introduktion

den genetiske kode blev defineret som degenereret baseret på Cricks frosne ulykkesteori (Crick, 1968). Aminosyrer har forskellige inkorporeringsfrekvenser; dog skal specifikke kodoner være ansvarlige for korrekt levering og inkorporering i den spirende polypeptidkæde., 2000). Den genetiske kodedegeneration er ikke statisk, og dens dynamik kan identificeres ved ikke-sædvanlige aminosyrer. Et eksempel er selenocystein (Sec, U), denomineret som enogtyvende aminosyre opdaget i begyndelsen af 80 ‘ erne, som traditionelt inkorporeres i rammen ved hjælp af en UGA-codongenkendelse (Diamond et al., 1981). Dette kodon er kanonisk identificeret som et stop-codon; cellemaskineriet fandt imidlertid en måde at ændre denne betydning til en aminosyreindarbejdningsposition. Interessant nok kan UAG-codon, et andet stop-codon, genkendes som Sec eller pyrrolysin (Pyl, O), en anden ikke-kanonisk co-traditionelt inkorporeret aminosyre (Srinivasan et al., 2002).

i årenes løb blev den molekylære mekanisme, der tillader UGA-fejlagtig fortolkning for Sec-inkorporering, identificeret som afhængig af et specifikt mRNA-element, nemlig SECIS (selenocystein-Inkorporeringssekvens). Denne unikke sekvens i mRNA foldes i en hårnålskonformation nedstrøms, i bakterier eller ved den 3′ uoversatte region–3 ‘ UTR i Archaea og Eukarya, hvilket ændrer fortolkningen fra det kanoniske UGA-stop-kodon til UGA-Sec-inkorporering (Su et al., 2005). Hele Sec-inkorporeringsmekanismen er fuldt beskrevet i bakterier, hvor SECIS-elementet udfoldes af ribosombevægelsen under oversættelsesprocessen i nærvær af en specifik forlængelsesfaktor for Sec-inkorporering (SelB eller EFSec) (Fischer et al., 2016). Mekanismen for SECIS-positionering på toppen af UGA-codon-positionen under SEC-inkorporering i Archaea og Eukarya er dog stadig ukendt.

en anden specificitet, der involverer Sec, er Sec-specifik tRNA. TRNASec er til stede i de fleste af organismerne og har en anden “8+5” (bakterier) eller “9+4” (Archaea/Eukarya) cloverleaf konformation i sammenligning med den traditionelle “7+5” acceptor/t Kurstc-loop fold (Serr Kursto et al., 2018). Det er klart, at UCA-anticodon er en anden nøgle for dens specificitet, som også omfatter den længste variabel-arm. Hver specifik egenskab er kritisk for tRNA-modning og-belastning under Sec-biosyntesevejen.

oprindeligt er tRNASec ikke fyldt med en Sec-aminosyre, men med serin (Ser, S) af seryl-tRNA-syntetasen (Serr ‘ er), hvilket resulterer i en mellemliggende Ser-tRNASec. Normalt er amino-acyl-tRNA-syntetaser meget specifikke, der genkender unikke tRNA-molekyler til at oplade med deres specifikke aminosyrer. SerRS er imidlertid en klasse II amino-acyl tRNA-syntetase, der har en særlig genkendelse mod acceptoren og den lange variable arm fra Ser og/eller Sec tRNA, som giver en ikke-specificitet mod anti-codon (Schimmel og Soll, 1979).

den mellemliggende Ser-tRNASec leveres til selenocysteinsyntase–SelA i bakterier–eller phosphoseryl-tRNA kinase–PSTK i Archaea/Eukarya–til ser / Sec-konvertering. I bakterier er den homodecameriske SelA, en pyridoksal-5′-fosfat (PLP) afhængighed, ansvarlig for denne omdannelse, der danner et ternært 1,3 MDA komplekst maskineri (Silva et al., 2015). Dette forbigående kompleks samles ved interaktionen mellem SelA.Selenophosphatsyntetase (SelD), der er ansvarlig for levering af selendonoren–selenophosphatet–og giver den katalytiske lomme til opnåelse af den modne Sec-tRNASec (Silva et al., 2015). Selenforbindelser er cytotoksiske, hvilket kan kræve en dedikeret mekanisme for at undgå celledød. Et alternativ til at holde lave toksicitetsniveauer er genanvendelse af selenforbindelse i den biologiske og nyttige kilde som selenophosphat. Denne konvertering involverer en ikke-Sec-vejspecifik–selenocystein-lyase (CsdB)–der driver Sec-genanvendelse til selenid, hvilket er meget giftigt for cellerne. Resultaterne foreslog, at CsdB.SelD interagerer for at beskytte miljøet og katalyserer selenphosphoryleringen uanset organismerne (Itoh et al., 2009).

