Introducere

codul genetic a fost definit ca degenerat pe baza teoriei accidentelor înghețate a lui Crick (Crick, 1968). Aminoacizii prezintă frecvențe de încorporare diferite; cu toate acestea, codonii specifici trebuie să fie responsabili pentru livrarea și încorporarea corespunzătoare în lanțul polipeptidic născut (Woese și colab., 2000). Degenerarea codului genetic nu este statică, iar dinamismul său poate fi identificat prin aminoacizi non-obișnuiți. Un exemplu este selenocisteina (Sec, U), denumită douăzeci și unu aminoacid descoperit la începutul anilor ‘ 80, care este încorporat co-tradițional în cadru folosind o recunoaștere UGA-codon (Diamond și colab., 1981). Acest codon este identificat canonic ca un stop-codon; cu toate acestea, mașinile celulare au găsit o modalitate de a schimba acest sens într-o poziție de încorporare a aminoacizilor. Interesant este că codonul UAG, un alt codon stop, poate fi recunoscut ca Sec sau pirolizină (Pyl, O), un alt aminoacid încorporat Co-tradițional necanonic (Srinivasan și colab., 2002).

de-a lungul anilor, mecanismul molecular care permite interpretarea greșită a UGA pentru încorporarea Sec a fost identificat ca fiind dependent de un element specific ARNm și anume SECIS (secvența de încorporare a Selenocisteinei). Această secvență unică în ARNm se pliază într–o conformație de ac de păr în aval, în bacterii sau în regiunea 3′ netradusă-3 ‘ UTR în Archaea și Eukarya, schimbând interpretarea de la codonul canonic UGA-stop la încorporarea UGA-Sec (Su și colab., 2005). Întregul mecanism de încorporare Sec este descris pe deplin în bacterii, unde elementul SECIS este desfășurat de mișcarea ribozomilor în timpul procesului de traducere în prezența unui factor de alungire specific pentru încorporarea Sec (SelB sau EFSec) (Fischer și colab., 2016). Cu toate acestea, mecanismul poziționării SECIS pe partea superioară a poziției codonului UGA în timpul încorporării Sec în Archaea și Eukarya este încă necunoscut.

o altă particularitate care implică Sec este Tarn-ul specific Sec. TRNASec este prezent în majoritatea organismelor și are o conformație de trifoi „8+5” (bacterii) sau „9+4” (Archaea/Eukarya) diferită în comparație cu acceptorul tradițional „7+5″/pliul de buclă t de la Circactc (Serr si colab., 2018). Evident, UCA-anticodon este o altă cheie pentru specificitatea sa, care include și cea mai lungă variabilă-braț. Fiecare caracteristică specifică este critică pentru maturarea și încărcarea Arnt în timpul căii de biosinteză Sec.

inițial, tRNASec nu este încărcat cu un aminoacid Sec, ci cu serină (Ser, S) de Seril-tRNA sintetază (SerRS), rezultând un ser-tRNASec intermediar. De obicei, amino-acil Arnt sintetazele sunt enzime foarte specifice care recunosc moleculele unice de Arnt pentru a se încărca cu aminoacizii lor specifici. Cu toate acestea, SerRS este o sintetază amino-acil Arnt de clasa II care are o recunoaștere specială împotriva acceptorului și a brațului variabil lung din Arnt Ser și/sau Sec, care oferă o nespecificitate împotriva anti-codonului (Schimmel și Soll, 1979).Ser-tRNASec intermediar este livrat la selenocisteină sintază-SelA în bacterii – sau fosfoseril-tRNA kinază–PSTK în Archaea/Eukarya-pentru Conversia Ser/Sec. În bacterii, SelA homodecamerică, o enzimă de dependență de piridoxal-5 ‘ – fosfat (PLP), este responsabilă pentru această conversie formând o mașină complexă ternară de 1,3 MDa (Silva și colab., 2015). Acest complex tranzitoriu este asamblat prin interacțiunea dintre SelA.Ser-tRNASec complex binar și o enzimă numită selenofosfat sintetază (SelD), responsabilă de livrarea donatorului de seleniu–selenofosfat–și oferă buzunarul catalitic pentru a obține sec-tRNASec Matur (Silva și colab., 2015). Compușii seleniului sunt citotoxici, ceea ce poate necesita un mecanism dedicat pentru a evita moartea celulelor. O alternativă pentru a menține niveluri scăzute de toxicitate este reciclarea compusului de seleniu în sursa biologică și utilă ca selenofosfat. Această conversie implică o enzimă specifică căii non-Sec – selenocisteina lyase (CsdB)–care conduce reciclarea Sec la selenidă, care este foarte toxică pentru celule. Rezultatele au sugerat că CsdB.SelD interacționează pentru a proteja mediul și catalizează fosforilarea seleniului indiferent de organisme (Itoh și colab., 2009).

