KRAB型锌指蛋白(KZNF)的研究进展

遗传HEREDITAS(Beijing)28(11):1451~1456,2006专论与综述收稿日期:2005-11-17;修回日期:2006-08-16基金项目:国家高技术研究发展计划项目(863计划)(编号:2004AA221100、2005AA220060、2002BA71A02-5)和国家自然科学基金(编号:30321003、30600310)资助[SupportedbyChineseNationalProgramsforHighTechnologyResearchandDevelopment(863Program)(No.2004AA221100、2005AA220060、2002BA71A02-5)andNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.30321003,30600310)]作者简介:田春艳(1974－),女,山东人,博士,副研究员,研究方向:生物化学与细胞生物学。Tel:[phone];E-mail:[e-mail]通讯作者:贺福初(1962－),男,湖南人,博士,研究员,中国科学院院士,研究方向:蛋白质组学。Tel:[phone];E-mail:[e-mail]张令强(1976－),男,山东人,博士,副研究员,研究方向:细胞生物学。Tel:[phone];E-mail:[e-mail]:10.1360/yc-006-1451KRAB型锌指蛋白(KZNF)的研究进展田春艳,张令强,贺福初(军事医学科学院放射与辐射医学研究所系统生物学研究室,北京100850)摘要:KRAB型锌指蛋白是哺乳动物中最大的转录调控因子家族,它的多数成员在基因组上成簇分布。其结构特征是N端含有KRAB结构域,C端含有多个C2H2型锌指结构。KRAB结构域为一蛋白质-蛋白质相互作用区,可以与多种协同转录抑制因子和转录因子结合,使KRAB型锌指蛋白作为转录因子和/或转录调控因子发挥依赖于DNA结合的转录抑制功能,在胚胎发育、细胞分化、细胞转化及细胞周期的调控中发挥重要功能。关键词:KRAB;KZNF;C2H2型锌指;KAP-1;转录抑制中图分类号:Q75文献标识码:A文章编号:0253-9772(2006)11-1451-06ProgressintheStudyofKRABZincFingerProteinTIANChun-Yan,ZHANGLing-Qiang,HEFu-Chu(LaboratoryofSystemsBiology,InstituteofRadiationMedicine,Beijing100850,China)Abstract:ThezincfingerproteinscontainingtheKruppel-associatedboxdomain(KRAB)constitutethelargestsinglefamilyoftranscriptionalregulatorsinmammals.Manygenesencodingmembersofthisfamilyarearrangedinclusters.KRAB-containingproteinsarecharacterizedbythepresenceof4andover30C2H2zinc-fingermotifsandaKRABdomainneartheaminoterminusoftheprotein.KRABdomainbehavingasaprotein-proteininteractiondomaincouldbindtocorepressorproteinsand/ortranscriptionfactors,andthattheKRAB-containingproteinscouldactasarepressororcorepressorandplayakeyroleintranscriptionalrepression.Membersofthefamilyareinvolvedinembryonicdevelopment,celldifferentiation,cellproliferation,apoptosis,neoplastictransformationandcellcycleregulation.Keywords:KRAB;KZNF;C2H2zincfinger;KAP-1;transcriptionalrepression锌指是一种重要的能与DNA结合的结构域,其特点为锌指蛋白中的半胱氨酸和/或组氨酸与二价的锌离子结合形成的一种特定的二级结构。锌指蛋白可以通过与双链DNA、单链DNA及RNA的结合发挥转录调节及RNA剪接等功能。根据与锌离子结合的氨基酸的不同,锌指蛋白可以分为许多亚家族,其中Krüppel-like(Cys2His2,C2H2)型锌指蛋白是其最大的亚家族,它的锌指序列的特征为CX2CX3FX5LX2HX3H;两个锌指之间的保守序列为TGEKP(Y/F)X(X代表在保守氨基酸之间的任意氨基酸)。而C2H2型锌指蛋白又可以根据其N端含有的结构域分成4大类:FAX(finger-associatedboxes)型,1452遗传HEREDITAS(Beijing)200628卷FAR(finger-associatedrepeats)型,POZ(poxvirusandzincfingers,alsoknownasZin)和KRAB(Krup-pel-associatedbox)型[1]。含KRAB结构域的锌指蛋白也称KRAB型锌指蛋白(KRAB-containingzincfingerprotein,KZNF),占人类基因组中所有锌指蛋白(799种)的三分之一(290种),是哺乳动物中最大的转录调控因子家族,其中超过220种在胚胎发育、细胞分化、细胞转化及细胞周期的调控中发挥重要功能,并随时间和空间的不同进行特异表达[2]。