Introduction

Le code génétique a été défini comme dégénéré sur la base de la théorie de l’accident gelé de Crick (Crick, 1968). Les acides aminés présentent des fréquences d’incorporation différentes; cependant, des codons spécifiques doivent être responsables de la distribution et de l’incorporation appropriées dans la chaîne polypeptidique naissante (Woese et al., 2000). La dégénérescence du code génétique n’est pas statique et son dynamisme peut être identifié par des acides aminés non habituels. Un exemple est la sélénocystéine (Sec, U), dénommée vingt et unième acide aminé découverte au début des années 80, qui est co-traditionnellement incorporée dans le cadre à l’aide d’une reconnaissance de codon UGA (Diamond et al., 1981). Ce codon est identifié canoniquement comme un codon stop; cependant, la machinerie cellulaire a trouvé un moyen de changer cette signification en une position d’incorporation d’acides aminés. Fait intéressant, le codon UAG, un autre codon stop, peut être reconnu comme Sec ou pyrrolysine (Pyl, O), un autre acide aminé co-traditionnellement incorporé non canonique (Srinivasan et al., 2002).

Au fil des ans, le mécanisme moléculaire qui permet la mauvaise interprétation de l’UGA pour l’incorporation de Sec a été identifié comme dépendant d’un élément spécifique de l’ARNm, à savoir SECIS (Séquence d’incorporation de la SÉlénoCystéine). Cette séquence unique dans l’ARNm se plie dans une conformation en épingle à cheveux en aval, chez les bactéries ou dans la région 3′ non traduite – 3’UTR chez les Archées et les Eucaryotes, changeant l’interprétation du codon canonique UGA-stop à l’incorporation UGA-Sec (Su et al., 2005). L’ensemble du mécanisme d’incorporation de Sec est entièrement décrit chez les bactéries, où l’élément SECIS est déplié par le mouvement du ribosome pendant le processus de translation en présence d’un facteur d’élongation spécifique pour l’incorporation de Sec (SelB ou EFSec) (Fischer et al., 2016). Cependant, le mécanisme de positionnement de SECIS sur le sommet de la position du codon UGA lors de l’incorporation de Sec chez Archaea et Eukarya est encore inconnu.

Une autre particularité impliquant la Sec est l’ARNt spécifique à la Sec. Le tRNASec est présent dans la plupart des organismes et présente une conformation de feuille de trèfle « 8+5 » (Bactéries) ou « 9+4 » (Archaea/Eukarya) différente par rapport au pli accepteur traditionnel « 7+5″/boucle T ψc (Serrão et al., 2018). De toute évidence, l’anticodon UCA est une autre clé pour sa spécificité, qui comprend également le bras variable le plus long. Chaque caractéristique spécifique est critique pour la maturation et le chargement de l’ARNt au cours de la voie de biosynthèse Sec.

Initialement, le tRNASec n’est pas chargé en acide aminé Sec, mais en sérine (Ser, S) par la séryl-ARNt synthétase (SerRS), ce qui donne un Ser-tRNASec intermédiaire. Habituellement, les synthétases d’ARNt d’amino-acyle sont des enzymes hautement spécifiques qui reconnaissent des molécules d’ARNT uniques à charger avec leurs acides aminés spécifiques. Cependant, SerRS est une amino-acyltrn synthétase de classe II qui a une reconnaissance particulière contre l’accepteur et le bras variable long de l’ARNt Ser et / ou Sec, ce qui fournit une non-spécificité contre l’anti-codon (Schimmel et Soll, 1979).

Le Ser-ARNTEC intermédiaire est administré à la sélénocystéine synthase-SelA chez les bactéries – ou à la phosphoséryl-ARNt kinase -PSTK chez les Archées/Eukarya – pour une conversion Ser/Sec. Chez les bactéries, la SELA homodécamérique, une enzyme de dépendance au pyridoxal-5′-phosphate (PLP), est responsable de cette conversion formant une machinerie complexe ternaire de 1,3 MDa (Silva et al., 2015). Ce complexe transitoire est assemblé par l’interaction entre SelA.Complexe binaire Ser-tRNASec et une enzyme nommée sélénophosphate synthétase (SelD), responsable de la délivrance du donneur de sélénium – sélénophosphate – et fournit la poche catalytique pour obtenir le Sec-tRNASec mature (Silva et al., 2015). Les composés du sélénium sont cytotoxiques, ce qui peut nécessiter un mécanisme dédié pour éviter la mort cellulaire. Une alternative pour maintenir de faibles niveaux de toxicité consiste à recycler le composé de sélénium dans la source biologique et utile sous forme de sélénophosphate. Cette conversion implique une enzyme non spécifique à la voie Sec – la sélénocystéine lyase (CsdB) – qui entraîne le recyclage de la Sec en séléniure, hautement toxique pour les cellules. Les résultats suggèrent que la CdbD.Le SelD interagit pour protéger l’environnement et catalyse la phosphorylation du sélénium quels que soient les organismes (Itoh et al., 2009).

D’un autre côté, chez les Archées et les Eucaryotes, la biosynthèse Sec est différente et divisée en deux étapes distinctes. Le résidu Ser initial présent dans le Ser-tRNASec est phosphorylé par PSTK, ce qui donne un o-phosposéryl-(Sep)-tRNASec intermédiaire. Après la conversion, la o-phosphoséryl-tRNASec sélénium transférase (SepSecS – une enzyme dépendante du PLP) effectue la conversion Sep/Sec, ce qui donne la Sec-tRNASec mature (Liu et al., 2014). Le composé de sélénium biologique est délivré comme mentionné pour les bactéries.

Une autre différence principale entre le Sec et les autres acides aminés est le processus d’incorporation. Le Sec-tRNASec mature est reconnu et spécifiquement délivré dans la machinerie ribosomique par des facteurs d’élongation uniques (SelB ou EFSec), qui ont la capacité non seulement de reconnaître les molécules traditionnelles pour l’incorporation d’acides aminés, c’est-à-dire la sous-unité ribosomique L30 et l’ARNt, mais aussi de reconnaître les protéines de liaison au SECIS et / ou au SECIS (SBPs) (Fletcher et al., 2001). Les SBP sont des protéines fondées sur Eukarya qui identifient les éléments SECIS sur le 3′-UTR et aident son interaction avec eEFSec pour l’incorporation de Sec (Fletcher et al., 2001). Chez les bactéries, SelB est capable d’identifier les trois éléments (ribosome, tRNASec mature et élément SECIS). Ce mécanisme est la clé qui permet la mauvaise interprétation de l’UGA et introduit la Sec dans le cadre du polypeptide naissant. Ce mécanisme a inspiré les chercheurs dans les nouveaux efforts visant à comprendre et à utiliser cette expansion du code génétique pour améliorer l’ingénierie des protéines et la biologie synthétique (Miller et al., 2015). Des mutations et des chimères ont permis l’incorporation non spécifique d’acides aminés dans différents codons, i.e., effectuer l’incorporation d’acides aminés canoniques au niveau du codon UGA en utilisant des facteurs d’élongation (EFTu) fusionnés avec le domaine Selb-Cterminal, responsable de la reconnaissance SECIS, à titre d’exemple (Soll, 2015). D’autres améliorations de la biologie synthétique sont en cours et les résultats inspireront, et les motifs briseront ce domaine dans un avenir proche.

De plus, la compréhension complète de ce mécanisme d’incorporation aide actuellement le processus d’ingénierie des protéines et la biologie de synthèse, permettant une « nouvelle expansion » du code génétique en manipulant l’incorporation des acides aminés (Mukai et al., 2017).

Sec est un exemple de cette expansion que la nature a faite pour augmenter la variabilité des protéines, la fonction et empêche également la toxicité cellulaire. Une compréhension complète de ce mécanisme peut nous aider à comprendre les processus d’évolution des protéines et les interactions macromoléculaires qui nous permettront de concevoir de nouvelles méthodes et façons d’élargir les possibilités en biologie synthétique.

Discussion

L’importance et le caractère unique du facteur d’élongation d’incorporation Sec sont mis en évidence lorsque le système complexe a été entièrement décrit au cours de 30 années de recherche approfondie. Des aspects comme la façon dont il peut réguler l’expression des sélénoprotéines sous stress oxydatif ou comment poursuivre la mauvaise interprétation de l’UGA-stop sont fascinants pour comprendre et élargir le code génétique. De nouvelles façons de réécrire ou d’interpréter les mêmes informations élargiront les frontières du code génétique, non seulement en augmentant la diversité et les possibilités en ingénierie des protéines, mais en créant également de nouvelles connaissances pour codifier des enzymes et des protéines spécifiques. L’ensemble de la voie de biosynthèse de la Sec est unique, cependant, la reconnaissance EF-UGA est la principale raison pour laquelle la Sec est différente. EF reconnaît généralement la machine d’incorporation à la position appropriée pour l’incorporation d’acides aminés.

De plus, ce mécanisme peut être utilisé pour répondre à des questions sur l’efficacité, la précision et la conservation du processus d’incorporation entre différentes espèces. L’incorporation de Sec est différente principalement en raison de SelB, l’EF spécial qui permet la reconnaissance UGA-Sec basée sur un élément d’ARNm. Évolutif, Sec-EF a changé pour reconnaître un autre partenaire qui aide à guider correctement le Sec-tRNASec dans la cavité ribosomique, rendant ce processus plus efficace.

Comme mentionné précédemment, les chercheurs ont déjà commencé à comprendre et à utiliser la machinerie Sec pour créer des chimères qui nous permettent de modifier la reconnaissance du codon. D’autres études sur l’EFs et ses interactions en utilisant SelB / eEFSec comme exemple peuvent nous guider pour de nouvelles idées dans la nouvelle ère d’expansion génétique.

Contributions des auteurs

Tous les auteurs énumérés ont apporté une contribution substantielle, directe et intellectuelle à l’œuvre et l’ont approuvée pour publication.

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.