Introduction

kod genetyczny został zdefiniowany jako zdegenerowany w oparciu o teorię zamrożonych wypadków Cricka (Crick, 1968). Aminokwasy mają różne częstotliwości wbudowywania; jednak specyficzne kodony muszą być odpowiedzialne za prawidłowe dostarczanie i włączanie do powstającego łańcucha polipeptydowego (Woese et al., 2000). Degeneracja kodu genetycznego nie jest statyczna, a jego dynamikę można zidentyfikować za pomocą nietypowych aminokwasów. Jednym z przykładów jest selenocysteina (sec, U), denominowana jako dwudziesty pierwszy aminokwas odkryty na początku lat 80., który jest tradycyjnie włączany do ramy za pomocą rozpoznawania kodonu UGA(Diamond et al., 1981). Kodon ten jest kanonicznie identyfikowany jako kodon stopu; jednak maszyna komórkowa znalazła sposób na zmianę tego znaczenia na pozycję wbudowującą aminokwasy. Co ciekawe, kodon UAG, inny kodon stop, można rozpoznać jako sec lub pirolizynę (Pyl, O), inny niekanoniczny, tradycyjnie wbudowany aminokwas (Srinivasan i in., 2002).

z biegiem lat mechanizm molekularny, który pozwala na błędną interpretację uga dla włączenia Sec, został zidentyfikowany jako zależny od określonego elementu mRNA, mianowicie SECIS (sekwencji włączania Selenocysteiny). Ta unikalna Sekwencja w fałdach mRNA w konformacji spinki do włosów poniżej, u bakterii lub w 3 'nieprzetłumaczonym regionie–3′ UTR w Archaea i Eukarya, zmieniając interpretację z kanonicznego kodonu uga-stop na inkorporację uga-Sec (Su et al., 2005). Cały mechanizm inkorporacji Sec jest w pełni opisany u bakterii, gdzie element SECIS jest rozkładany przez ruch rybosomu podczas procesu translacji w obecności określonego współczynnika wydłużenia dla inkorporacji sec (SelB lub EFSec) (Fischer i in., 2016). Mechanizm pozycjonowania SECIS na szczycie pozycji UGA-kodonu podczas inkorporacji Sec u Archai i Eukarii jest jednak nadal nieznany.

inną szczególną cechą związaną z Sec jest specyficzny dla sec tRNA. TRNASec jest obecny w większości organizmów i ma inną konformację” 8+5 „(bakterie) lub” 9+4 „(Archaea/Eukarya) koniczyny w porównaniu z tradycyjnym” 7+5 ” akceptorem/TψC-fałd pętli (Serrão et al., 2018). Oczywiście UCA-anticodon jest kolejnym kluczem do jego specyficzności, który obejmuje również najdłuższe ramię zmienne. Każda specyficzna cecha ma kluczowe znaczenie dla dojrzewania i ładowania tRNA podczas szlaku biosyntezy Sec.

początkowo tRNASec nie jest ładowany aminokwasem Sec, ale seryną (Ser, S) przez syntetazę serylo-tRNA (SerRS), w wyniku czego powstaje pośredni Ser-tRNASec. Zazwyczaj syntetazy amino-acylowe tRNA są wysoce specyficznymi enzymami, które rozpoznają unikalne cząsteczki Trna, które ładują swoje specyficzne aminokwasy. Jednakże SerRS jest syntetazą amino-acylową tRNA klasy II, która ma szczególne rozpoznanie wobec akceptora i długiego ramienia zmiennego z Ser i / lub sec tRNA, co zapewnia niespecyficzność wobec anty-kodonu (Schimmel i Soll, 1979).

pośredni Ser-tRNASec jest dostarczany do syntazy selenocysteiny–SelA w bakteriach–lub kinazy fosfoseryl-tRNA–PSTK w Archaea/Eukarya–w celu konwersji Ser/Sec. U bakterii homodekameryczny Sela, enzym zależny od pirydoksalu-5 ’ – fosforanu (PLP), jest odpowiedzialny za tę konwersję, tworząc trójskładnikową złożoną maszynę 1,3 MDa (Silva i wsp., 2015). Ten przejściowy kompleks jest zmontowany przez interakcję między SelA.Kompleks binarny Ser-tRNASec i enzym o nazwie syntetaza selenofosforanowa (SelD), odpowiedzialny za dostarczanie dawcy selenu–selenofosforanu–i zapewnia kieszeń katalityczną do uzyskania dojrzałego sec-tRNASec (Silva i wsp., 2015). Związki selenu są cytotoksyczne, co może wymagać specjalnego mechanizmu, aby uniknąć śmierci komórki. Alternatywą dla utrzymania niskiego poziomu toksyczności jest recykling związku selenu do biologicznego i użytecznego źródła jako selenofosforan. Konwersja ta obejmuje specyficzny dla szlaku sec enzym-liazę selenocysteiny (CsdB) – który napędza recykling Sec do selenidu, który jest wysoce toksyczny dla komórek. Wyniki sugerują, że CsdB.SelD oddziałuje w celu ochrony środowiska i katalizuje fosforylację selenu niezależnie od organizmów (Itoh et al., 2009).

