Introduzione

Il codice genetico è stato definito degenerato sulla base della teoria degli incidenti congelati di Crick (Crick, 1968). Gli amminoacidi presentano diverse frequenze di incorporazione; tuttavia, codoni specifici devono essere responsabili della corretta consegna e incorporazione nella catena polipeptidica nascente (Woese et al., 2000). La degenerazione del codice genetico non è statica e il suo dinamismo può essere identificato da amminoacidi non usuali. Un esempio è la selenocisteina (Sec, U), denominata come ventunesimo amminoacido scoperto nei primi anni ‘ 80, che è co-tradizionalmente incorporato nel telaio utilizzando un riconoscimento UGA-codone (Diamond et al., 1981). Questo codone è canonicamente identificato come un codone stop; tuttavia, il macchinario cellulare ha trovato un modo per cambiare questo significato in una posizione di incorporazione di aminoacidi. È interessante notare che il codone UAG, un altro codone stop, può essere riconosciuto come Sec o pirrolisina (Pyl, O), un altro amminoacido co-tradizionalmente incorporato non canonico (Srinivasan et al., 2002).

Nel corso degli anni, il meccanismo molecolare che consente l’interpretazione errata di UGA per l’incorporazione di Sec è stato identificato come dipendente da uno specifico elemento di mRNA, ovvero SECIS (sequenza di incorporazione di SElenoCisteina). Questa sequenza unica nell’mRNA si piega in una conformazione tornante a valle, nei batteri, o nella regione 3 ‘non tradotta-3’ UTR in Archaea ed Eukarya, cambiando l’interpretazione dal codone canonico UGA-stop all’incorporazione UGA-Sec (Su et al., 2005). L’intero meccanismo di incorporazione Sec è completamente descritto nei batteri, dove l’elemento SECIS è spiegato dal movimento del ribosoma durante il processo di traduzione in presenza di uno specifico fattore di allungamento per l’incorporazione Sec (SelB o EFSec) (Fischer et al., 2016). Tuttavia, il meccanismo di posizionamento del SECIS sulla parte superiore della posizione del codone UGA durante l’incorporazione del Sec in Archaea ed Eukarya è ancora sconosciuto.

Un’altra particolarità che coinvolge Sec è il tRNA specifico di Sec. Il tRNASec è presente nella maggior parte degli organismi e ha una conformazione a quadrifoglio “8+5” (Batteri) o “9+4” (Archaea/Eukarya) rispetto al tradizionale accettore “7+5″/TψC-loop fold (Serrão et al., 2018). Ovviamente, l’UCA-anticodon è un’altra chiave per la sua specificità, che include anche il braccio variabile più lungo. Ogni caratteristica specifica è fondamentale per la maturazione e il carico del tRNA durante il percorso di biosintesi Sec.

Inizialmente, il tRNASec non viene caricato con un amminoacido Sec, ma con serina (Ser, S) dalla seril-tRNA sintetasi (SerRS), risultando in un Ser-tRNASec intermedio. Di solito, le amino-acil tRNA sintetasi sono enzimi altamente specifici che riconoscono molecole di TRNA uniche da caricare con i loro amminoacidi specifici. Tuttavia, SerRS è una classe II amino-acil tRNA sintetasi che ha un particolare riconoscimento contro l’accettore e il braccio variabile lungo dal tRNA Ser e / o Sec, che fornisce una non specificità contro l’anti-codone (Schimmel e Soll, 1979).

Il Ser-tRNASec intermedio viene consegnato alla selenocisteina sintasi–SelA nei batteri–o fosfoseril-tRNA chinasi–PSTK in Archaea/Eukarya–per la conversione Ser / Sec. Nei batteri, la SELA omodecamericana, un enzima dipendente dal piridossale-5′-fosfato (PLP), è responsabile di questa conversione formando un macchinario complesso ternario di 1,3 MDa (Silva et al., 2015). Questo complesso transitorio è assemblato dall’interazione tra SelA.Complesso binario Ser-tRNASec e un enzima chiamato selenofosfato sintetasi (SelD), responsabile della consegna del donatore di selenio–selenofosfato–e fornisce la tasca catalitica per ottenere il Sec-tRNASec maturo (Silva et al., 2015). I composti del selenio sono citotossici, che possono richiedere un meccanismo dedicato per evitare la morte cellulare. Un’alternativa per mantenere bassi livelli di tossicità sta riciclando il composto di selenio nella fonte biologica e utile come selenofosfato. Questa conversione coinvolge un enzima non-Sec pathway-specific-selenocisteina liasi (CsdB)–che guida il riciclaggio Sec a selenide, che è altamente tossico per le cellule. I risultati hanno suggerito che CsdB.SelD interagisce per proteggere l’ambiente e catalizza la fosforilazione del selenio indipendentemente dagli organismi (Itoh et al., 2009).

