Articles

Frontiers in Molecular Biosciences

Introduction

geneettinen koodi määriteltiin degeneroituneeksi Crickin jäätyneen onnettomuuden teorian perusteella (Crick, 1968). Aminohapoilla on erilaiset inkorporaatiotaajuudet; kuitenkin tiettyjen kodonien on vastattava oikeasta toimituksesta ja inkorporaatiosta orastavaan polypeptidiketjuun (Woese et al., 2000). Geneettisen koodin rappeuma ei ole staattinen, ja sen dynamiikka voidaan tunnistaa ei-tavanomaisista aminohapoista. Yksi esimerkki on selenokysteiini (sec, U), nimitetty kahdeskymmenesensimmäinen aminohappo löydettiin 80-luvun alussa, joka on co-perinteisesti sisällytetty runkoon käyttäen UGA-kodonin tunnistus (Diamond et al., 1981). Tämä kodoni tunnistetaan kanonisesti stop-kodoniksi, mutta solukoneisto löysi keinon muuttaa tämän merkityksen aminohapon inkorporaatioasennoksi. Mielenkiintoista, UAG-kodoni, toinen stop-kodoni, voidaan tunnistaa Sec tai pyrrolysiini (Pyl, O), toinen ei-kanoninen co-perinteisesti sisällytetty aminohappo (Srinivasan et al., 2002).

vuosien mittaan molekyylimekanismi, joka mahdollistaa UGA-virheellisen tulkinnan Sec: n inkorporaatiosta, todettiin riippuvaiseksi tietystä mRNA-alkuaineesta eli SEC: stä (Selenokysteiinin Inkorporaatiosekvenssi). Tämä ainutlaatuinen sekvenssi mRNA taittuu hiusneula konformaatio myötävirtaan, bakteereissa, tai 3 ’kääntämätön Alue-3’ UTR Archaea ja Eukarya, muuttaen tulkinta kanoninen UGA-stop kodoni UGA-Sec sisällyttäminen (Su et al., 2005). Koko Sec: n inkorporaatiomekanismi kuvataan täysin bakteereissa, joissa SECIS-alkuaine avataan ribosomien liikkeen avulla translaatioprosessin aikana, kun läsnä on erityinen venymäkerroin Sec: n inkorporaatiolle (SelB tai Ervsec) (Fischer et al., 2016). SEC: n sijoittumisen mekanismia UGA-kodonin kannan päällä Sec: n liittyessä Arkhaiaan ja Eukaryaan ei kuitenkaan vielä tunneta.

toinen SEC: tä koskeva erityispiirre on Sec-spesifinen tRNA. TRNASec on läsnä useimmissa eliöissä ja niillä on erilainen” 8+5 ”(bakteerit) tai” 9+4 ”(Archaea/Eukarya) apilanlehtien konformaatio verrattuna perinteiseen” 7+5 ” acceptor/TψC-silmukkakertaan (Serrão et al., 2018). On selvää, että UCA-anticodon on toinen avain sen spesifisyys, joka sisältää myös pisin muuttuja-varsi. Jokainen ominaispiirre on kriittinen tRNA: n kypsymiselle ja kuormitukselle Sec: n biosynteesireitin aikana.

aluksi tRNASec ei ole ladattu sec-aminohapolla, vaan seryylitrna-syntetaasilla (SerRS) seriinillä (Ser, s), jolloin muodostuu Välituote Ser-tRNASec. Yleensä amino-asyyli-tRNA-syntetaasit ovat erittäin spesifisiä entsyymejä, jotka tunnistavat ainutlaatuiset tRNAs-molekyylit varautumaan spesifisillä aminohapoillaan. SerRS on kuitenkin luokan II amino-asyyli-Trna-syntetaasi, jolla on erityinen tunnustus Ser-ja/tai SEC-tRNA: sta peräisin olevaa acceptoria ja pitkää muuttuvavartta vastaan, mikä antaa ei-spesifisyyden antikodonia vastaan (Schimmel ja Soll, 1979).

