introduktion

den genetiska koden definierades som degenererad baserat på Cricks frozen accident theory (Crick, 1968). Aminosyror uppvisar olika inkorporeringsfrekvenser; emellertid måste specifika kodoner vara ansvariga för korrekt leverans och införlivande i den framväxande polypeptidkedjan (Woese et al., 2000). Den genetiska koddegenerationen är inte statisk, och dess dynamik kan identifieras av icke-vanliga aminosyror. Ett exempel är selenocystein (Sec, U), denominerad som tjugoförsta aminosyra som upptäcktes i början av 80-talet, som traditionellt införlivas i ramen med hjälp av ett UGA-kodonigenkänning (Diamond et al., 1981). Detta kodon identifieras kanoniskt som ett stoppkodon; emellertid hittade cellmaskineriet ett sätt att ändra denna betydelse till en aminosyrainkorporeringsposition. Intressant är att UAG-kodon, ett annat stoppkodon, kan erkännas som Sec eller pyrrolysin (Pyl, O), en annan icke-kanonisk ko-traditionellt inkorporerad aminosyra (Srinivasan et al., 2002).

under åren identifierades den molekylära mekanismen som tillåter uga-feltolkning för SEC-inkorporering som beroende av ett specifikt mRNA-element, nämligen SECIS (Selenocysteininkorporationssekvens). Denna unika sekvens i mRNA viks i en hårnålskonformation nedströms, i bakterier eller vid 3′ oöversatt region–3 ’ UTR i Archaea och Eukarya, ändra tolkningen från det kanoniska UGA-stop-kodonet till uga-Sec-införlivande (Su et al., 2005). Hela sec-inkorporeringsmekanismen beskrivs fullständigt i bakterier, där SECIS-elementet utvecklas av ribosomrörelsen under översättningsprocessen i närvaro av en specifik förlängningsfaktor för Sec-inkorporering (SelB eller EFSec) (Fischer et al., 2016). Mekanismen för SECIS-positionering på toppen av UGA-kodonpositionen under Sec-inkorporering i Archaea och Eukarya är dock fortfarande okänd.

en annan särdrag som involverar Sec är det Sec-specifika tRNA. TRNASec är närvarande i de flesta organismerna och har en annan ”8+5” (bakterier) eller ”9+4” (Archaea/Eukarya) klöverbladskonformation i jämförelse med den traditionella ”7+5” acceptor/t Sackicc-loop-vikningen (Serr Kazako et al., 2018). Uppenbarligen är UCA-antikodon en annan nyckel för dess specificitet, som också inkluderar den längsta variabla armen. Varje specifik egenskap är kritisk för tRNA-mognad och belastning under Sec-biosyntesvägen.

initialt laddas tRNASec inte med en SEK-aminosyra utan med serin (Ser, S) av seryl-tRNA-syntetas (SerRS), vilket resulterar i en mellanliggande Ser-tRNASec. Vanligtvis är amino-acyl tRNA-syntetaser mycket specifika enzymer som känner igen unika tRNA-molekyler för att ladda med sina specifika aminosyror. SerRS är emellertid ett klass II-amino-acyl-tRNA-syntetas som har ett särskilt erkännande mot acceptorn och den långa variabla armen från Ser och/eller Sec tRNA, vilket ger en icke-specificitet mot anti-kodonet (Schimmel och Soll, 1979).

den mellanliggande Ser-tRNASec levereras till selenocysteinsyntas-SelA i bakterier – eller fosfoseryl-tRNA-Kinas-PSTK i Archaea/Eukarya–för ser / sek-omvandling. I bakterier är det homodekameriska SelA, ett pyridoxal-5′-fosfat (PLP) beroende enzym, ansvarig för denna omvandling som bildar en ternär 1,3 MDa-komplex maskineri (Silva et al., 2015). Detta övergående komplex monteras genom interaktionen mellan SelA.Ser-tRNASec binärt komplex och ett enzym som heter selenofosfatsyntetas (SelD), ansvarig för att leverera selendonatorn–selenofosfat–och ger den katalytiska fickan för att erhålla den mogna Sec-tRNASec (Silva et al., 2015). Selenföreningar är cytotoxiska, vilket kan kräva en dedikerad mekanism för att undvika celldöd. Ett alternativ för att hålla låga toxicitetsnivåer är återvinning av selenförening i den biologiska och användbara källan som selenofosfat. Denna omvandling involverar ett icke-Sec-vägspecifikt enzym-selenocysteinlyas (CsdB)–som driver Sec-återvinningen till selenid, vilket är mycket giftigt för cellerna. Resultaten föreslog att CsdB.SelD interagerar för att skydda miljön och katalyserar selenfosforyleringen oavsett organismerna (Itoh et al., 2009).

