Introducción

El código genético se definió como degenerado basado en la teoría de accidentes congelados de Crick (Crick, 1968). Los aminoácidos presentan diferentes frecuencias de incorporación; sin embargo, codones específicos deben ser responsables de la correcta entrega e incorporación a la cadena polipeptídica naciente (Woese et al., 2000). La degeneración del código genético no es estática, y su dinamismo puede ser identificado por aminoácidos no habituales. Un ejemplo es la selenocisteína (Sec, U), denominada como el vigésimo primer aminoácido descubierto a principios de los años 80, que se incorpora tradicionalmente en el marco mediante un reconocimiento de codón UGA (Diamond et al., 1981). Este codón se identifica canónicamente como un codón de parada; sin embargo, la maquinaria celular encontró una manera de cambiar este significado a una posición de incorporación de aminoácidos. Curiosamente, el codón UAG, otro codón stop, se puede reconocer como Sec o pirrolisina (Pyl, O), otro aminoácido no canónico incorporado tradicionalmente (Srinivasan et al., 2002).

A lo largo de los años, el mecanismo molecular que permite la interpretación errónea de UGA para la incorporación de Sec se identificó como dependiente de un elemento específico de ARNm, a saber, SECIS (Secuencia de Incorporación de SElenoCisteína). Esta secuencia única en el ARNm se pliega en una conformación de horquilla aguas abajo, en Bacterias, o en la región 3′ no traducida–3’UTR en Archaea y Eukarya, cambiando la interpretación del codón canónico UGA-stop a la incorporación de UGA-Sec(Su et al., 2005). Todo el mecanismo de incorporación de Sec se describe completamente en bacterias, donde el elemento SECIS se despliega por el movimiento del ribosoma durante el proceso de traducción en presencia de un factor de elongación específico para la incorporación de Sec (SelB o EFSec) (Fischer et al., 2016). Sin embargo, el mecanismo de posicionamiento de SECIS en la parte superior de la posición del codón UGA durante la incorporación de Sec en Archaea y Eukarya es aún desconocido.

Otra particularidad que involucra a la Sec es el ARNt específico de la Sec. El tRNASec está presente en la mayoría de los organismos y tiene una conformación de hoja de trébol «8+5» (Bacterias) o «9+4» (Archaea/Eukarya) en comparación con el aceptador tradicional «7+5″/pliegue de bucle TψC (Serrão et al., 2018). Obviamente, el UCA-anticodon es otra clave para su especificidad, que también incluye el brazo variable más largo. Cada característica específica es crítica para la maduración y carga del ARNt durante la vía de biosíntesis de Sec.

Inicialmente, el tRNASec no está cargado con un aminoácido Sec, sino con serina (Ser, S) por la seril-tRNA sintetasa (SerRS), lo que resulta en un Ser-tRNASec intermedio. Por lo general, las amino-acil ARNt sintetasas son enzimas altamente específicas que reconocen moléculas únicas de ARNt para cargarse con sus aminoácidos específicos. Sin embargo, SerRS es una amino-acil ARNt sintetasa de clase II que tiene un reconocimiento particular contra el aceptor y el brazo variable largo del ARNt Ser y/o Sec, lo que proporciona una no especificidad contra el anticodón (Schimmel y Soll, 1979).

El Ser-tRNASec intermedio se administra a la selenocisteína sintasa–SelA en Bacterias–o a la fosfoseril-ARNt quinasa-PSTK en Archaea / Eukarya-para la conversión Ser/Sec. En bacterias, el SELA homodecamérico, una enzima dependiente del piridoxal-5′-fosfato (PLP), es responsable de esta conversión formando una maquinaria compleja ternaria de 1,3 MDa (Silva et al., 2015). Este complejo transitorio se ensambla por la interacción entre el SelA.Complejo binario Ser-tRNASec y una enzima llamada selenofosfato sintetasa (SelD), responsable de entregar el donante de selenio–selenofosfato–y proporciona la bolsa catalítica para obtener el Sec-tRNASec maduro (Silva et al., 2015). Los compuestos de selenio son citotóxicos, lo que puede requerir un mecanismo específico para evitar la muerte celular. Una alternativa para mantener bajos los niveles de toxicidad es reciclar el compuesto de selenio en la fuente biológica y útil como selenofosfato. Esta conversión implica una enzima no específica de la vía Sec, la selenocisteína liasa (CsdB), que impulsa el reciclaje de Sec a seleniuro, que es altamente tóxico para las células. Los resultados sugieren que CsdB.SelD interactúa para proteger el medio ambiente y cataliza la fosforilación de selenio independientemente de los organismos (Itoh et al., 2009).