på en anden side er Sec-biosyntesen i Archaea og Eukarya forskellig og opdelt i to fremtrædende trin. Den oprindelige Ser-Rest, der er til stede i Ser-tRNASec, phosphoryleres af PSTK, hvilket resulterer i en mellemliggende o-phosposeryl-(Sep)-tRNASec. Efter omdannelsen udfører o-phosphoseryl-tRNASec selentransferase (SepSecS–a PLP-afhængig) Sep/Sec-konverteringen, hvilket resulterer i den modne Sec-tRNASec (Liu et al., 2014). Den biologiske selenforbindelse leveres som nævnt til bakterier.

en anden hovedforskel mellem Sec og andre aminosyrer er inkorporeringsprocessen. Moden Sec-tRNASec genkendes og leveres specifikt til ribosomalmaskineriet af unikke forlængelsesfaktorer (SelB eller EFSec), som ikke kun har evnen til at genkende de traditionelle molekyler til aminosyreindarbejdelse, dvs.L30 ribosomal underenhed og tRNA, men også til at genkende SECIS og/eller SECIS-bindende proteiner (SBPs) (Fletcher et al., 2001). SBP ‘er er proteiner, der er grundlagt i Eukarya, der identificerer SECIS-elementer på 3’ – UTR og hjælper dets interaktion med eEFSec til SEC-inkorporering (Fletcher et al., 2001). I bakterier er SelB i stand til at identificere alle tre elementer (ribosome, modent tRNASec og SECIS element). Denne mekanisme er nøglen, der tillader UGA-fejlfortolkning og introducerer Sec som en del af det spirende polypeptid. Denne mekanisme inspirerede forskere i de nye bestræbelser på at forstå og bruge denne genetiske kodeudvidelse til at forbedre proteinteknik og syntetisk biologi (Miller et al., 2015). Mutationer og kimærer muliggjorde ikke-specifik inkorporering af aminosyrer i forskellige kodoner, dvs., udfør inkorporering af kanoniske aminosyrer ved UGA-codon ved hjælp af forlængelsesfaktorer (EFTu) smeltet sammen med SelB-Cterminal domæne, der er ansvarlig for SECIS-genkendelse, som et eksempel (Soll, 2015). Yderligere forbedringer inden for syntetisk biologi er i gang, og resultaterne vil inspirere, og grunde bryder dette felt i den næsten fremtid.

desuden hjælper den fulde forståelse af denne inkorporeringsmekanisme i øjeblikket proteinteknikprocessen og syntetisk biologi, hvilket tillader en “ny udvidelse” af den genetiske kode ved at manipulere inkorporeringen af aminosyrerne (Mukai et al., 2017).

Sec er et eksempel på denne ekspansion, som naturen lavede for at øge variabiliteten i proteinerne, funktionen og forhindrer også celletoksicitet. Fuldt forståelse af denne mekanisme kan hjælpe os med at forstå proteinudviklingsprocesser og makromolekylære interaktioner, der giver os mulighed for at designe nye metoder og måder at udvide mulighederne til syntetisk biologi.

Diskussion

betydningen og unikheden af Sec-inkorporeringsforlængelsesfaktoren fremhæves, når det komplekse system blev beskrevet fuldt ud i 30 års omfattende forskning. Aspekter som hvordan det kan regulere selenoproteins ekspression under oksidativ stress eller hvordan man forfølger UGA-stop-fejlfortolkningen er fascinerende at forstå og udvide den genetiske kode. Nye måder at omskrive eller fortolke de samme oplysninger vil udvide grænserne for den genetiske kode, ikke kun ved at øge mangfoldigheden og mulighederne inden for proteinteknik, men også skabe ny indsigt til at kodificere specifikke proteiner og proteiner. Hele Sec biosyntesevejen er unik, men EF-UGA-genkendelsen er hovedårsagen til, at Sec er anderledes. EF genkender normalt inkorporeringsmaskineriet i den rigtige position for aminosyreindarbejdelsen.

desuden kan denne mekanisme bruges til at besvare spørgsmål om inkorporeringsprocessen effektivitet, nøjagtighed og bevarelse blandt forskellige arter. Sec-inkorporering er forskellig hovedsageligt på grund af SelB, den specielle EF, der tillader UGA-Sec-genkendelse baseret på et mRNA-element. Evolutionær, Sec-EF ændret til at genkende en anden partner, der hjælper med at lede Sec-tRNASec korrekt ind i ribosomalhulen, hvilket gør denne proces mere effektiv.

som tidligere nævnt begyndte forskere allerede at forstå og bruge Sec-maskinerne til at skabe kimærer, der giver os mulighed for at ændre kodonens anerkendelse. Yderligere undersøgelser i EFs og dets interaktioner ved hjælp af SelB/eEFSec som eksempel kan lede os til ny indsigt i den nye genetiske ekspansionstid.

Forfatterbidrag

alle forfattere, der er anført, har ydet et væsentligt, direkte og Intellektuelt Bidrag til Værket og godkendt det til offentliggørelse.

interessekonflikt

forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.

Liu, Y. C., Nakamura, A., Nakamura, Y., Asano, N., Ford, K. A., Hohn, M. J., et al. (2014). Ancient translation factor is essential for tRNA-dependent cysteine biosynthesis in methanogenic archaea. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 10520–10525. doi: 10.1073/pnas.1411267111

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar