Inleiding

de genetische code werd gedefinieerd als gedegenereerd op basis van Crick ‘ s frozen accident theory (Crick, 1968). Aminozuren presenteren verschillende incorporatie frequenties; echter, specifieke codons moeten verantwoordelijk zijn voor de juiste levering en incorporatie in de ontluikende polypeptideketen (Woese et al., 2000). De genetische codedegeneratie is niet statisch, en zijn dynamiek kan door niet-gebruikelijke aminozuren worden geà dentificeerd. Een voorbeeld is de selenocysteïne (Sec, U), genoemd als eenentwintigste aminozuur ontdekt in de vroege jaren ‘ 80, die is co-traditioneel opgenomen in het frame met behulp van een UGA-codon erkenning (Diamond et al., 1981). Dit codon wordt canonically geà dentificeerd als stop-codon; nochtans, vonden de celmachines een manier om deze betekenis in een aminozuurinbouwpositie te veranderen. Interessant is dat UAG-codon, een ander stop-codon, kan worden herkend als Sec of pyrrolysine( Pyl, O), Een ander niet-canonisch co-traditioneel opgenomen aminozuur (Srinivasan et al., 2002).

in de loop der jaren werd vastgesteld dat het moleculaire mechanisme dat de UGA-misinterpretatie voor Sec incorporatie mogelijk maakt, afhankelijk is van een specifiek mRNA-element, namelijk SECIS (Selenocysteine Incorporation Sequence). Deze unieke opeenvolging in de mRNA plooien in een haarspeldconstructie stroomafwaarts, in bacteriën, of bij het 3 ‘onvertaalde gebied-3’ UTR in Archaea en Eukarya, het veranderen van de interpretatie van het canonieke UGA-stop codon aan UGA-Sec incorporatie (su et al., 2005). Het hele sec incorporatiemechanisme wordt volledig beschreven in bacteriën, waar het secis-element wordt ontvouwd door de ribosoombeweging tijdens het vertaalproces in aanwezigheid van een specifieke rek factor voor Sec incorporatie (SelB of EFSec) (Fischer et al., 2016). Echter, het mechanisme van SECIS positionering op de top van de UGA-codon positie tijdens sec incorporatie in Archaea en Eukarya is nog onbekend.

een andere bijzonderheid waarbij Sec betrokken is, is de SEC-specifieke tRNA. De tRNASec is aanwezig in de meeste organismen en hebben een andere” 8+5 “(bacteriën) of” 9+4 “(Archaea/Eukarya) Klaverblad bouw in vergelijking met de traditionele” 7 + 5 ” acceptor/TψC-loop vouw (Serrão et al., 2018). Uiteraard is het UCA-anticodon een andere sleutel voor zijn specificiteit, die ook de langste variabele-arm omvat. Elk specifiek kenmerk is kritiek voor de tRNA rijping en lading tijdens de biosyntheseweg van Sec.

aanvankelijk is de tRNASec niet geladen met een Sec aminozuur, maar met serine (Ser, S) door de seryl-tRNA synthetase (SerRS), wat resulteert in een intermediair ser-tRNASec. Gewoonlijk, amino-acyl tRNA synthetases zijn hoogst specifieke enzymen die unieke trnas molecules erkennen om met hun specifieke aminozuren op te laden. Echter, SerRS is een klasse II amino-acyl tRNA synthetase die een bepaalde erkenning tegen de acceptor en de lange variabele arm van de ser en/of Sec tRNA heeft, die een niet-specificiteit tegen het anti-codon verstrekt (Schimmel and Soll, 1979).

het tussenproduct Ser-tRNASec wordt geleverd aan selenocysteïnesynthase-SelA in bacteriën – of fosfoseryl-tRNA kinase-PSTK in Archaea/Eukarya–voor ser / Sec conversie. Bij bacteriën is het homodecamerische SelA, een pyridoxaal-5′-fosfaat (PLP) – afhankelijke enzym, verantwoordelijk voor deze omzetting en vormt een ternaire 1,3 MDa-complexe machine (Silva et al., 2015). Dit voorbijgaande complex wordt samengesteld door de interactie tussen SelA.Ser-tRNASec binair complex en een enzym genaamd selenofosfaat synthetase (SelD), verantwoordelijk voor het leveren van de selenium donor–selenofosfaat–en biedt de katalytische zak om de rijpe Sec-tRNASec (Silva et al., 2015). Seleniumverbindingen zijn cytotoxisch, waarvoor mogelijk een speciaal mechanisme nodig is om celdood te voorkomen. Een alternatief om een lage toxiciteit te behouden is het recyclen van seleniumverbinding in de biologische en nuttige bron als selenofosfaat. Deze omzetting impliceert een niet-Sec pathway-specifiek enzym-selenocysteine lyase (CsdB) – dat de SEC recycling aan selenide drijft, die voor de cellen hoogst giftig is. De resultaten suggereren dat CsdB.SelD interageert om het milieu te beschermen en katalyseert de seleniumfosforylatie ongeacht de organismen (Itoh et al., 2009).