Pe de altă parte, în Archaea și Eukarya biosinteza Sec este diferită și împărțită în două etape distincte. Reziduul Ser inițial prezent în Ser-tRNASec este fosforilat de PSTK, rezultând un intermediar o-fosposeril-(Sep)-tRNASec. În urma conversiei, o-fosfoseril-trnasec seleniu transferază (SepSecS–o enzimă dependentă de PLP) efectuează conversia Sep/Sec, rezultând sec-tRNASec Matur (Liu și colab., 2014). Compusul biologic de seleniu este livrat așa cum sa menționat pentru bacterii.

o altă diferență principală între Sec și alți aminoacizi este procesul de încorporare. Sec-tRNASec matur este recunoscut și livrat în mod specific în mașinile ribozomale prin factori de alungire unici (SelB sau EFSec), care au capacitatea nu numai de a recunoaște moleculele tradiționale pentru încorporarea aminoacizilor, adică subunitatea ribozomală L30 și Tarn, dar și de a recunoaște SECIS și/sau proteinele care leagă SECIS (SBPs) (Fletcher și colab., 2001). SBP-urile sunt proteine fondate în Eukarya care identifică elementele SECIS pe 3′ – UTR și ajută interacțiunea sa cu eEFSec pentru încorporarea Sec (Fletcher și colab., 2001). În bacterii, SelB este capabil să identifice toate cele trei elemente (ribozom, trnasec matur și element SECIS). Acest mecanism este cheia care permite UGA-interpretarea greșită și introduce Sec ca parte a polipeptidei în curs de formare. Acest mecanism a inspirat cercetătorii în noile eforturi de a înțelege și utiliza această extindere a codului genetic pentru a îmbunătăți ingineria proteinelor și biologia sintetică (Miller și colab., 2015). Mutațiile și himerele au făcut posibilă încorporarea nespecifică a aminoacizilor în codoni diferiți, adică., efectuați încorporarea aminoacizilor canonici la codonul UGA prin utilizarea factorilor de alungire (EFTu) fuzionați cu domeniul SelB-Cterminal, responsabil pentru recunoașterea SECIS, ca exemplu (Soll, 2015). Îmbunătățiri suplimentare în biologia sintetică sunt în curs de desfășurare, iar rezultatele vor inspira, iar motivele vor rupe acest domeniu în viitorul apropiat.mai mult, înțelegerea deplină a acestui mecanism de încorporare ajută în prezent procesul de Inginerie a proteinelor și biologia sintetică, permițând o „nouă expansiune” a codului genetic prin manipularea încorporării aminoacizilor (Mukai și colab., 2017).

Sec este un exemplu al acestei expansiuni pe care natura a făcut-o pentru a crește variabilitatea proteinelor, funcția și, de asemenea, previne toxicitatea celulară. Înțelegerea deplină a acestui mecanism ne poate ajuta să înțelegem procesele de evoluție a proteinelor și interacțiunile macromoleculare care ne vor permite să proiectăm noi metode și modalități de extindere a posibilităților în biologia sintetică.

discuție

importanța și unicitatea factorului de alungire a încorporării Sec sunt evidențiate atunci când sistemul complex a fost descris pe deplin în 30 de ani de cercetări ample. Aspecte precum modul în care poate regla expresia selenoproteinelor sub stres oxidativ sau cum să urmărească interpretarea greșită a UGA-stop sunt fascinante pentru a înțelege și extinde codul genetic. Noi modalități de a rescrie sau interpreta aceleași informații vor extinde frontierele codului genetic, nu numai prin creșterea diversității și a posibilităților în ingineria proteinelor, ci și prin crearea de noi perspective pentru codificarea enzimelor și proteinelor specifice. Întreaga cale de biosinteză Sec este unică, cu toate acestea, recunoașterea EF-UGA este principalul motiv pentru care Sec este diferit. EF recunoaște de obicei mașinile de încorporare în poziția corectă pentru încorporarea aminoacizilor.mai mult decât atât, acest mecanism poate fi folosit pentru a răspunde la întrebări cu privire la eficiența procesului de încorporare, acuratețea și conservarea între diferite specii. Încorporarea Sec este diferită în principal datorită SelB, EF special care permite recunoașterea UGA-Sec pe baza unui element ARNm. Evolutiv, Sec-EF S-a schimbat pentru a recunoaște un alt partener care ajută la ghidarea corectă a Sec-tRNASec în cavitatea ribozomală, făcând acest proces mai eficient.așa cum am menționat anterior, cercetătorii au început deja să înțeleagă și să utilizeze mecanismul Sec pentru a crea himere care ne permit să schimbăm recunoașterea codonului. Studii suplimentare în EFs și interacțiunile sale folosind SelB / eEFSec ca exemplu ne pot ghida pentru noi perspective în noua eră de expansiune genetică.

contribuțiile autorului

toți autorii enumerați au adus o contribuție substanțială, directă și intelectuală la lucrare și au aprobat-o pentru publicare.

Conflict de interese

autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.