Einführung

Der genetische Code wurde basierend auf Cricks Frozen accident theory (Crick, 1968) als degeneriert definiert. Aminosäuren weisen unterschiedliche Einbaufrequenzen auf; Spezifische Codons müssen jedoch für die ordnungsgemäße Abgabe und den Einbau in die entstehende Polypeptidkette verantwortlich sein (Woese et al., 2000). Die Degeneration des genetischen Codes ist nicht statisch und seine Dynamik kann durch nicht übliche Aminosäuren identifiziert werden. Ein Beispiel ist das Selenocystein (Sec, U), das als einundzwanzigste Aminosäure bezeichnet wird, die in den frühen 80er Jahren entdeckt wurde und unter Verwendung einer UGA-Codon-Erkennung (Diamond et al., 1981). Dieses Codon wird kanonisch als Stop-Codon identifiziert; Die Zellmaschinerie fand jedoch einen Weg, diese Bedeutung in eine Aminosäureeinbauposition umzuwandeln. Interessanterweise kann UAG-Codon, ein anderes Stop-Codon, als Sec oder Pyrrolysin (Pyl, O) erkannt werden, eine andere nicht-kanonische co-traditionell eingebaute Aminosäure (Srinivasan et al., 2002).

Im Laufe der Jahre wurde der molekulare Mechanismus, der die UGA-Fehlinterpretation für den Sec-Einbau ermöglicht, als abhängig von einem spezifischen mRNA-Element identifiziert, nämlich SECIS (Selenocystein Incorporation Sequence). Diese einzigartige Sequenz in der mRNA faltet sich in einer Haarnadelkonformation stromabwärts, in Bakterien, oder an der 3’nicht translatierten Region–3’UTR in Archaea und Eukarya und ändert die Interpretation vom kanonischen UGA-Stop-Codon zum UGA-Sec-Einbau (Su et al., 2005). Der gesamte Sec-Einbaumechanismus ist vollständig in Bakterien beschrieben, wobei das SECIS-Element durch die Ribosomenbewegung während des Translationsprozesses in Gegenwart eines spezifischen Dehnungsfaktors für den Sec-Einbau (SelB oder EFSec) entfaltet wird (Fischer et al., 2016). Der Mechanismus der SECIS-Positionierung an der Spitze der UGA-Codon-Position während der Secis in Archaea und Eukarya ist jedoch noch unbekannt.

Eine weitere Besonderheit von Sec ist die Sec-spezifische tRNA. Die tRNASec ist in den meisten Organismen vorhanden und hat eine andere „8 + 5“ (Bakterien) oder „9 + 4“ (Archaea / Eukarya) Kleeblatt-Konformation im Vergleich zur traditionellen „7 + 5“ Akzeptor / T2C-Loop-Falte (Serrão et al., 2018). Offensichtlich ist das UCA-Anticodon ein weiterer Schlüssel für seine Spezifität, zu der auch der längste variable Arm gehört. Jedes spezifische Merkmal ist entscheidend für die Reifung und Beladung der tRNA während des Sec-Biosynthesewegs.

Anfänglich wird der tRNASec nicht mit einer Sec-Aminosäure beladen, sondern mit Serin (Ser, S) durch die Seryl-tRNA-Synthetase (SerRS), was zu einem intermediären Ser-tRNASec führt. Normalerweise sind Amino-Acyl-tRNA-Synthetasen hochspezifische Enzyme, die einzigartige tRNAs-Moleküle erkennen, um sie mit ihren spezifischen Aminosäuren aufzuladen. SerRS ist jedoch eine Amino-Acyl-tRNA-Synthetase der Klasse II, die eine besondere Erkennung gegen den Akzeptor und den langen variablen Arm aus der Ser- und / oder Sec-tRNA aufweist, die eine Unspezifität gegen das Anti-Codon liefert (Schimmel und Soll, 1979).

Das Intermediat Ser-tRNASec wird an Selenocysteinsynthase–SelA in Bakterien – oder Phosphoseryl-tRNA–Kinase–PSTK in Archaea /Eukarya- zur Ser / Sec-Umwandlung abgegeben. In Bakterien ist das homodecamere SelA, ein Pyridoxal-5′-phosphat (PLP) -Abhängigkeitsenzym, für diese Umwandlung verantwortlich und bildet eine ternäre 1,3-MDa-Komplexmaschinerie (Silva et al., 2015). Dieser transiente Komplex wird durch die Wechselwirkung zwischen SelA zusammengesetzt.Ser-tRNASec binärer Komplex und ein Enzym namens Selenophosphatsynthetase (SelD), verantwortlich für die Abgabe des Selendonors –Selenophosphat – und liefert die katalytische Tasche, um das reife Sec-tRNASec zu erhalten (Silva et al., 2015). Selenverbindungen sind zytotoxisch, was einen speziellen Mechanismus erfordern kann, um den Zelltod zu vermeiden. Eine Alternative, um niedrige Toxizitätsniveaus zu halten, ist das Recycling von Selenverbindungen in die biologische und nützliche Quelle als Selenophosphat. Diese Umwandlung beinhaltet ein Nicht-Sec-Pathway-spezifisches Enzym – Selenocysteinlyase (CsdB) –, das das Sec-Recycling zu Selenid antreibt, das für die Zellen hochgiftig ist. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass CsdB.SelD interagiert zum Schutz der Umwelt und katalysiert die Selenphosphorylierung unabhängig von den Organismen (Itoh et al., 2009).

