Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Dita di Zinco


Molecola del Mese di Marzo 2007

Introduzione
Esaminando gli archivi PDB si nota che le proteine sono spesso di grandi dimensioni. Contengono centinaia di amminoacidi anche se l'attività proteica è svolta solo da pochi amminoacidi che si trovano raggruppati da qualche parte nella struttura.
Perchè le proteine sono così grandi? Una ragione è che queste si devono auto-ripiegare all'interno delle cellule. Le proteine sono costituite di catene flessibili che si ripiegano da sole (o talvolta con un piccolo aiuto da parte dei cheperon mdm 8-2002) per formare strutture stabili e compatte. Queste strutture sono stabilizzate da legami idrogeno, da interazioni tra amminoacidi di carica opposta (acidi e basici) e da interazioni idrofobiche (Van der Waals) tra amminoacidi apolari. Quando la proteina si avvolge, queste interazioni si possono realizzare solo se gli amminoacidi interessati vengono avvicinati in modo perfetto, come in un grande gioco ad incastro.
Ognuno di questi legami, però, è molto debole e non è sufficiente a dare stabilità alla struttura. Le proteine, quindi, devono possedere centinaia di amminoacidi che producono centinaia di interazioni. Queste, tutte insieme, possono tenere avvolta la proteina e formare una struttura stabile.

Piccole ed Efficienti
Le nostre cellule, d'altra parte, usano spesso atomi di zinco per rendere più facile l'avvolgimento delle proteine. Se due cisteine e due istidine vengono poste vicine tra loro in una catena proteica, possono legare uno ione zinco e la catena risultante si deve piegare per avvolgersi strettamente intorno allo ione metallico assumendo una forma caratteristica che ricorda quella di un dito. In queste proteine, chiamate dita di zinco, una corta catena di soli 20 o 30 amminoacidi è sufficiente per creare una struttura solida e stabile. Le dita di zinco sono così utili che si trovano in migliaia delle nostre proteine e sono comuni nelle piante e negli animali. Stranamente, però, i batteri non utilizzano queste strutture piccole ed efficienti.

Dita Appiccicose
Molte dita di zinco hanno un ruolo essenziale nel riconoscimento del DNA. Le dita di zinco sono state scoperte per la prima volta nel fattore di trascrizione TF-IIIA delle uova di rana che contiene 9 dita di zinco consecutive. Le due strutture mostrate qui rappresentano frammenti di questa proteina in azione. Il file PDB 1tf6 mostrato qui sopra a sinistra, include 6 delle 9 dita di zinco (blu e azzurre con lo zinco verde) legate ad un lungo tratto di DNA (in rosso). Con queste interazioni il fattore TF-IIIA aiuta il controllo della trascrizione di un gene che codifica per RNA ribosomiale. Il TF-IIIA si lega anche allo stesso RNA ribosomiale (il prodotto della trascrizione) come si può vedere nei file PDB 1un6 e 2hgh mostrati qui sopra a destra. Questa struttura include 3 delle 9 dita di zinco (blu e azzurre con lo zinco verde) ed un piccolo pezzo di RNA ribosomiale (in rosso). Nelle uova di rana circa 10 miliardi di copie di questa proteina aiutano a stabilizzare le molte copie di RNA che si formano quando la cellula cresce.

Riconoscimento Modulare
Come si può vedere in queste strutture, la sequenza di dita di zinco si avvolge attorno alle catene di DNA e RNA legandosi nelle scanalature e inserendo i propri amminoacidi per leggere la sequenza delle basi azotate. Un singolo dito di zinco non si può legare con forza e può riconoscere solo 2 o 3 paia di basi. Quando però più dita sono concatenate, queste si possono legare più fortemente e sono in grado di leggere sequenze di DNA più lunghe. Questo approccio modulare è così efficiente che gli scienziati stanno provando a costruire dita di zinco artificiali con diverse specificità. Legandole poi nel giusto ordine si potrebbero ottenere nuove proteine con dita di zinco in grado di leggere qualsiasi sequenza di DNA.

Attrezzo Multiuso

Ci sono dita di zinco di forme e dimensioni molto diverse, ma tutte contengono uno o più atomi di zinco (mostrati qui in verde) legati da quattro amminoacidi, una combinazione di cisteine e istidine (mostrate nella prossima pagina). La dita di zinco possono svolgere molti compiti diversi, come è illustrato da queste tre strutture.
Il complesso in alto a sinistra (file PDB 1y0j) mostra le dita di zinco di due proteine più lunghe, GATA-1 che contiene 2 dita di zinco, e FOG-1 che ne contiene 9. Le interazioni specifiche tra queste due proteine con dita di zinco hanno un ruolo essenziale nello sviluppo delle cellule del sangue.
La proteina della capside del virus HIV-1, mostrata in basso a sinistra (file PDB 1a1t), contiene due dita di zinco che si legano all'RNA virale durante la costruzione del virus.
La proteina EEA1 mostrata sulla destra dal file PDB 1joc, contiene due dita di zinco in ogni catena. Si lega a particolari lipidi che si trovano negli endosomi e svolge un ruolo essenziale nel trasporto di molecole in quel compartimento della cellula.















Esplorando la Struttura
Cercando negli archivi PDB proteine che contengano dita di zinco, c'è il rischio di perdersi tra migliaia di strutture dalla forma strana: a nocche, a chiave di violino, a nastro o anche con altri avvolgimenti dai nomi fantasiosi.
La struttura mostrata qui sulla sinistra, dal file PDB 1znf, è un esempio semplice di dito di zinco. Poichè la struttura è molto piccola, solo 25 amminoacidi, non serve mostrare ingrandimenti della porzione chiave della proteina.
Nella parte bassa si trovano le due cisteine mostrate in giallo. La catena prosegue verso l'alto dove con un'ansa si ripiega a destra e inizia a formare un'alfa elica che scende in basso. Lungo l'alfa elica si trovano le due istidine mostrate in blu. Le due cisteine e le due istidine si legano attorno allo ione zinco (verde) formando un tetraedro. L'interazione con lo ione zinco costringe la catena a ripiegarsi su sè stessa formando una struttura compatta e stabile a forma di dito. Poco sopra lo zinco una fenilalanina e una leucina (in grigio) sono affacciate tra loro e formano il cuore idrofobico di questo piccolo avvolgimento. Gli altri amminoacidi hanno le catene laterali rivolte verso l'esterno e possono svolgere compiti diversi.
Nelle proteine che legano il DNA, gli amminoacidi in cima all'alfa elica sono usati per il riconoscimento delle basi azotate. Questo caso è illustrato nella figura sulla destra, dal file PDB 1zaa. Questa struttura contiene tre dita di zinco legate al DNA. Gli amminoacidi mostrati in rosso si estendono verso il DNA e leggono la sequenza delle basi azotate, questo particolare lo si può vedere ancora meglio nella figura in basso dove il DNA è stato rimosso. Anche qui si nota la struttura ripiegata attorno allo zinco, un vero e proprio "dito di zinco".

Bibliografia

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