아연 집게

3. 도메인

아연 집게 도메인(Znf)은 표적 분자와 직렬 접촉하는 집게 모양의 돌출부가 여러 개 들어 있는 비교적 작은 단백질 모티프다. 이러한 도메인들 중 일부는 아연과 결합하지만, 많은 도메인들은 철과 같은 다른 금속을 결합하거나 전혀 결합하지 않는다. 예를 들어, 몇몇 족들은 염다리를 형성하여 집게와 같은 주름을 안정시킨다.^{[53][54][55][56][57]} 이들은 처음에 아프리카발톱개구리의 전사 인자 TFIIIA에서 DNA 결합 모티브로 확인되었으나, 현재는 DNA, RNA, 단백질, 지질들을 결합하는 것으로 인식되고 있다.^[58] 이들의 결합 특성은 집게 영역의 아미노산 순서와 집게 사이의 연결점, 그리고 고차 구조와 집게의 수에 따라 달라진다. 아연 집게 도메인은 집게가 서로 다른 결합 특성을 가질 수 있는 클러스터에서 흔히 발견된다. 아연 집게 모티브는 몇 가지 관련이 없는 단백질 수퍼 패밀리에서 발생하며, 순서와 구조가 모두 다르다. 이들은 같은 부류의 구성원들(예 : 일부 결합 DNA, 다른 단백질) 사이의 결합에서 상당한 다기능성을 보여 아연 집게 모티브가 전문화된 기능을 발전시킨 안정적임을 시사한다. 예를 들어 아연 집게 단백질의 기능은 유전자 전사, 번역, 전령 RNA 트래피킹, 세포 골격 조직, 상피 발달, 세포 부착, 단백질 접힘, 크로마틴 리모델링, 아연 감지 등에서 사용된다. 아연 결합 모티브는 안정된 구조로, 표적을 묶을 때 순응적인 변화를 거의 겪지 않는다.

처음에는 아연 집게라는 용어가 아프리카발톱개구리에서 발견된 DNA 결합 모티브를 설명하는 데만 사용되었지만, 현재는 아연 이온의 조정에 의해 관련된 어떤 수의 구조물을 가리키는 데 사용되고 있다. 일반적으로 아연 집게는 아연 이온을 시스테인과 히스티딘 잔기의 조합으로 배위 결합한다. 원래 이러한 잔기의 수와 순서는 다른 종류의 아연 집게(예 : Cys2His2, Cys4, Cys6)를 분류하는 데 사용되었다. 최근에는 아연 집게 단백질을 대신 분류하는 더 체계적인 방법이 사용되고 있다. 이 방법은 아연 집게 단백질을 접힌 영역의 단백질 골격의 전체적인 모양을 바탕으로 접힘 그룹으로 분류한다. 가장 흔한 아연 집게의 접힘 그룹은 Cys2His2, treble clef, 아연 리본이다.

다음 표는^[59] 아연 집게의 다양한 구조와 주요 특징을 보여준다.

접힘 그룹	대표 구조	리간드 배치
Cys2His2		너클로부터의 2개의 리간드 및 나선의 C 말단으로부터의 2개의 리간드
Gag knuckle		너클로부터의 2개의 리간드 및 짧은 나선 또는 루프로부터의 2개의 리간드
Treble clef		너클에서 나온 2개의 리간드와 나선의 N 말단에서 나오는 2개의 리간드
아연 리본		2개의 너클로부터 각각 2개의 리간드
Zn2/Cys6		나선의 N 말단으로부터의 2개의 리간드 및 루프로부터의 2개의 리간드
TAZ2 domain like		두 나선의 말단에서 두 리간드

4. 분류

아연 집게라는 용어는 처음에는 아프리카발톱개구리에서 발견된 DNA 결합 모티프를 설명하는 데에만 사용되었지만, 현재는 아연 이온의 배위에 의해 관련된 구조를 통칭하는 데 사용된다. 일반적으로 아연 집게는 시스테인과 히스티딘 잔기의 조합으로 아연 이온을 배위 결합한다.