z drugiej strony, U Archai i Eukarii Biosynteza Sec jest inna i podzielona na dwa wyróżniające się etapy. Początkowa pozostałość Ser obecna w Ser-tRNASec jest fosforylowana przez PSTK, w wyniku czego powstaje pośredni o-fosposeryl-(Sep) – tRNASec. Po konwersji transferaza selenu o-fosfoserylo-tRNASec (enzym sepsec-zależny od PLP) przeprowadza konwersję Sep / Sec, w wyniku czego powstaje dojrzały Sec-tRNASec (Liu i wsp., 2014). Biologiczny związek selenu jest dostarczany jak wspomniano dla bakterii.

inną główną różnicą między Sec A innymi aminokwasami jest proces wbudowywania. Dojrzały sec-tRNASec jest rozpoznawany i specyficznie dostarczany do maszynerii rybosomalnej przez unikalne czynniki elongacyjne (SelB lub EFSec), które mają zdolność nie tylko do rozpoznawania tradycyjnych cząsteczek do wbudowywania aminokwasów, tj. podjednostki rybosomalnej L30 i tRNA, ale także do rozpoznawania białek wiążących SECIS i/lub secis (SBPS) (Fletcher et al., 2001). SBP są białkami założonymi w Eukarii, które identyfikują elementy SECIS na 3 ’ – UTR i pomagają w interakcji z eEFSec w celu włączenia Sec (Fletcher et al., 2001). U bakterii SelB jest w stanie zidentyfikować wszystkie trzy pierwiastki (rybosom, dojrzały trnasec i secis). Mechanizm ten jest kluczem, który umożliwia błędną interpretację UGA i wprowadza Sec jako część rodzącego się polipeptydu. Mechanizm ten zainspirował naukowców w nowych wysiłkach, aby zrozumieć i wykorzystać tę ekspansję kodu genetycznego w celu poprawy inżynierii białek i biologii syntetycznej (Miller et al., 2015). Mutacje i Chimery umożliwiły niespecyficzne włączenie aminokwasów do różnych kodonów, tj., przeprowadzić inkorporację aminokwasów kanonicznych w kodonie UGA za pomocą współczynników elongacji (EFTu) połączonych z domeną SelB-Cterminal, odpowiedzialną za rozpoznawanie SECIS, jako przykład (Soll, 2015). Dalsze ulepszenia w biologii syntetycznej są w toku, a wyniki będą inspirować, a podstawy przełamać tę dziedzinę w najbliższej przyszłości.

Co więcej, pełne zrozumienie tego mechanizmu wbudowywania pomaga obecnie procesowi inżynierii białek i biologii syntetycznej, umożliwiając „nową ekspansję” kodu genetycznego poprzez manipulowanie wbudowywaniem aminokwasów (Mukai et al., 2017).

Sec jest jednym z przykładów tej ekspansji, którą natura dokonała w celu zwiększenia zmienności białek, funkcji, a także zapobiega toksyczności komórek. Pełne zrozumienie tego mechanizmu może pomóc nam zrozumieć procesy ewolucji białek i interakcje makrocząsteczkowe, które pozwolą nam zaprojektować nowe metody i sposoby rozszerzenia możliwości w biologii syntetycznej.

dyskusja

znaczenie i wyjątkowość współczynnika elongacji Sec są podkreślone, gdy złożony system został w pełni opisany w 30 latach szeroko zakrojonych badań. Aspekty takie jak to może regulować ekspresję selenoprotein w stresie oksydacyjnym lub jak realizować błędną interpretację UGA-stop są fascynujące do zrozumienia i rozszerzenia kodu genetycznego. Nowe sposoby przepisywania lub interpretowania tych samych informacji poszerzą granice kodu genetycznego, nie tylko poprzez zwiększenie różnorodności i możliwości inżynierii białek, ale także poprzez stworzenie nowych wglądów w kodyfikację określonych enzymów i białek. Cały szlak biosyntezy Sec jest unikalny, jednak rozpoznanie EF-UGA jest głównym powodem, dla którego Sec jest inny. EF zwykle rozpoznaje mechanizm inkorporacji w odpowiedniej pozycji do inkorporacji aminokwasu.

Co więcej, mechanizm ten może być użyty do odpowiedzi na pytania dotyczące wydajności procesu inkorporacji, dokładności i ochrony różnych gatunków. Inkorporacja Sec różni się głównie ze względu na SelB, specjalny EF, który umożliwia rozpoznawanie UGA-Sec w oparciu o element mRNA. Ewolucyjnie, sec-EF zmienił się, aby rozpoznać innego partnera, który pomaga prawidłowo prowadzić sec-tRNASec do jamy rybosomalnej, czyniąc ten proces bardziej wydajnym.

jak już wcześniej wspomniano, naukowcy zaczęli już rozumieć i używać maszynerii Sec do tworzenia chimer, które pozwalają zmienić rozpoznawanie kodonu. Dalsze badania nad EFs i jego interakcjami z wykorzystaniem SelB / eEFSec jako przykładu mogą nas poprowadzić do nowych spostrzeżeń w nowej erze ekspansji genetycznej.

wkład autora

wszyscy wymienieni autorzy wnieśli znaczący, bezpośredni i intelektualny wkład w pracę i zatwierdzili ją do publikacji.

konflikt interesów

autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.