Introduction

The genetic code was defined as degenerated based on Crick’s frozen accident theory (Crick, 1968). Os aminoácidos apresentam diferentes frequências de incorporação; no entanto, os codões específicos devem ser responsáveis pela correcta entrega e incorporação na nascente cadeia polipeptídica (Woese et al., 2000). A degeneração do código genético não é estática, e seu dinamismo pode ser identificado por aminoácidos não-usuais. Um exemplo é a selenocisteína (Sec, U), denominada como vigésimo primeiro aminoácido descoberto no início da década de 80, que é co-tradicionalmente incorporada no quadro usando um reconhecimento UGA-codon (Diamond et al., 1981). Este codon é canonicamente identificado como um stop-codon; no entanto, a maquinaria celular encontrou uma maneira de mudar este significado em uma posição de incorporação de aminoácidos. Curiosamente, UAG-codon, outro stop-codon, pode ser reconhecido como Sec ou pirrolisina( Pyl, o), outro aminoácido não-canônico tradicionalmente incorporado (Srinivasan et al., 2002).

ao longo dos anos, o mecanismo molecular que permite a interpretação errónea da UGA para a incorporação de Sec foi identificado como sendo dependente de um elemento mRNA específico, nomeadamente SECIS (sequência de incorporação de selenocisteína). Esta sequência única no mRNA dobra–se em uma conformação do gancho de cabelo a jusante, em bactérias, ou na Região 3′ não traduzida-3’UTR em Archaea e Eukarya, mudando a interpretação do codon uga-stop canônico para incorporação UGA-Sec (Su et al., 2005). Todo o mecanismo de incorporação da Sec está descrito em bactérias, onde o elemento SECIS é desdobrado pelo movimento ribossoma durante o processo de Tradução, na presença de um factor de alongamento específico para a incorporação da Sec (SelB ou EFSec) (Fischer et al., 2016). No entanto, o mecanismo de posicionamento da SECIS no topo da posição UGA-codon durante a incorporação da Sec em Archaea e Eukarya ainda é Desconhecido.

outra particularidade envolvendo a Sec é a tRNA específica da Sec. O tRNASec está presente na maioria dos organismos e tem uma conformação diferente “8+5” (bactérias) ou “9+4” (Archaea/Eukarya) cloverleaf em comparação com o tradicional “7+5” acceptor/TψC-loop fold (Serrão et al., 2018). Obviamente, o UCA-anticodon é outra chave para a sua especificidade, que também inclui o braço variável mais longo. Cada característica específica é fundamental para a maturação e carregamento de tRNA durante a via de biossíntese de Sec.

inicialmente, o tRNASec não é carregado com um aminoácido Sec, mas com serina (Ser, s) pela Seril-tRNA sintetase (SerRS), resultando num ser-tRNASec intermediário. Geralmente, as sintetases amino-acil tRNA são enzimas altamente específicas que reconhecem moléculas de tRNAs únicas para carregar com seus aminoácidos específicos. No entanto, SerRS é uma classe II amino-acyl tRNA sintetase que tem um reconhecimento particular contra o aceitante e o tempo variável de braço do Ser e/ou Sec tRNA, que fornece um não-especificidade contra o anti-codão (Schimmel e Soll, 1979).o ser-tRNASec intermédio é administrado à selenocisteína sintase-SelA em bactérias-ou fosfoseril–tRNA cinase–PSTK em Archaea/Eukarya-para conversão Ser/Sec. Em bactérias, a SelA homodecamérica, uma enzima dependente de piridoxal-5′-fosfato (PLP), é responsável por esta conversão formando uma maquinaria complexa ternária 1.3 MDa (Silva et al., 2015). Este complexo transitório é montado pela interacção entre SelA.Complexo binário de Ser-tRNASec e uma enzima chamada selenofosfato sintetase (sold), responsável por entregar o doador de selênio–selenofosfato–e fornece o bolso catalítico para obter o Sec-tRNASec Maduro (Silva et al., 2015). Os compostos de selénio são citotóxicos, o que pode exigir um mecanismo específico para evitar a morte celular. Uma alternativa para manter baixos níveis de toxicidade é reciclar o composto de selênio na fonte biológica e útil como selenofosfato. Esta conversão envolve uma enzima específica não-Sec-selenocisteína lyase (CsdB) – que conduz a reciclagem de Sec para selenida, que é altamente tóxica para as células. Os resultados sugerem que a CsdB.SelD interage to protect the environment and catalyzes the selenium phosphorylation regardless of the organisms (Itoh et al., 2009).por outro lado, em Archaea e Eukarya a biossíntese Sec é diferente e dividida em duas etapas distintas. O resíduo inicial de Ser presente no Ser-tRNASec é fosforilado pela PSTK, resultando num o-phosposeril-(Sep)-tRNASec intermédio. Após a conversão, a selénio-o–fosfoseril-tRNASec transferase (SepSecS-uma enzima PLP-dependente) realiza a conversão Sep/Sec, resultando na Sec-tRNASec madura (Liu et al., 2014). O composto biológico de selênio é entregue como mencionado para bactérias.outra diferença principal entre Sec e outros aminoácidos é o processo de incorporação. Maduro Sec-tRNASec é reconhecido e, especificamente, entregue na ribossomal máquinas único alongamento fatores (SelB ou EFSec), que tem a capacidade de não apenas reconhecer o tradicional moléculas de aminoácidos incorporação, i.é., L30 subunidade ribossomal e tRNA, mas também para reconhecer a SECIS e/ou SECIS de proteínas de ligação (SBPs) (Fletcher et al., 2001). SBPs são proteínas fundadas em Eukarya que identificam elementos SECIS em 3 ‘ – UTR e ajudam sua interação com eEFSec para a incorporação Sec (Fletcher et al., 2001). Em bactérias, SelB é capaz de identificar todos os três elementos (ribossoma, tRNASec maduro e elemento SECIS). Este mecanismo é a chave que permite a interpretação errónea da UGA e introduz a Sec como parte do polipéptido nascente. Este mecanismo inspirou os pesquisadores nos novos esforços para entender e usar esta expansão do código genético para melhorar a engenharia proteica e a biologia sintética (Miller et al., 2015). Mutações e quimeras tornaram possível a incorporação não específica de aminoácidos em diferentes codões, i.e., execute a incorporação de aminoácidos canônicos no uga-codon usando fatores de alongamento (EFTu) fundidos com domínio SelB-Cterminal, responsável pelo reconhecimento SECIS, como um exemplo (Soll, 2015). Outras melhorias na biologia sintética estão em curso e os resultados irão inspirar, e os motivos quebram este campo no futuro próximo.além disso, a plena compreensão deste mecanismo de incorporação está atualmente ajudando o processo de engenharia proteica e biologia sintética, permitindo uma “nova expansão” do código genético, manipulando a incorporação dos aminoácidos (Mukai et al., 2017).

Sec é um exemplo desta expansão que a natureza fez para aumentar a variabilidade nas proteínas, função e também previne a toxicidade celular. A plena compreensão deste mecanismo pode nos ajudar a entender os processos de evolução das proteínas e as interações macromoleculares que nos permitirão projetar novos métodos e formas de expandir as possibilidades para a biologia sintética.

discussão

a importância e singularidade do fator de elongação de incorporação de Sec são destacadas quando o sistema complexo foi completamente descrito em 30 anos de pesquisa extensa. Aspectos como como como ele pode regular a expressão de selenoproteínas sob estresse oxidativo ou como perseguir a interpretação errônea UGA-stop são fascinantes para entender e expandir o código genético. Novas formas de reescrever ou interpretar a mesma informação irão expandir as fronteiras do código genético, não só aumentando a diversidade e as possibilidades na engenharia proteica, mas também criando novos insights para codificar enzimas e proteínas específicas. Toda a via de biossíntese Sec é única, no entanto, o reconhecimento EF-UGA é a principal razão pela qual Sec é diferente. A EF reconhece normalmente a máquina de incorporação na posição correcta para a incorporação de aminoácidos.além disso, este mecanismo pode ser usado para responder a perguntas sobre a eficiência do processo de incorporação, precisão e conservação entre as diferentes espécies. A incorporação da Sec é diferente principalmente por causa do SelB, a EF especial que permite o reconhecimento UGA-Sec baseado em um elemento mRNA. Evolucionária, a Sec-EF mudou para reconhecer outro parceiro que ajuda a guiar adequadamente o Sec-tRNASec na cavidade ribossómica, tornando este processo mais eficiente.como mencionado anteriormente, pesquisadores já começaram a entender e usar a maquinaria da Sec para criar Quimeras que nos permitem mudar o reconhecimento do codon. Estudos adicionais em EFs e suas interações usando SelB / eEFSec como exemplo podem nos guiar para novos insights na nova era de expansão genética.

contribuições do autor

todos os autores listados fizeram uma contribuição substancial, direta e intelectual para a obra, e aprovou-a para publicação.

conflito de interesses

os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.Crick, F. H. C. (1968). Origem do código genético. 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). Estrutura e propriedades de uma serina tRNA supressora uga de fígado bovino com um anticodon triptofano. Cela 25, 497-506. doi: 10.1016/0092-8674(81)90068-4

PubMed Resumo | CrossRef Texto Completo | Google Scholar

Fletcher, J. E., Copeland, P. R., Driscoll, D. M., and Krol, A. (2001). Máquina de incorporação de selenocisteína: interacções entre o ARN do SECIS e a proteína de ligação do SECIS SBP2. RNA 7, 1442-1453.

PubMed Resumo | Google Scholar

Su, D., Li, Y. H., and Gladyshev, V. N. (2005). Inserção de selenocisteína dirigida pelo 3ectado pelo 3RNA. trnescherichia coli. Nucleic Acids Res. 33, 2486-2492. doi: 10.1093/dar / gki547

PubMed Abstract | CrossRef Full Text/Google Scholar