Välituote Ser-tRNASec toimitetaan Selenokysteiinisyntaasi–SelA: lle bakteereissa–tai fosfoseryyli-tRNA–kinaasi–PSTK: ssa Archaea/Eukarya-ser / Sec-muuntoon. Bakteereissa homodekamerinen SelA, pyridoksaali-5′ – fosfaatti (PLP) – riippuvuusentsyymi, on vastuussa tästä muuntumisesta muodostaen ternaarisen 1,3 MDa-kompleksikoneiston (Silva et al., 2015). Tämän ohimenevän kompleksin kokoaa Selan vuorovaikutus.Ser-tRNASec binary complex ja entsyymi nimeltä selenofosfaattisyntetaasi (SelD), joka vastaa seleenin luovuttajan–selenofosfaatin–toimittamisesta ja tarjoaa katalyyttisen taskun kypsän Sec-trnasecin (Silva et al., 2015). Seleeniyhdisteet ovat sytotoksisia, mikä voi vaatia oman mekanismin solukuoleman välttämiseksi. Vaihtoehtona alhaisten myrkyllisyystasojen pitämiseksi on seleeniyhdisteen kierrättäminen biologiseen ja hyödylliseen lähteeseen selenofosfaattina. Tämä muuntaminen liittyy ei-Sec reitti – spesifinen entsyymi-selenokysteiinilyaasi (CsdB) – joka ajaa Sec kierrätys selenidi, joka on erittäin myrkyllistä soluille. Tulokset viittasivat keskitettyyn Arvopaperitietokantaan.SelD suojelee ympäristöä ja katalysoi seleenifosforylaatiota eliöistä riippumatta (Itoh et al., 2009).

toisaalta Arkhaiassa ja Eukaryassa sek-biosynteesi on erilainen ja jakautunut kahteen erotettuun vaiheeseen. Pstk fosforyloi ser-trnasecissa olevan alkuperäisen ser-jäämän, jolloin muodostuu Välituote o-fosposeryyli-(Sep) – tRNASec. Konversion jälkeen o-fosfoseryyli–trnasek seleenitransferaasi (SEPSECS-a PLP-riippuvainen entsyymi) suorittaa Sep/Sec-konversion, jolloin syntyy kypsä sec-tRNASec (Liu et al., 2014). Biologinen seleeniyhdiste toimitetaan mainitun mukaisesti bakteereille.

toinen pääero Sec: n ja muiden aminohappojen välillä on inkorporaatioprosessi. Kypsä Sec-tRNASec on tunnustettu ja erityisesti toimitettu ribosomaaliseen koneistoon ainutlaatuisilla venymätekijöillä (SelB tai Ervsec), joilla on kyky paitsi tunnistaa perinteiset aminohappojen inkorporoitumismolekyylit eli L30 ribosomaalinen alayksikkö ja tRNA, myös tunnistaa SECIS-ja/tai SECIS-sitovat proteiinit (Sbps) (Fletcher et al., 2001). SBP: t ovat Eukaryassa perustettuja proteiineja, jotka tunnistavat 3′-UTR: n SECIS-elementit ja auttavat sen vuorovaikutusta Eefsec: n kanssa SEC: n sisällyttämisessä (Fletcher et al., 2001). Bakteereista SelB pystyy tunnistamaan kaikki kolme alkuainetta (ribosomi, kypsä tRNASec ja SECIS-alkuaine). Tämä mekanismi mahdollistaa UGA-virhetulkinnan ja tuo Sec: n osaksi orastavaa polypeptidiä. Tämä mekanismi inspiroi tutkijoita uusissa pyrkimyksissä ymmärtää ja käyttää tätä geneettisen koodin laajentamista proteiinitekniikan ja synteettisen biologian parantamiseksi (Miller et al., 2015). Mutaatiot ja kimairat mahdollistivat aminohappojen epäspesifisen liittämisen eri kodoneihin, ts., suorita kanonisten aminohappojen sisällyttäminen UGA-kodoniin käyttämällä elongaatiokertoimia (EFTu), jotka on fuusioitu Selb-Cterminal domainiin, joka vastaa SECIS-tunnistuksesta, esimerkkinä (Soll, 2015). Synteettisen biologian lisäparannukset ovat käynnissä ja tulokset innostavat, ja perusteet rikkovat tätä alaa lähes tulevaisuudessa.

lisäksi tämän inkorporaatiomekanismin täysi ymmärtäminen auttaa tällä hetkellä proteiiniteknistä prosessia ja synteettistä biologiaa, mikä mahdollistaa geneettisen koodin ”uuden laajenemisen” manipuloimalla aminohappojen inkorporaatiota (Mukai et al., 2017).