Andererseits ist die Sec-Biosynthese in Archaea und Eukarya unterschiedlich und in zwei verschiedene Schritte unterteilt. Der im Ser-tRNASec vorhandene anfängliche Ser-Rest wird durch PSTK phosphoryliert, was zu einem intermediären o-Phosposeryl-(Sep) -tRNASec führt. Nach der Umwandlung führt die o-Phosphoseryl-tRNASec–Selentransferase (SepSecS-ein PLP-abhängiges Enzym) die Sep / Sec-Umwandlung durch, was zum reifen Sec-tRNASec führt (Liu et al., 2014). Die biologische Selenverbindung wird wie für Bakterien erwähnt abgegeben.

Ein weiterer Hauptunterschied zwischen Sec und anderen Aminosäuren ist der Einbauprozess. Reife Sec-tRNASec wird durch einzigartige Elongationsfaktoren (SelB oder EFSec) erkannt und spezifisch in die ribosomale Maschinerie abgegeben, die nicht nur die traditionellen Moleküle für den Einbau von Aminosäuren, d. H. L30-ribosomale Untereinheit und tRNA, erkennen können, sondern auch die SECIS und / oder SECIS-bindenden Proteine (SBPs) (Fletcher et al., 2001). SBPs sind in Eukarya gegründete Proteine, die SECIS-Elemente auf 3′-UTR identifizieren und deren Interaktion mit eEFSec für den Sec-Einbau unterstützen (Fletcher et al., 2001). In Bakterien ist SelB in der Lage, alle drei Elemente (Ribosom, reifes tRNASec und SECIS-Element) zu identifizieren. Dieser Mechanismus ist der Schlüssel, der die UGA-Fehlinterpretation ermöglicht und Sec als Teil des entstehenden Polypeptids einführt. Dieser Mechanismus inspirierte die Forscher zu den neuen Bemühungen, diese Erweiterung des genetischen Codes zu verstehen und zu nutzen, um das Protein-Engineering und die synthetische Biologie zu verbessern (Miller et al., 2015). Mutationen und Chimären ermöglichten den unspezifischen Einbau von Aminosäuren in verschiedene Codons, d.h., führen Sie den Einbau von kanonischen Aminosäuren am UGA-Codon durch, indem Sie beispielsweise Elongationsfaktoren (EFTu) verwenden, die mit der SelB-Cterminaldomäne fusioniert sind und für die SECIS-Erkennung verantwortlich sind (Soll, 2015). Weitere Verbesserungen in der synthetischen Biologie sind im Gange und die Ergebnisse werden inspirieren, und wird dieses Feld in naher Zukunft brechen.Darüber hinaus hilft das vollständige Verständnis dieses Einbaumechanismus derzeit dem Protein-Engineering-Prozess und der synthetischen Biologie, eine „neue Erweiterung“ des genetischen Codes durch Manipulation des Einbaus der Aminosäuren zu ermöglichen (Mukai et al., 2017).

Sec ist ein Beispiel für diese Expansion, die die Natur gemacht hat, um die Variabilität in den Proteinen zu erhöhen, zu funktionieren und auch Zelltoxizität zu verhindern. Das vollständige Verständnis dieses Mechanismus kann uns helfen, Proteinevolutionsprozesse und makromolekulare Wechselwirkungen zu verstehen, die es uns ermöglichen, neue Methoden und Wege zu entwickeln, um die Möglichkeiten der synthetischen Biologie zu erweitern.

Diskussion

Die Bedeutung und Einzigartigkeit des Sec-Inkorporationsdehnungsfaktors wird hervorgehoben, als das komplexe System in 30 Jahren umfangreicher Forschung vollständig beschrieben wurde. Aspekte wie die Regulierung der Selenoproteinexpression unter oxidativem Stress oder die Verfolgung der UGA-Stop-Fehlinterpretation sind faszinierend, um den genetischen Code zu verstehen und zu erweitern. Neue Wege, dieselben Informationen umzuschreiben oder zu interpretieren, werden die Grenzen des genetischen Codes erweitern, nicht nur durch die Erhöhung der Vielfalt und der Möglichkeiten im Protein-Engineering, sondern auch durch die Schaffung neuer Erkenntnisse zur Kodierung spezifischer Enzyme und Proteine. Der gesamte Sec-Biosyntheseweg ist einzigartig, jedoch ist die EF-UGA-Erkennung der Hauptgrund dafür, dass Sec anders ist. EF erkennt normalerweise die Einbaumaschinerie an der richtigen Position für den Aminosäureeinbau.

Darüber hinaus kann dieser Mechanismus verwendet werden, um Fragen zur Effizienz, Genauigkeit und Erhaltung des Einbauprozesses zwischen verschiedenen Arten zu beantworten. Die Sec-Inkorporation unterscheidet sich hauptsächlich durch SelB, die spezielle EF, die die UGA-Sec-Erkennung basierend auf einem mRNA-Element ermöglicht. Evolutionär änderte sich Sec-EF, um einen anderen Partner zu erkennen, der hilft, den Sec-tRNASec richtig in die Ribosomenhöhle zu führen, wodurch dieser Prozess effizienter wird.

Wie bereits erwähnt, haben Forscher bereits begonnen, die Sec-Maschinerie zu verstehen und zu nutzen, um Chimären zu erzeugen, mit denen wir die Erkennung des Codons verändern können. Weitere Studien zu EFs und seinen Wechselwirkungen am Beispiel von SelB / eEFSec könnten uns zu neuen Erkenntnissen in der neuen Ära der genetischen Expansion führen.

Autorenbeiträge

Alle aufgeführten Autoren haben einen wesentlichen, direkten und intellektuellen Beitrag zum Werk geleistet und es zur Veröffentlichung freigegeben.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.