anderzijds is in Archaea en Eukarya de SEC-biosynthese verschillend en verdeeld in twee onderscheiden stappen. Het aanvankelijke ser residu huidig in Ser-tRNASec wordt gefosforyleerd door PSTK, resulterend in een intermediair o-phosposeryl-(Sep)-tRNASec. Na de omzetting voert het o-fosfoseryl-tRNASec seleniumtransferase (SepSecS-een PLP-afhankelijk enzym) de Sep/Sec-omzetting uit, wat resulteert in de rijpe Sec-tRNASec (Liu et al., 2014). De biologische seleniumverbinding wordt geleverd zoals vermeld voor bacteriën.

een ander belangrijk verschil tussen Sec en andere aminozuren is het incorporatieproces. Rijpe Sec-tRNASec wordt herkend en specifiek geleverd in de ribosomale machines door unieke elongatie factoren (SelB of EFSec), die het vermogen niet alleen om de traditionele moleculen voor aminozuren incorporatie, dat wil zeggen, L30 ribosomale subeenheid en tRNA, maar ook om de SECIS en/of SECIS-bindende eiwitten (Sbps) herkennen (Fletcher et al., 2001). SBPs zijn proteã nen die in Eukarya worden opgericht die SECIS elementen op 3′-UTR identificeren en zijn interactie met eEFSec voor sec opname helpen (Fletcher et al., 2001). Bij bacteriën is SelB in staat om alle drie de elementen (ribosoom, Rijpe tRNASec en SECIS-element) te identificeren. Dit mechanisme is de sleutel die UGA-misinterpretatie toestaat en Sec als deel van het ontluikende polypeptide introduceert. Dit mechanisme inspireerde onderzoekers in de nieuwe inspanningen om deze genetische code uitbreiding te begrijpen en te gebruiken om eiwit engineering en synthetische biologie te verbeteren (Miller et al., 2015). Mutaties en chimeras maakten een niet-specifieke integratie van aminozuren in verschillende codons mogelijk, d.w.z., voer de incorporatie van canonical aminozuren bij UGA-codon uit door elongation factors (EFTu) te gebruiken die met SelB-Cterminal domein worden gesmolten, verantwoordelijk voor SECIS erkenning, als voorbeeld (Soll, 2015). Verdere verbeteringen in de synthetische biologie zijn aan de gang en de resultaten zullen inspireren, en gronden breken dit gebied in de nabije toekomst.

bovendien helpt het volledige begrip van dit incorporatiemechanisme momenteel het proteïne engineering proces en de synthetische biologie, waardoor een “nieuwe uitbreiding” van de genetische code mogelijk wordt door het manipuleren van de incorporatie van de aminozuren (Mukai et al., 2017).

Sec is een voorbeeld van deze expansie die de natuur maakte om de variabiliteit in de proteã nen, functie te verhogen en ook celtoxiciteit voorkomt. Het volledige begrip van dit mechanisme kan ons helpen om de processen van de eiwitevolutie en macromoleculaire interactie te begrijpen die ons zullen toelaten om nieuwe methodes en manieren te ontwerpen om de mogelijkheden in synthetische biologie uit te breiden.

discussie

het belang en de uniciteit van de SEC incorporatie elongatie factor worden benadrukt wanneer het complexe systeem volledig werd beschreven in 30 jaar van uitgebreid onderzoek. Aspecten zoals hoe het selenoproteinsuitdrukking onder oxidatieve spanning kan regelen of hoe te om de UGA-stop misinterpretatie na te streven zijn fascinerend om de genetische code te begrijpen en uit te breiden. Nieuwe manieren om dezelfde informatie te herschrijven of te interpreteren zullen de grenzen van de genetische code verbreden, niet alleen door de diversiteit en mogelijkheden in eiwit engineering te vergroten, maar ook door nieuwe inzichten te creëren om specifieke enzymen en eiwitten te codificeren. De hele biosyntheseweg van Sec is uniek, nochtans, is de EF-UGA erkenning de belangrijkste reden dat Sec anders is. EF herkent gewoonlijk de incorporatiemachines op de juiste positie voor de incorporatie van het aminozuur.

bovendien kan dit mechanisme worden gebruikt om vragen te beantwoorden over de efficiëntie, nauwkeurigheid en conservering van de verwerking van verschillende soorten. Sec incorporatie is verschillend hoofdzakelijk wegens SelB, de speciale EF die de UGA-Sec erkenning toestaat die op een mRNA-element wordt gebaseerd. Evolutionair veranderde Sec-EF om een andere partner te herkennen die helpt om de Sec-tRNASec naar de ribosomale holte te leiden, waardoor dit proces efficiënter wordt.

zoals eerder vermeld, begonnen onderzoekers de SEC-machines al te begrijpen en te gebruiken om chimera ‘ s te creëren die ons in staat stellen de herkenning van het codon te veranderen. Verdere studies in EFs en zijn interacties met behulp van SelB / eEFSec als voorbeeld kunnen ons leiden voor nieuwe inzichten in het nieuwe tijdperk van genetische expansie.

Auteursbijdragen

alle genoemde auteurs hebben een aanzienlijke, directe en intellectuele bijdrage aan het werk geleverd en het voor publicatie goedgekeurd.

belangenconflict

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.