Sec on yksi esimerkki tästä laajenemisesta, jonka luonto teki lisäämään proteiinien vaihtelua, toimintaa ja myös estämään solutoksisuutta. Tämän mekanismin täydellinen ymmärtäminen voi auttaa meitä ymmärtämään proteiinien evoluutioprosesseja ja makromolekyylisiä vuorovaikutuksia, joiden avulla voimme suunnitella uusia menetelmiä ja tapoja laajentaa mahdollisuuksia synteettiseen biologiaan.

Keskustelu

Sec: n inkorporaatiovenymäkertoimen merkitys ja ainutlaatuisuus korostuvat, kun monimutkainen systeemi kuvattiin kokonaisuudessaan 30 vuotta kestäneessä laajassa tutkimuksessa. Aspektit, kuten miten se voi säädellä selenoproteiinien ilmentymistä oksidatiivisessa stressissä tai miten jatkaa UGA-stop-virhetulkintaa, ovat kiehtovia ymmärtämään ja laajentamaan geneettistä koodia. Uudet tavat kirjoittaa uudelleen tai tulkita samaa tietoa laajentavat geneettisen koodin rajoja, ei ainoastaan lisäämällä proteiinitekniikan monimuotoisuutta ja mahdollisuuksia, vaan myös luomalla uusia oivalluksia tiettyjen entsyymien ja proteiinien koodaamiseksi. Koko Sec: n biosynteesireitti on ainutlaatuinen, mutta EF-UGA-tunnistus on tärkein syy Sec: n erilaisuuteen. EF tunnistaa yleensä inkorporaatiokoneiston oikeasta asennosta aminohapon inkorporaatiolle.

tämän mekanismin avulla voidaan lisäksi vastata kysymyksiin, jotka koskevat sekoitusprosessin tehokkuutta, tarkkuutta ja säilyvyyttä eri lajien kesken. Sec: n sisällyttäminen on erilainen pääasiassa Selb: n vuoksi, joka on erityinen EF, joka mahdollistaa mRNA-elementtiin perustuvan UGA-Sec: n tunnustamisen. Evoluutio, Sec-EF muuttui tunnistamaan toisen kumppanin, joka auttaa ohjaamaan Sec-trnasecin oikein ribosomaaliseen onteloon, mikä tekee tästä prosessista tehokkaamman.

kuten aiemmin mainittiin, tutkijat alkoivat jo ymmärtää ja käyttää Sec-koneistoa luodakseen kimeerejä, joiden avulla voimme muuttaa kodonin tunnistusta. EFs: ää ja sen vuorovaikutusta koskevat lisätutkimukset, joissa käytetään esimerkkinä SelB/eEFSec: tä, voivat opastaa meitä löytämään uusia oivalluksia uuden geneettisen laajenemisen aikakaudella.

Tekijäosuudet

kaikki luetellut tekijät ovat antaneet merkittävän, suoran ja älyllisen panoksen teokseen ja hyväksyneet sen julkaistavaksi.

eturistiriita

kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdollisiksi eturistiriidoiksi.