Por otro lado, en Archaea y Eukarya la biosíntesis de la Sec es diferente y se divide en dos pasos distinguidos. El residuo inicial de Ser presente en el Ser-tRNASec es fosforilado por PSTK, dando como resultado un o-fosposeril-(Sep)-tRNASec intermedio. Después de la conversión, la o-fosfoseril-tRNASec selenio transferasa (SepSecS–una enzima dependiente de PLP) realiza la conversión Sep/Sec, dando como resultado la Sec-tRNASec madura (Liu et al., 2014). El compuesto biológico de selenio se administra como se mencionó para las bacterias.

Otra diferencia principal entre Sec y otros aminoácidos es el proceso de incorporación. Sec-tRNASec maduro es reconocido y entregado específicamente a la maquinaria ribosómica por factores de elongación únicos (SelB o EFSec), que tienen la capacidad no solo de reconocer las moléculas tradicionales para la incorporación de aminoácidos, es decir, la subunidad ribosómica L30 y el ARNt, sino también de reconocer las proteínas SECIS y/o de unión a SECIS (SBPs) (Fletcher et al., 2001). Las SBP son proteínas fundadas en Eukarya que identifican elementos SECIS en 3′ – UTR y ayudan a su interacción con eEFSec para la incorporación de Sec (Fletcher et al., 2001). En bacterias, SelB es capaz de identificar los tres elementos (ribosoma, tRNASec maduro y elemento SECIS). Este mecanismo es la clave que permite la mala interpretación de la UGA e introduce la Sec como parte del polipéptido naciente. Este mecanismo inspiró a los investigadores en los nuevos esfuerzos para comprender y utilizar esta expansión del código genético para mejorar la ingeniería de proteínas y la biología sintética (Miller et al., 2015). Mutaciones y quimeras posible no específicos de incorporación de aminoácidos en diferentes codones, es decir,, realizar la incorporación de aminoácidos canónicos en el codón UGA mediante el uso de factores de elongación (EFTu) fusionados con el dominio SELB-Cterminal, responsable del reconocimiento de SECIS, como ejemplo (Soll, 2015). Se están llevando a cabo nuevas mejoras en biología sintética y los resultados inspirarán, y los terrenos romperán este campo en un futuro cercano.

Además, la comprensión completa de este mecanismo de incorporación está ayudando actualmente al proceso de ingeniería de proteínas y a la biología sintética, permitiendo una «nueva expansión» del código genético mediante la manipulación de la incorporación de los aminoácidos (Mukai et al., 2017).

Sec es un ejemplo de esta expansión que la naturaleza hizo para aumentar la variabilidad en las proteínas, la función y también previene la toxicidad celular. Comprender completamente este mecanismo puede ayudarnos a comprender los procesos de evolución de proteínas y las interacciones macromoleculares que nos permitirán diseñar nuevos métodos y formas de expandir las posibilidades en la biología sintética.

Discusión

La importancia y singularidad del factor de elongación de incorporación de la Sec se resaltan cuando el sistema complejo se describió completamente en 30 años de extensa investigación. Aspectos como cómo puede regular la expresión de selenoproteínas bajo estrés oxidativo o cómo perseguir la mala interpretación de UGA-stop son fascinantes para comprender y expandir el código genético. Nuevas formas de reescribir o interpretar la misma información ampliarán las fronteras del código genético, no solo aumentando la diversidad y las posibilidades en la ingeniería de proteínas, sino también creando nuevos conocimientos para codificar enzimas y proteínas específicas. Toda la vía de biosíntesis de Sec es única, sin embargo, el reconocimiento EF-UGA es la razón principal por la que Sec es diferente. EF generalmente reconoce la maquinaria de incorporación en la posición adecuada para la incorporación de aminoácidos.

Además, este mecanismo se puede utilizar para responder preguntas sobre la eficiencia, precisión y conservación del proceso de incorporación entre diferentes especies. La incorporación de Sec es diferente principalmente debido a SelB, el EF especial que permite el reconocimiento UGA-Sec basado en un elemento mRNA. Evolutivo, el Sec-EF cambió para reconocer a otro socio que ayuda a guiar adecuadamente al Sec-tRNASec hacia la cavidad ribosómica, lo que hace que este proceso sea más eficiente.

Como se mencionó anteriormente, los investigadores ya comenzaron a comprender y utilizar la maquinaria de la Sec para crear quimeras que nos permitan cambiar el reconocimiento del codón. Estudios adicionales sobre la SSc y sus interacciones utilizando SelB / eEFSec como ejemplo pueden guiarnos para obtener nuevos conocimientos en la nueva era de expansión genética.

Contribuciones de los autores

Todos los autores enumerados han hecho una contribución sustancial, directa e intelectual al trabajo y lo han aprobado para su publicación.

Conflicto de Intereses

Los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un conflicto de intereses potencial.Crick, F. H. C. (1968). Origen del código genético. J. Mol. Biol. 38:367. doi: 10.1016/0022-2836(68)90392-6

Resumen de PubMed / Texto completo cruzado/Google Scholar