과거에는 이러한 잔기의 수와 순서에 따라 아연 집게를 Cys₂His₂, Cys₄, Cys₆ 등으로 분류했다. 최근에는 아연 집게 단백질을 접힌 영역의 단백질 골격의 전체적인 모양을 바탕으로 "접힘 그룹"으로 분류하는 보다 체계적인 방법이 사용되고 있다. 가장 흔한 아연 집게의 접힘 그룹은 Cys₂His₂ 유사 ("클래식 아연 집게"), 음자리표, 아연 리본이다.

아연 집게의 다양한 구조와 주요 특징은 아래 표와 같다.^[59]

4. 1. Cys₂His₂

4. 2. Gag-knuckle

4. 3. Treble-clef

5. 구조

아연 집게(Znf) 단백질 도메인은 표적 분자와 직렬 접촉을 하는 여러 개의 손가락 모양 돌출부를 포함하는 비교적 작은 단백질 모티프이다. 이러한 도메인 중 일부는 분자 결합을 통해 아연에 결합하지만, 많은 도메인은 철과 같은 다른 금속이나 금속에 전혀 결합하지 않는다. 예를 들어, 일부 가족 구성원은 손가락 모양의 단백질 접힘을 안정시키기 위해 염 다리를 형성한다.^{[12][13][14][15][16]}

각각의 아연 집게 구조는 잘 보존되어 있으며, 약 30개의 아미노산 잔기로 구성되어 있고, ββα 폴드 구조로 아연 이온을 갖는다. α-나선은 C 말단에, β-시트는 N 말단에 위치한다. 보존 서열은 Cys-X{}2-4-Cys-X{}3-Phe-X{}5-Leu-X{}2-His-X{}3-His이다.

6. 결합

아연 집게 도메인(Znf)은 표적 분자와 직렬 접촉하는 집게 모양의 돌출부가 여러 개 들어 있는 비교적 작은 단백질 모티브이다. 이러한 도메인들 중 일부는 아연과 결합하지만, 많은 도메인들은 철과 같은 다른 금속을 결합하거나 전혀 결합하지 않는다. 예를 들어, 몇몇 족들은 염다리를 형성하여 집게와 같은 주름을 안정시킨다.^{[53][54][55][56][57]} 이들은 처음에 아프리카발톱개구리의 전사 인자 TFIIIA에서 DNA 결합 모티브로 확인되었으나, 현재는 DNA, RNA, 단백질, 지질들을 결합하는 것으로 인식되고 있다. 이들의 결합 특성은 집게 영역의 아미노산 서열과 집게 사이의 연결점, 그리고 고차 구조와 집게의 수에 따라 달라진다. 아연 집게 도메인은 집게가 서로 다른 결합 특성을 가질 수 있는 클러스터에서 흔히 발견된다.

7. 단백질

아연 집게 도메인(Znf)은 표적 분자와 직렬 접촉하는 집게 모양의 돌출부가 여러 개 있는 비교적 작은 단백질 모티프이다. 이러한 도메인들 중 일부는 분자 결합을 통해 아연과 결합하지만, 많은 도메인은 철과 같은 다른 금속이나 금속에 전혀 결합하지 않는다. 예를 들어, 일부는 염다리를 형성하여 집게와 같은 주름을 안정시킨다.^{[53][54][55][56][57]}

아연 집게는 아프리카발톱개구리(''Xenopus laevis'')의 전사 인자 TFIIIA에서 DNA 결합 모티브로 처음 확인되었으나, 현재는 DNA, RNA, 단백질, 지질들을 결합하는 것으로 알려져 있다.^{[12][13][14][15][16]} 이들의 결합 특성은 집게 영역의 아미노산 순서와 집게 사이의 연결점, 그리고 고차 구조와 집게의 수에 따라 달라진다. 아연 집게 도메인은 집게가 서로 다른 결합 특성을 가질 수 있는 클러스터에서 흔히 발견된다.