Crick, F. H. C. (1968). Geneettisen koodin alkuperä. J. Mol. Biol. 38:367. doi: 10.1016/0022-2836(68)90392-6

PubMed Abstract | CrossRef Full Text/Google Scholar

Diamond, A., Dudock, B., and Hatfield, D. (1981). Naudan maksan UGA-vaimentimen seriini tRNA rakenne ja ominaisuudet tryptofaaniantikodonilla. Selli 25, 497-506. doi: 10.1016/0092-8674 (81)90068-4

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Fischer, N., Neumann, P., Bock, L. V., Maracci, C., Wang, Z., Paleskava, A., et al. (2016). Venymätekijä SelB: n reitti Gtpaasiaktivaatioon ribosomissa. Luonto 540, 80-85. doi: 10.1038/nature20560

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Fletcher, J. E., Copeland, P. R., Driscoll, D. M., and Krol, A. (2001). Selenokysteiinin inkorporaatiokoneisto: SECIS-RNA: n ja SECIS: ää sitovan proteiinin sbp2: n väliset interaktiot. RNA 7, 1442-1453.

PubMed Abstract/Google Scholar

Itoh, Y., Sekine, S. I., Matsumoto, E., Akasaka, R., Takemoto, C., Shirouzu, M., et al. (2009). Selenofosfaattisyntetaasin rakenne, joka on välttämätön seleenin liittämiseksi proteiineihin ja RNAs: iin. J. Mol. Biol. 385, 1456–1469. doi: 10.1016 / j.jmb.2008.08.042

PubMed Abstract | CrossRef Full Text/Google Scholar

Liu, Y. C., Nakamura, A., Nakazawa, 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

Miller, C., Brocker, M. J., Prat, L., Ip, K., Chirathivat, N., Feiock, A., et al. (2015). A synthetic tRNA for EF-Tu mediated selenocysteine incorporation in vivo and in vitro. FEBS Lett. 589, 2194–2199. doi: 10.1016/j.febslet.2015.06.039

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Mukai, T., Lajoie, M. J., Englert, M., and Soll, D. (2017). – Kirjoitan geneettisen koodin uudelleen. Annu. Pastori Microbiol. 71,557–577. doi: 10.1146/annurev-micro-090816-093247

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Schimmel, P. R., and Soll, D. (1979). Aminoasyylinsiirto-RNA-syntetaasit yleiset ominaisuudet ja transfer-RNA: n tunnistus. Annu. Pastori Biochem. 48, 601–648. doi: 10.1146 / annurev.bi.48.070179. 003125

CrossRef Full Text | Google Scholar

Serrão, V. H. B., Silva, I. R., Silva, M. T. A., Scortecci, J. F., Fernandes, A. F., ja Thiemann, O. H. (2018). Ainutlaatuinen trnasek ja sen rooli selenokysteiinin biosynteesissä. Aminohapot 50, 1145-1167. doi: 10.1007 / s00726-018-2595-6

PubMed Abstract | CrossRef Full Text/Google Scholar

Silva, I. R., Serrao, V. H. B., Manzine, L. R., Faim, L. M., da Silva, M. T. A., Makki, R., et al. (2015). Ternaarisen kompleksin muodostuminen selenokysteiinin biosynteesille bakteereissa. J. Biol. Kemiaa. 290, 29178–29188. doi: 10.1074 / jbc.M114.613406

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

soll, D. (2015). Trna-ohjattu tutkimusmatka synteettisestä kemiasta synteettiseen biologiaan. RNA 21, 742-744. doi: 10.1261/rna.050625.115

PubMed Abstract | CrossRef Full Text/Google Scholar

Srinivasan, G., James, C. M., and Krzycki, J. A. (2002). Pyrrolysiini koodattu UAG Archaea: latauksen UAG-dekoodaus erikoistunut Trna. Science 296, 1459-1462. doi: 10.1126 / tiede.1069588

PubMed Abstract | CrossRef Full Text/Google Scholar

Su, D., Li, Y. H., and Gladyshev, V. N. (2005). Selenokysteiini lisäys ohjannut 3 valittu 3rna. tRNEscherichia coli. Nucleic Acids Res. 33, 2486-2492. doi: 10.1093/Nar/gki547

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Woese, C. R., Olsen, G. J., Ibba, M., and Soll, D. (2000). Aminoasyyli-Trna-syntetaasit, geneettinen koodi ja evoluutioprosessi. Mikrobiolia. Mol. Biol. Rev. 64, 202-236. doi: 10.1128 / MMBR.64.1.202-236.2000

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar