SECIS-элемент

SECIS-элемент (от англ. Selenocysteine Insertion Sequence) — это структурный элемент матричной РНК (мРНК), который обеспечивает включение селеноцистеина (21-й протеиногенной аминокислоты) в состав синтезируемого белка в процессе трансляции. SECIS-элемент представляет собой шпилечную (стебель-петлевую) вторичную структуру, расположенную в 3'-нетранслируемой области (3'-НТО) мРНК у эукариот и архей, либо непосредственно за UGA-кодоном в кодирующей последовательности у бактерий. Он взаимодействует со специализированными факторами трансляции, которые перекодируют стоп-кодон UGA как сигнал для встраивания селеноцистеина, а не для терминации синтеза белка.

Открытие и история изучения

Существование 21-й аминокислоты, селеноцистеина, было установлено в 1970-х годах, когда исследователи обнаружили, что селен входит в состав некоторых бактериальных ферментов, таких как формиатдегидрогеназа и глицинредуктаза. В 1986 году группа учёных под руководством Августа Бёка (August Böck) независимо показала, что селеноцистеин кодируется стоп-кодоном UGA, который в норме сигнализирует об окончании синтеза белка. Это открытие поставило вопрос о механизме, который позволяет рибосоме отличать «селеноцистеиновый» UGA от терминаторного.

В 1991 году американские исследователи Донна Дрисколл (Donna Driscoll) и Пол Копленд (Paul Copeland) впервые идентифицировали SECIS-элемент в мРНК селенопротеина Р у млекопитающих. Они показали, что делеция определённого участка в 3'-НТО приводит к потере способности встраивать селеноцистеин. В последующие годы были выявлены консервативные нуклеотидные последовательности и вторичные структуры SECIS-элементов у разных организмов, а также открыты белки, связывающиеся с ними (SBP2, eEFSec).

Структура SECIS-элемента

SECIS-элемент различается по строению у эукариот, архей и бактерий, что отражает эволюционные различия в механизмах селеноцистеиновой трансляции.

Эукариотический SECIS-элемент

У эукариот SECIS-элемент расположен в 3'-нетранслируемой области мРНК, на расстоянии от 50 до нескольких тысяч нуклеотидов от стоп-кодона UGA. Его каноническая вторичная структура включает:

• Стебель (stem): две комплементарные последовательности, образующие двойную спираль длиной 10–12 пар оснований.
• Петля (loop): неспаренный участок, содержащий консервативные нуклеотиды.
• Внутренняя петля (internal bulge): характерный выступ, в котором расположены ключевые для связывания белков нуклеотиды.

Консенсусная последовательность эукариотического SECIS-элемента имеет вид: AUGA...GA...CUGA, где триплеты AUGA и CUGA образуют шпильку, а внутренняя петля содержит два неспаренных аденина (A). Важнейшим элементом является так называемый «квартет» (quartet) — четыре консервативных нуклеотида (обычно AUGA), которые участвуют во взаимодействии с фактором SBP2.

Прокариотический SECIS-элемент

У бактерий SECIS-элемент расположен непосредственно за UGA-кодоном в кодирующей части мРНК (в рамке считывания). Он представляет собой короткую шпильку длиной около 40 нуклеотидов, которая не мешает работе рибосомы благодаря своей компактной структуре. Консервативные нуклеотиды прокариотического SECIS-элемента образуют стебель-петлю с характерным мотивом GAUA...UAUA.

SECIS-элемент архей

У архей SECIS-элемент по структуре ближе к эукариотическому, но имеет свои особенности. Он также расположен в 3'-НТО, но его консенсусная последовательность короче и менее консервативна. У некоторых архей (например, Methanococcus jannaschii) SECIS-элемент может находиться в кодирующей области, как у бактерий.

Механизм действия

Включение селеноцистеина в белок требует перекодирования стоп-кодона UGA. Этот процесс включает несколько этапов:

1. Синтез селеноцистеин-тРНК: Специализированная тРНК (tRNASec) сначала заряжается серином, который затем ферментативно превращается в селеноцистеин под действием селеноцистеинсинтазы (SelA у бактерий, SepSecS у эукариот).

1. Связывание SECIS-элемента с белками: У эукариот ключевую роль играет белок SBP2 (SECIS-binding protein 2), который узнаёт вторичную структуру SECIS-элемента и связывается с ним. SBP2 рекрутирует фактор элонгации eEFSec (selenocysteine-specific elongation factor), который доставляет tRNASec к рибосоме.

1. Распознавание UGA-кодона: Рибосома, двигаясь по мРНК, достигает UGA-кодона. В норме факторы терминации (eRF1) связываются с UGA и останавливают трансляцию. Однако при наличии SECIS-элемента SBP2 и eEFSec конкурируют с факторами терминации, обеспечивая встраивание селеноцистеина.

