌指蛋白结构及功能研究进展
133
物设计,具有广阔的应用前景[49]。
3.3与DNA-RNA杂交双链分子的特异性结合
转录激活因子SP1是C 2H 2型锌指蛋白,主要通过调控富含
GC 启动子的基因表达,参与调节细胞功能,如细胞增生、凋亡、
分化和肿瘤形成[43]。SP1可以和19bp 的DNA 双链分子在一定的条件下结合,DNA-RNA杂交双链分子(DNA 链富含G )与SP1有相似稳定的结合[44]。但是,DNA-RNA杂交分子(RNA 链富含
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2000,29:
G )和RNA-RNA双链分子的结合强度分别只有前者的1/10和1/100。用人为设计的锌指蛋白ZF-QQR和核酸结合,发现ZF-QQR 和DNA-RNA杂交双链分子(DNA 链富含G )的结合强度
是它与双链DNA 分子结合强度的5倍,是与相应的SP1位点结合强度的100倍。以上结果说明锌指蛋白与杂交双链DNA-RNA分子的作用是序列特异性的,并且是链特异性的。
4锌指蛋白的相互作用
锌指也可与其他蛋白发生蛋白-蛋白的相互作用,通过这种
相互作用,进而影响锌指结合DNA 的性质,如GAL4正是通过其两分子的GAL4蛋白结合发生二聚化作用而与DNA 发生相互作用的。
Ikaros 是一类典型的锌指蛋白,在淋巴细胞的发育中起着重
要作用。Ikaros 含有6个类Krüppel锌指结构域,其中N 端4个可以结合序列特异性DNA ,而C 端的2个锌指可以形成同源二聚体[45-46]。定点突变试验证明,半胱氨酸和组氨酸是形成同源二聚体双锌指区域所必需的,并且该双锌指区域可以增强其N 端
4个锌指与靶序列GGGAA 的结合。Ikaros 还有2个同源蛋白Alios 和Helios ,这3种蛋白既可以自身发生相互作用形成同源
二聚体,也可以形成异源二聚体。这类蛋白的寡聚化作用使它们可以与DNA 结合,激活启动子中具有GGGAA 序列的基因,进而激活该基因的表达。
[47]
Krüppel相关型锌指(Krüppel-liketranscription factors ,KLF )也可以与其他家族的锌指蛋白发生相互作用,特别是与GATA 蛋白。GATA 蛋白通常包括2个C 4手指状结构域,C 端的
锌指可以与DNA 结合。酵母双杂交实验显示含有9个锌指的
Fog 蛋白可以与GATA-1发生相互作用而结合[45]。突变研究显示Fog 的6位锌指特异性地与GATA-1的N 端的锌指发生了相互
作用。SP1蛋白也能与GATA-1结合,类似的结合还可见于SP1与GATA-2、GATA-3、GKLF (gut-enrichedKLF )及EKLF (ery-
throid-KLF)与GATA-1之间[48]。
另一个锌指蛋白间的作用是在GAL4-ftz和TF ⅡB 间进行的。GAL4-ftz是一段富含Gln 的激活蛋白,可以特异性地结合于
TF ⅡB ,对生物体基因的转录起着重要调控作用。另外,DnaJ 为
[9]
一种大肠杆菌热休克蛋白,属于锌纽型锌指。DnaJ 蛋白通过与未经过折叠的蛋白质结合,调控细胞内的蛋白质正常折叠[45]。
5结语
目前对锌指类蛋白的研究主要集中在进一步确定与基因表
达和调控密切相关的锌指蛋白,并对其结构进行分析,建立其与
DNA 相互作用的模型。同时,随着对锌指蛋白结构和功能研究的
不断深入,有望通过设计更多人工锌指蛋白来研究目的基因的表达调控及与核酸及蛋白质的相互作用,应用于基因治疗和药
134
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