Dedos de zinc: estructura, clasificación, función e importancia
Los dedos de zinc (ZF) son motivos estructurales presentes en gran cantidad de proteínas eucariotas. Pertenecen al grupo de las metaloproteínas, pues son capaces de unir el ion metálico zinc, que requieren para su funcionamiento. Se predice que más de 1500 dominios ZF existen en alrededor de 1000 proteínas diferentes en humanos.
El término dedo de zinc o “zinc finger” fue acuñado por primera vez en 1985 por Miller, McLachlan y Klug, mientras estudiaban en detalle los pequeños dominios de unión al ADN del factor transcripcional TFIIIA de Xenopus laevis, descrito por otros autores algunos años antes.
Las proteínas con motivos ZF son de las más abundantes en el genoma de organismos eucariotas y participan en diversidad de procesos celulares esenciales, entre los que destacan la transcripción genética, la traducción de proteínas, metabolismo, el plegamiento y ensamblaje de otras proteínas y de lípidos, muerte celular programada, entre otros.
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La estructura de los motivos ZF está extremadamente conservada. Usualmente estas regiones repetidas poseen de 30 a 60 aminoácidos, cuya estructura secundaria se encuentra como dos láminas beta antiparalelas que forman una horquilla y una hélice alfa, que se denota como ββα.
Dicha estructura secundaria se estabiliza por interacciones hidrofóbicas y por la coordinación de un átomo de zinc dada por dos residuos de cisteína y dos de histidina (Cys2His2). No obstante, existen ZF que pueden coordinar más de un átomo de zinc y otros donde el orden de los residuos de Cys e His varía.
Los ZF pueden encontrarse repetidos en tanda, configurados linealmente en una misma proteína. Todos tienen estructuras similares, pero pueden diferenciarse químicamente entre sí por variaciones de residuos aminoacídicos clave para el cumplimiento de sus funciones.
Una característica común entre los ZF es su capacidad de reconocer moléculas de ADN o ARN de distintas longitudes, razón por la que inicialmente se consideraban solo como factores transcripcionales.
Por lo general, el reconocimiento es de regiones de 3pb en el ADN y se consigue cuando la proteína con dominio ZF presenta la hélice alfa al surco mayor de la molécula de ADN.
Existen diferentes motivos ZF que se diferencian entre sí por su naturaleza y las distintas configuraciones espaciales que logran los enlaces de coordinación con el átomo de zinc. Una de las clasificaciones es la siguiente:
Este es un motivo comúnmente encontrado en los ZF. La mayoría de los motivos C2H2 son específicos para la interacción con ADN y ARN, sin embargo, se han observado participando en interacciones proteína-proteína. Poseen entre 25 y 30 residuos aminoacídicos y se encuentran dentro de la familia más grande de proteínas reguladoras en células de mamíferos.
Interactúan con ARN y algunas otras proteínas. Se observan principalmente como parte de algunas proteínas de la cápside de retrovirus, colaborando en el empaquetamiento del ARN viral justo después de la replicación.
Las proteínas con dicho motivo son enzimas responsables de la replicación y la transcripción del ADN. Un buen ejemplo de estas pueden ser las enzimas primasas de los fagos T4 y T7.
Esta familia de ZF comprende factores de transcripción que regulan la expresión de importantes genes en numerosos tejidos durante el desarrollo celular. Los factores GATA-2 y 3, por ejemplo, están implicados en la hematopoyesis.
Estos dominios son propios de levaduras, específicamente la proteína GAL4, que activa la transcripción de genes involucrados en la utilización de la galactosa y la melibiosa.
Estas estructuras particulares poseen 2 subtipos de dominios ZF (C3HC4 y C3H2C3) y están presentes en numerosas proteínas de animales y vegetales.
Se encuentran en proteínas como RAD5, involucradas en la reparación del ADN en organismos eucariotas. También se encuentran en RAG1, indispensable para la re-configuración de las inmunoglobulinas.
Este dominio de ZF se encuentra altamente conservado en las integrasas de los retrovirus y los retrotransposones; al unirse a la proteína blanco causa un cambio conformacional en la misma.
Las proteínas con dominios ZF sirven diversos propósitos: pueden encontrarse en proteínas ribosomales o en adaptadores transcripcionales. También se han detectado como parte integral de la estructura de la ARN polimerasa II de levaduras.
Parecen estar involucradas en la homeóstasis intracelular de zinc y en la regulación de la apoptosis o muerte celular programada. Además, existen algunas proteínas con ZF que funcionan como chaperonas para el plegamiento o transporte de otras proteínas.
La unión a lípidos y un papel fundamental en las interacciones proteína-proteína son también funciones destacadas de los dominios ZF en algunas proteínas.
Con los años, la comprensión estructural y funcional de los dominios ZF ha permitido realizar grandes avances científicos que implican la utilización de sus características con fines biotecnológicos.
Puesto que algunas proteínas con ZF tienen una gran especificidad por determinados dominios de ADN, mucho esfuerzo se invierte actualmente en el diseño de ZF específicos, que puedan aportar valiosos avances en la terapia génica en humanos.
Aplicaciones biotecnológicas interesantes también surgen del diseño de proteínas con ZF modificadas por ingeniería genética. Dependiendo del fin deseado, algunas de estas pueden ser modificadas por la adición de péptidos con dedos “poli zinc”, que son capaces de reconocer virtualmente cualquier secuencia de ADN con gran afinidad y especificidad.
La edición genómica con nucleasas modificadas es una de las aplicaciones más prometedoras en la actualidad. Este tipo de edición ofrece la posibilidad de llevar a cabo estudios sobre la función genética directamente en el sistema modelo de interés.
La ingeniería genética empleando nucleasas ZF modificadas ha captado la atención de los científicos en el campo del mejoramiento genético de cultivares de plantas de importancia agronómica. Estas nucleasas se han empleado para corregir un gen endógeno que produce formas resistentes a herbicidas en plantas de tabaco.
Nucleasas con ZF también han sido empleadas para la adición de genes en células de mamíferos. Las proteínas en cuestión fueron utilizadas para generar un conjunto de células de ratón isogénicas con una serie de alelos definidos para un gen endógeno.
Tal proceso tiene una aplicación directa en el etiquetado y la creación de nuevas formas alélicas para estudiar las relaciones de estructura y función en condiciones nativas de expresión y en ambientes isogénicos.
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