아연 집게 모티브는 몇 가지 관련이 없는 단백질 수퍼 패밀리에서 발생하며, 순서와 구조가 모두 다르다. 이들은 같은 부류의 구성원들(예: 일부는 DNA에 결합, 다른 것은 단백질에 결합) 사이의 결합에서 상당한 다기능성을 보여 아연 집게 모티브가 전문화된 기능을 발전시킨 안정적인 구조임을 시사한다. 예를 들어 아연 집게 단백질의 기능은 유전자 전사, 번역, 전령 RNA 트래피킹, 세포 골격 조직, 상피 발달, 세포 부착, 단백질 접힘, 염색질 리모델링, 아연 감지 등에서 사용된다.^[58] 아연 결합 모티브는 안정된 구조로, 표적을 묶을 때 순응적인 변화를 거의 겪지 않는다.

Zif268 등과 같은 많은 전사 인자 및 조절 단백질은 아연 집게를 가지고 있다. 이러한 단백질에서는 일반적으로 DNA 이중 나선의 주구(主溝)와 아연 집게의 α 나선이 상호 작용한다. 초기 신경의 발달을 조절하는 뉴런 특이적 전사 인자 역시 아연 집게 구조를 갖는다.

8. 응용

단백질 공학 기법을 사용하여 아연 집게의 DNA 결합 특이성을 변경하여 원하는 게놈 DNA 염기서열을 표적으로 삼을 수 있다.^[61] 이렇게 조작된 아연 집게는 특정 유전자의 전사를 조절하거나, 원하는 게놈 위치에 DNA를 절단 또는 수정하는 데 활용될 수 있다. 대표적인 응용 분야로는 아연 집게 전사 인자와 아연 집게 뉴클레아제가 있으며, 그 외에도 다양한 응용법이 개발되고 있다.

아연 집게는 아프리카 발톱 개구리(''Xenopus laevis'')의 전사 연구 과정에서 에런 클럭 연구실에서 처음 발견되었다.^[5] 이후 초파리의 크루펠 인자에서도 발견되었으며,^[4] 다양한 생물체의 단백질에서 아연 이온이 폴리펩타이드 안정화에 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다.^[7][8]

아연 집게는 DNA 이중 나선의 2배 대칭을 통해 결합하는 다른 DNA 결합 단백질과 달리, 선형으로 연결되어 다양한 길이의 핵산 서열에 결합한다.^[6] 이러한 모듈식 특성 덕분에 DNA 및 RNA 서열의 많은 조합을 높은 친화도와 특이성으로 결합할 수 있어, 특정 DNA 서열을 표적으로 하는 단백질 설계에 이상적이다. 1994년에는 인공적으로 구성된 3중 집게 단백질이 생쥐 세포주에서 종양 유전자의 발현을 차단할 수 있음이 밝혀졌다.^[6]

"아연 집게 모티프"는 2024년 노벨 화학상의 과학적 배경에 인용되기도 했다.^[11]

8. 1. 아연 집게 핵산 분해 효소 (Zinc Finger Nuclease, ZFN)

8. 2. 아연 집게 전사 인자 (Zinc Finger Transcription Factor, ZFTF)

