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Dita di zinco |
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Molecola del mese di marzo 2007 Gli ioni zinco vengono usati per fare avvolgere strettamente piccoli domini proteici specializzati nel riconoscere il DNA  IntroduzioneEsaminando 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 più sotto). La dita di zinco possono svolgere molti compiti, come è illustrato dalle tre strutture qui a fianco. 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 (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. Abbiamo incontrato dita di zinco anche nel recettore degli estrogeni (mdm 7-2003) che contiene una porzione che si lega al DNA attivando la trascrizione di geni legati allo sviluppo. 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 sotto (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 (in giallo). La catena prosegue ripiegandosi verso l'alto dove fa un'altra ansa e inizia a formare un'alfa elica che scende in basso. Lungo l'alfa elica si trovano le due istidine (blu sulla sinistra, beige e blu nell'immagine di destra). 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 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 qui sotto (file PDB 1zaa). Questa struttura contiene tre dita di zinco che abbracciano un breve tratto di DNA. Notate che ognuna delle tre dita inserisce la propria alfa elica (rossa) nella scanalatura del DNA per leggerne la sequenza di basi azotate. . . . . . . . . . . . . .  Il dito di zinco più in basso dell'immagine precedente è mostrato in primo piano qui sotto. Gli amminoacidi mostrati in rosa si estendono all'esterno delll'alfa elica (rossa) verso il DNA e leggono la sequenza delle basi azotate. . . .  Nell'immagine qui sotto (lungo l'asse del DNA) si possono vedere ancora meglio gli amminoacidi (rosa) che entrano nella scanalatura del DNA (che qui è mostrato solo con due nastri ciano). . . . . . . . 
 BibliografiaS. A. Wolfe, L. Nekludova and C. O. Pabo (1999) DNA recognition by Cys2His2 zinc finger proteins. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure 3, 183-212. J. H. Laity, B. M. Lee and P. E. Wright (2001) Zinc finger proteins: new insights into structural and functional diversity. Current Opinion in Structural Biology 11, 39-46. J. M. Matthews, M. Sunde (2002) Zinc fingers--folds for many occasions. IUBMB Life 54, 351-355. S. S. Krishna, I. Majumdar and N. V. Grishin (2003) Structural classification of zinc fingers. Nucleic Acids Research 31, 532-550. R. Gamsjaeger, C. K. Liew, F. E. Loughlin, M. Crossley and J. P. Mackay (2007) Sticky fingers: zinc fingers as protein-recognition motifs. Trends in Biochemical Sciences 32, 63-70.
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