å andra sidan, i Archaea och Eukarya är Sec-biosyntesen annorlunda och uppdelad i två utmärkta steg. Den initiala ser-återstoden som finns i Ser-tRNASec fosforyleras av PSTK, vilket resulterar i en mellanliggande o-phosposeryl-(Sep)-tRNASec. Efter omvandlingen utför o-fosfoseryl–tRNASec–selentransferas (SepSecS–a PLP-beroende enzym) sep/Sec-omvandlingen, vilket resulterar i den mogna Sec-tRNASec (Liu et al., 2014). Den biologiska selenföreningen levereras som nämnts för bakterier.

en annan huvudskillnad mellan Sec och andra aminosyror är inkorporeringsprocessen. Mogna Sec-tRNASec känns igen och levereras specifikt in i ribosomala maskiner av unika förlängningsfaktorer (SelB eller EFSec), som har förmågan att inte bara känna igen de traditionella molekylerna för inkorporering av aminosyror, dvs L30 ribosomal subenhet och tRNA, utan också att känna igen SECIS-och/eller SECIS-bindande proteiner (Sbps) (Fletcher et al., 2001). SBP är proteiner grundade i Eukarya som identifierar SECIS-element på 3 ’ – UTR och hjälper dess interaktion med eEFSec för SEC-införlivande (Fletcher et al., 2001). I bakterier kan SelB identifiera alla tre elementen (ribosom, moget tRNASec och SECIS-element). Denna mekanism är nyckeln som tillåter uga-feltolkning och introducerar Sec som en del av den framväxande polypeptiden. Denna mekanism inspirerade forskare i de nya ansträngningarna att förstå och använda denna genetiska kodutvidgning för att förbättra proteinteknik och syntetisk biologi (Miller et al., 2015). Mutationer och chimärer möjliggjorde icke-specifik inkorporering av aminosyror i olika kodoner, dvs., utför införlivandet av kanoniska aminosyror vid UGA-kodon genom att använda förlängningsfaktorer (EFTu) smält med SelB-Cterminal domän, ansvarig för SECIS-erkännande, som ett exempel (Soll, 2015). Ytterligare förbättringar inom syntetisk biologi pågår och resultaten kommer att inspirera, och grunder bryter detta område i nästan framtiden.dessutom hjälper den fullständiga förståelsen av denna inkorporeringsmekanism för närvarande proteinteknikprocessen och syntetisk biologi, vilket möjliggör en ”ny expansion” av den genetiska koden genom att manipulera införlivandet av aminosyrorna (Mukai et al., 2017).

Sec är ett exempel på denna expansion som naturen gjorde för att öka variationen i proteinerna, funktionen och förhindrar också celltoxicitet. Full förståelse för denna mekanism kan hjälpa oss att förstå proteinutvecklingsprocesser och makromolekylära interaktioner som gör det möjligt för oss att utforma nya metoder och sätt att utöka möjligheterna till syntetisk biologi.

diskussion

betydelsen och unikheten hos Sec incorporation-förlängningsfaktorn framhävs när det komplexa systemet beskrivs fullständigt i 30 års omfattande forskning. Aspekter som hur det kan reglera selenoproteins uttryck under oxidativ stress eller hur man förföljer uga-stop-feltolkningen är fascinerande att förstå och expandera den genetiska koden. Nya sätt att skriva om eller tolka samma information kommer att utvidga gränserna för den genetiska koden, inte bara genom att öka mångfalden och möjligheterna inom proteinteknik, utan också skapa nya insikter för att kodifiera specifika enzymer och proteiner. Hela Sec-biosyntesvägen är unik, men EF-UGA-erkännandet är den främsta anledningen till att Sec är annorlunda. EF känner vanligtvis igen inkorporeringsmaskineriet vid rätt position för aminosyrainkorporering.

dessutom kan denna mekanism användas för att svara på frågor om inkorporeringsprocessens effektivitet, noggrannhet och bevarande bland olika arter. Sec-inkorporering är annorlunda främst på grund av SelB, den speciella EF som tillåter UGA-Sec-erkännande baserat på ett mRNA-element. Evolutionär, Sec-EF ändras för att känna igen en annan partner som hjälper till att korrekt styra Sec-tRNASec in i ribosomhålan, vilket gör denna process effektivare.

som tidigare nämnts började forskare redan förstå och använda Sec-maskinerna för att skapa chimärer som gör att vi kan ändra kodonets erkännande. Ytterligare studier i EFs och dess interaktioner med SelB/eEFSec som exempel kan vägleda oss för nya insikter i den nya genetiska expansionstiden.

Författarbidrag

alla listade författare har gjort ett betydande, direkt och intellektuellt bidrag till verket och godkänt det för publicering.

intressekonflikt

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.