8. 3. 기타 응용

참조

_[1] 논문 Zinc fingers: a novel protein fold for nucleic acid recognition
_[2] 논문 Xenopus transcription factor A requires zinc for binding to the 5 S RNA gene 1983-12
_[3] 논문 Zinc fingers and other metal-binding domains. Elements for interactions between macromolecules 1990-04
_[4] 논문 The Arms Race Between KRAB-Zinc Finger Proteins and Endogenous Retroelements and Its Impact on Mammals Annual Reviews (publisher) 2019-12
_[5] 논문 Repetitive zinc-binding domains in the protein transcription factor IIIA from Xenopus oocytes 1985-06
_[6] 논문 The discovery of zinc fingers and their applications in gene regulation and genome manipulation
_[7] 논문 Zinc ions promote Alzheimer Abeta aggregation via population shift of polymorphic states 2010-05
_[8] 논문 Metal-dependent folding and stability of nuclear hormone receptor DNA-binding domains 2002-05
_[9] 논문 The crystal structure of a two zinc-finger peptide reveals an extension to the rules for zinc-finger/DNA recognition 1993-12
_[10] 논문 Importance of a flanking AT-rich region in target site recognition by the GC box-binding zinc finger protein MIG1 1994-03
_[11] 문서 https://www.nobelpri[...]
_[12] 논문 Zinc finger peptides for the regulation of gene expression 1999-10
_[13] 논문 Multiple modes of RNA recognition by zinc finger proteins https://zenodo.org/r[...] 2005-06
_[14] 논문 Zinc finger proteins: getting a grip on RNA 2005-02
_[15] 논문 Sticky fingers: zinc-fingers as protein-recognition motifs 2007-02
_[16] 논문 Zinc fingers--folds for many occasions 2002-12
_[17] 논문 Zinc finger proteins: new insights into structural and functional diversity 2001-02
_[18] 논문 Structural classification of zinc fingers: survey and summary 2003-01
_[19] 논문 Extreme genomic CpG deficiency in SARS-CoV-2 and evasion of host antiviral defense https://academic.oup[...] Academic Press 2020-04-14
_[20] 뉴스 Evidence of Stray Dogs as Possible Origin of COVID-19 Pandemic https://scitechdaily[...] SciTechDaily 2020-04-14
_[21] 논문 Design and selection of novel Cys2His2 zinc finger proteins
_[22] 논문 Drug discovery with engineered zinc-finger proteins 2003-05
_[23] 논문 Design of polydactyl zinc-finger proteins for unique addressing within complex genomes 1997-05
_[24] 논문 '[3H]MK801 binding to the N-methyl-D-aspartate receptor reveals drug interactions with the zinc and magnesium binding sites' 1988-12
_[25] 논문 Progress and prospects: zinc-finger nucleases as gene therapy agents 2008-11
_[26] 논문 Knockout rats via embryo microinjection of zinc-finger nucleases 2009-07
_[27] 웹사이트 Autologous T-Cells Genetically Modified at the CCR5 Gene by Zinc Finger Nucleases SB-728 for HIV http://clinicaltrial[...] ClinicalTrials.gov
_[28] 논문 DNA binding site of the growth factor-inducible protein Zif268 1989-11
_[29] 논문 Zinc finger-DNA recognition: crystal structure of a Zif268-DNA complex at 2.1 A 1991-05
_[30] 논문 Zinc finger phage: affinity selection of fingers with new DNA-binding specificities 1994-02
_[31] 논문 In vitro selection of zinc fingers with altered DNA-binding specificity 1994-05
_[32] 논문 Toward a code for the interactions of zinc fingers with DNA: selection of randomized fingers displayed on phage 1994-11
_[33] 논문 Building zinc fingers by selection: toward a therapeutic application 1995-01
_[34] 논문 Genome editing with modularly assembled zinc-finger nucleases 2010-02
_[35] 논문 Reply to "Genome editing with modularly assembled zinc-finger nucleases" 2010-02
_[36] 논문 Precise genome modification in the crop species Zea mays using zinc-finger nucleases 2009-05
_[37] 논문 Toward controlling gene expression at will: selection and design of zinc finger domains recognizing each of the 5'-GNN-3' DNA target sequences 1999-03
_[38] 논문 Development of zinc finger domains for recognition of the 5'-CNN-3' family DNA sequences and their use in the construction of artificial transcription factors 2005-10
_[39] 논문 Development of zinc finger domains for recognition of the 5'-ANN-3' family of DNA sequences and their use in the construction of artificial transcription factors 2001-08
_[40] 논문 Human zinc fingers as building blocks in the construction of artificial transcription factors 2003-03
_[41] 논문 Unexpected failure rates for modular assembly of engineered zinc fingers 2008-05
_[42] 논문 Targeted genome editing in human cells with zinc finger nucleases constructed via modular assembly 2009-07
_[43] 논문 Selection-free zinc-finger-nuclease engineering by context-dependent assembly (CoDA) 2011-01
_[44] 논문 A general strategy for selecting high-affinity zinc finger proteins for diverse DNA target sites 1997-01
_[45] 논문 Rapid "open-source" engineering of customized zinc-finger nucleases for highly efficient gene modification 2008-07
_[46] 논문 MYST family histone acetyltransferases in the protozoan parasite Toxoplasma gondii 2005-12
_[47] 논문 The histone H4 acetyltransferase MOF uses a C2HC zinc finger for substrate recognition 2001-02
_[48] 논문 Myelin transcription factor 1 (Myt1) of the oligodendrocyte lineage, along with a closely related CCHC zinc finger, is expressed in developing neurons in the mammalian central nervous system https://zenodo.org/r[...] 1997-10
_[49] 논문 ST18 is a breast cancer tumor suppressor gene at human chromosome 8q11.2 2004-12
_[50] 저널 Zinc fingers: a novel protein fold for nucleic acid recognition 1987
_[51] 저널 Xenopus transcription factor A requires zinc for binding to the 5 S RNA gene https://archive.org/[...] 1983-12
_[52] 저널 Zinc fingers and other metal-binding domains. Elements for interactions between macromolecules 1990-04
_[53] 저널 Zinc finger peptides for the regulation of gene expression 1999-10
_[54] 저널 Multiple modes of RNA recognition by zinc finger proteins https://zenodo.org/r[...] 2005-06
_[55] 저널 Zinc finger proteins: getting a grip on RNA 2005-02
_[56] 저널 Sticky fingers: zinc-fingers as protein-recognition motifs 2007-02
_[57] 저널 Zinc fingers--folds for many occasions 2002-12
_[58] 저널 Zinc finger proteins: new insights into structural and functional diversity 2001-02
_[59] 저널 Structural classification of zinc fingers: survey and summary 2003-01
_[60] 저널 Design and selection of novel Cys2His2 zinc finger proteins 2001
_[61] 저널 Design and selection of novel Cys2His2 zinc finger proteins 2001
_[62] 저널 Design of polydactyl zinc-finger proteins for unique addressing within complex genomes 1997-05
_[63] 저널 "[3H]MK801 binding to the N-methyl-D-aspartate receptor reveals drug interactions with the zinc and magnesium binding sites" 1988-12
_[64] 저널 Precise genome modification in the crop species Zea mays using zinc-finger nucleases 2009-05
_[65] 저널 Progress and prospects: zinc-finger nucleases as gene therapy agents 2008-11
_[66] 저널 Knockout rats via embryo microinjection of zinc-finger nucleases 2009-07
_[67] 웹인용 Autologous T-Cells Genetically Modified at the CCR5 Gene by Zinc Finger Nucleases SB-728 for HIV http://clinicaltrial[...] ClinicalTrials.gov 2009
_[68] 저널 DNA binding site of the growth factor-inducible protein Zif268 1989-11
_[69] 저널 Zinc finger-DNA recognition: crystal structure of a Zif268-DNA complex at 2.1 A 1991-05
_[70] 저널 Zinc finger phage: affinity selection of fingers with new DNA-binding specificities 1994-02
_[71] 저널 In vitro selection of zinc fingers with altered DNA-binding specificity 1994-05
_[72] 저널 Toward a code for the interactions of zinc fingers with DNA: selection of randomized fingers displayed on phage 1994-11
_[73] 저널 Building zinc fingers by selection: toward a therapeutic application 1995-01
_[74] 저널 Genome editing with modularly assembled zinc-finger nucleases 2010-02
_[75] 저널 Reply to "Genome editing with modularly assembled zinc-finger nucleases" 2010-02
_[76] 저널 MYST family histone acetyltransferases in the protozoan parasite Toxoplasma gondii 2005-12
_[77] 저널 The histone H4 acetyltransferase MOF uses a C2HC zinc finger for substrate recognition 2001-02
_[78] 저널 Myelin transcription factor 1 (Myt1) of the oligodendrocyte lineage, along with a closely related CCHC zinc finger, is expressed in developing neurons in the mammalian central nervous system https://zenodo.org/r[...] 1997-10
_[79] 저널 ST18 is a breast cancer tumor suppressor gene at human chromosome 8q11.2 2004-12