本文从KRAB型锌指蛋白的结构域、作用机制及功能等方面对此类蛋白进行综述。1KRAB型锌指蛋白的几种结构域KZNF的结构特征是N端含有KRAB结构域[3],C端含有多个C2H2型锌指结构[4]。这个家族的某些成员在N端还含有一个SCAN结构域。1.1C2H2型锌指C2H2型锌指中是两个半胱氨酸和两个组氨酸与锌离子形成的特定的ββ-α球状的二级结构,锌指中的α螺旋与DNA双螺旋中的大沟结合,形成稳定的DNA-蛋白质结合模式。在KZNF中,锌指的数目不一,一般在3到40之间,它们均由一个外显子编码而来。通过对其晶体结构的分析发现,锌指蛋白上的某些氨基酸在DNA的识别中发挥重要的作用,每个特定氨基酸序列的的锌指能够特异识别在DNA上的3~5个碱基对,相邻锌指持续识别连续的DNA序列形成它们特定的作用靶位点,决定了每种KZNF的特异靶基因[5]。除氨基酸序列外,其他多种因素也能够影响锌指蛋白对DNA的识别,如邻近锌指之间的相互影响、翻译后修饰的影响以及与其他蛋白形成异源二聚体,使我们不能通过氨基酸序列简单地对锌指蛋白靶序列进行预测。目前对KZNF靶序列的鉴定多通过实验的方法,如构建一定长度的双链核苷酸文库,通过与纯化后的锌指蛋白的结合,经测序比对后得到[5]。1.2KRAB结构域KRAB为一蛋白质-蛋白质相互作用区,可以与多种协同转录抑制因子,如:KAP-1、HP1α、MOD1和MOD2及多种转录因子如c-myc和BRCA1结合,是一种具有较强转录抑制功能的结构域。它由约57~75个较保守的氨基酸组成,可以被分成A、B两个box(Fig.1A),它们由不同的外显子编码而来,其中Abox在转录抑制中起着核心作用,Bbox对Abox的转录抑制功能起加强作用[6]。根据A和/或Bbox的有无,KZNF可以分成3个亚家族:(1)KRABA亚家族:仅含有一个Abox;(2)KRABA+B亚家族:含有A和B两个box;(3)KRABA+b亚家族:含有一个Abox和一个变异的Bbox(也被称为bbox)。1.3SCAN结构域在一部分KZNF中还有一种结构域被称为SCAN(源于最初揭示这种结构域的文章中介绍的含此种结构域的4个分子的名字:SRE-ZBP;CTfin51;AW-1和Number18cDNA)结构域,因为其富含亮氨酸,也被称为LeR结构域。它由约87个高度保守的氨基酸组成(Fig.1:B),目前发现SCAN家族有超过60个以上的成员。在同一蛋白中,SCAN结构域一般只出现一次,不参与KZNF的转录抑制功能,与同样含SCAN结构域的蛋白相互作用形成同源或异源复合物[7]。2KZNF的染色体分布特点多数KZNF的基因在染色体上成簇分布,其他散在分布于整个基因组中。其中至少148种(超过KZNF的51%)分布于19q13上[8],为KZNF基因所在的最大的基因簇,它们多在造血细胞中特异表达,与造血细胞的发育与分化有关;另一些KZNF基因成簇分布于多个染色体的中心粒和端粒区。而含SCAN结构域的KZNF基因主要成簇分布于3p21~22、16p13.3和17p12~13。其他散在分布的基因一般分布于性染色体上。它们的这种成簇分布的特点可能与它们表达的调控方式及参与的功能有关[2]。KZNF基因的这种成簇分布的特点反映了它们在进化过程中发生了重复地复制,从而产生大量的拷贝数,使其基因数目在较短的进化时间内膨胀,使其家族成为具有众多定向进化同源基因的家族之一,与嗅觉受体家族基因一起占哺乳动物已知基因的2%~5%。此家族的存在对脊椎动物在进化过程中精细转录调控网络的建立有着重要的作用。同时KZNF家族最重要的一个特点是出现的历史较短,11期田春艳等:KRAB型锌指蛋白(KZNF)的研究进展1453图1KRAB(KOX1)及SCAN(ZNF174)结构域的示意图[1]图中显示两种结构域的氨基酸序列及预测的二级机构。Fig.1.SchematicsofthestructureofrepresentativeKRAB(fromKOX1)andSCAN(fromZNF174)domain[1]Theprimaryaminoacidsequencesandpredictedsecondarystructureofeachofthedomainsareprovided.仅存在于四足脊椎动物的基因组中,它们这种短时间内的膨胀使之即使在最近的种系中,基因的数目和种类也有较大的差异。相对于其他家族的保守性,KZNF家族在进化过程中的变异在一定程度上决定了不同种系的差异性[9]。3KRAB型锌指蛋白的作用机制1996年,KRAB相关蛋白-1(KRAB-associatedprotein-1,KAP-1)的发现标志着对KZNF转录抑制机制研究的开始。KAP-1是一种能与KRABAbox结合的转录辅抑制因子,分子量约为100kDa,同时它还被称为KRABA结合蛋白(KRAB-Ainteractingpro-tein,KRIP-1)或转录中间因子1β(transcriptionin-termediaryfactor1β)。KAP-1含3种保守的结构域:N端的RBCC(RING-Bbox-coiled-coil)结构域、C端保守的PHD型锌指和紧随其后的bromodomain结构域,属于锌指蛋白RINGFinger家族RBCC亚家族中的一员[10~12]。KAP-1是两种重要的染色质重构及组蛋白去乙酰化复合物,N-CoR1和NuRD的重要组成成份,它能以三聚体的形式,作为支架蛋白募集多种协同转录抑制因子,如异染色质蛋白1(heterochromatinprotein1,HP1)、组蛋白去乙酰化酶(histonedeacetylase-1,HDACs)和Setdb1等,形成一种较大的转录抑制复合体。Setdb1是一种组蛋白甲基转移酶,能够催化组蛋白H3第9位赖氨酸的甲基化。HP1是一种在