D’altra parte, in Archaea ed Eukarya la biosintesi Sec è diversa e divisa in due fasi distinte. Il residuo iniziale del Ser presente nel Ser-tRNASec è fosforilato da PSTK, con conseguente o-phosposeryl-(Sep)-tRNASec intermedio. Dopo la conversione, la transferasi del selenio o-fosfoseril-tRNASec (SepSecS–un enzima dipendente dal PLP) esegue la conversione Sep/Sec, con conseguente Sec-tRNASec maturo (Liu et al., 2014). Il composto biologico del selenio è consegnato come accennato per i batteri.

Un’altra differenza principale tra Sec e altri amminoacidi è il processo di incorporazione. Il Sec-tRNASec maturo è riconosciuto e specificamente consegnato nel macchinario ribosomiale dai fattori unici di allungamento (SelB o EFSec), che hanno la capacità non solo di riconoscere le molecole tradizionali per l’incorporazione degli amminoacidi, cioè, subunità ribosomiale L30 e tRNA, ma anche di riconoscere le proteine SECIS e/o SECIS-binding (SBPs) (Fletcher et al., 2001). Gli SBP sono proteine fondate in Eukarya che identificano gli elementi SECIS su 3 ‘ – UTR e aiutano la sua interazione con eEFSec per l’incorporazione di Sec (Fletcher et al., 2001). Nei batteri, SelB è in grado di identificare tutti e tre gli elementi (ribosoma, TRNASEC maturo e elemento SECIS). Questo meccanismo è la chiave che consente l’interpretazione errata dell’UGA e introduce Sec come parte del polipeptide nascente. Questo meccanismo ha ispirato i ricercatori nei nuovi sforzi per comprendere e utilizzare questa espansione del codice genetico per migliorare l’ingegneria delle proteine e la biologia sintetica (Miller et al., 2015). Le mutazioni e le chimere hanno reso possibile l’incorporazione non specifica di aminoacidi in codoni diversi, cioè, eseguire l’incorporazione di amminoacidi canonici al codone UGA utilizzando fattori di allungamento (EFTu) fusi con il dominio SELB-Cterminale, responsabile del riconoscimento SECIS, come esempio (Soll, 2015). Ulteriori miglioramenti nella biologia sintetica sono in corso e i risultati ispireranno, e motivi rompere questo campo in quasi futuro.

Inoltre, la piena comprensione di questo meccanismo di incorporazione sta attualmente aiutando il processo di ingegneria delle proteine e la biologia sintetica, consentendo una “nuova espansione” del codice genetico manipolando l’incorporazione degli amminoacidi (Mukai et al., 2017).

Sec è un esempio di questa espansione che la natura ha fatto per aumentare la variabilità delle proteine, la funzione e previene anche la tossicità cellulare. La piena comprensione di questo meccanismo può aiutarci a comprendere i processi di evoluzione delle proteine e le interazioni macromolecolari che ci permetteranno di progettare nuovi metodi e modi per espandere le possibilità nella biologia sintetica.

Discussione

L’importanza e l’unicità del fattore di allungamento di incorporazione Sec sono evidenziate quando il complesso sistema è stato completamente descritto in 30 anni di ricerche approfondite. Aspetti come il modo in cui può regolare l’espressione delle selenoproteine sotto stress ossidativo o come perseguire l’interpretazione errata di UGA-stop sono affascinanti per comprendere ed espandere il codice genetico. Nuovi modi per riscrivere o interpretare le stesse informazioni amplieranno le frontiere del codice genetico, non solo aumentando la diversità e le possibilità nell’ingegneria delle proteine, ma anche creando nuove intuizioni per codificare specifici enzimi e proteine. L’intero percorso di biosintesi Sec è unico, tuttavia, il riconoscimento EF-UGA è la ragione principale per cui Sec è diverso. EF di solito riconosce il macchinario di incorporazione nella posizione corretta per l’incorporazione di aminoacidi.

Inoltre, questo meccanismo può essere utilizzato per rispondere a domande sull’efficienza, l’accuratezza e la conservazione del processo di incorporazione tra diverse specie. L’incorporazione di Sec è diversa principalmente a causa di SelB, l’EF speciale che consente il riconoscimento UGA-Sec basato su un elemento mRNA. Evolutivo, Sec-EF è cambiato per riconoscere un altro partner che aiuta a guidare correttamente il Sec-tRNASec nella cavità ribosomiale, rendendo questo processo più efficiente.

Come accennato in precedenza, i ricercatori hanno già iniziato a comprendere e utilizzare il macchinario Sec per creare chimere che ci permettono di modificare il riconoscimento del codone. Ulteriori studi in EFs e le sue interazioni utilizzando SelB / eEFSec come esempio possono guidarci per nuove intuizioni nella nuova era di espansione genetica.

Contributi degli autori

Tutti gli autori elencati hanno dato un contributo sostanziale, diretto e intellettuale al lavoro, e lo hanno approvato per la pubblicazione.

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di rapporti commerciali o finanziari che potrebbero essere interpretati come un potenziale conflitto di interessi.