1. Встраивание селеноцистеина: tRNASec, доставленная eEFSec, связывается с UGA-кодоном, и селеноцистеин включается в растущую полипептидную цепь. Трансляция продолжается до следующего стоп-кодона.

У бактерий механизм проще: SECIS-элемент, расположенный сразу за UGA, связывается с белком SelB, который одновременно узнаёт и SECIS, и tRNASec, что позволяет напрямую доставлять аминокислоту к рибосоме.

Биологическое значение

SECIS-элемент необходим для синтеза селенопротеинов — белков, содержащих селеноцистеин. Селенопротеины выполняют важные функции в организме:

• Антиоксидантная защита: глутатионпероксидазы (GPX1, GPX4) нейтрализуют перекись водорода и органические гидропероксиды.
• Метаболизм гормонов щитовидной железы: дейодиназы (DIO1, DIO2, DIO3) активируют или инактивируют тиреоидные гормоны.
• Регуляция окислительно-восстановительного баланса: тиоредоксинредуктазы (TXNRD1, TXNRD2) участвуют в восстановлении тиоредоксина.
• Транспорт и запасание селена: селенопротеин Р (SELENOP) доставляет селен к тканям.

У человека известно 25 селенопротеинов, для синтеза каждого из которых требуется SECIS-элемент в соответствующей мРНК. Нарушение работы SECIS-элемента (например, из-за мутаций) может приводить к дефициту селенопротеинов, что связано с различными заболеваниями, включая миопатии, нейродегенеративные расстройства и нарушения репродуктивной функции.

Эволюционное распространение

SECIS-элементы обнаружены у представителей всех трёх доменов жизни: бактерий, архей и эукариот. Однако они отсутствуют у некоторых групп организмов:

• Высшие растения и грибы: у большинства видов не найдено селенопротеинов, соответственно, нет и SECIS-элементов. Исключение составляют некоторые водоросли (например, Chlamydomonas reinhardtii).
• Многие бактерии: SECIS-элементы характерны в основном для анаэробных и факультативно анаэробных бактерий (Escherichia coli, Clostridium, Desulfovibrio), у аэробных видов они редки.
• Археи: SECIS-элементы найдены у метаногенов и некоторых других групп, но не у всех.

Эволюционно SECIS-элемент, вероятно, возник независимо в разных линиях, что подтверждается различиями в его структуре и механизмах действия. У эукариот и архей он, по-видимому, имеет общее происхождение, тогда как бактериальный SECIS-элемент мог развиться отдельно.

Методы исследования

Для изучения SECIS-элементов используются:

• Биоинформатика: поиск консервативных мотивов и вторичных структур в геномных последовательностях с помощью программ (SECISearch, RNAfold).
• Мутационный анализ: замена ключевых нуклеотидов в SECIS-элементе для проверки их влияния на включение селеноцистеина.
• Кристаллография и ЯМР-спектроскопия: определение трёхмерной структуры SECIS-элемента в комплексе с белками (например, SBP2).
• Функциональные тесты: использование репортёрных генов (например, люциферазы), в которых UGA-кодон вставлен в рамку считывания, а SECIS-элемент расположен в 3'-НТО.

Клиническое значение

Мутации в SECIS-элементах или в генах, кодирующих белки, взаимодействующие с ними (SBP2, eEFSec), могут вызывать наследственные заболевания. Например, мутации в гене SBP2 (SECISBP2) приводят к дефициту нескольких селенопротеинов, что проявляется задержкой роста, мышечной слабостью, нарушением слуха и изменениями метаболизма щитовидной железы. Также SECIS-элементы рассматриваются как потенциальные мишени для генной терапии при заболеваниях, связанных с окислительным стрессом.

Применение в биотехнологии

SECIS-элементы используются в генной инженерии для включения селеноцистеина в рекомбинантные белки. Это позволяет создавать селенопротеины с улучшенными каталитическими свойствами (например, глутатионпероксидазы с повышенной активностью) или вводить селен в определённые участки белков для структурных исследований. Однако эффективность такого подхода ограничена из-за конкуренции с терминацией трансляции.

Источники

• Böck, A., Forchhammer, K., Heider, J., & Baron, C. (1991). Selenoprotein synthesis: an expansion of the genetic code. Trends in Biochemical Sciences, 16, 463–467.
• Driscoll, D. M., & Copeland, P. R. (2003). Mechanism and regulation of selenoprotein synthesis. Annual Review of Nutrition, 23, 17–40.
• Hatfield, D. L., & Gladyshev, V. N. (2002). How selenium has altered our understanding of the genetic code. Molecular and Cellular Biology, 22(11), 3565–3576.
• Krol, A. (2002). Evolutionarily different RNA motifs and RNA-protein complexes to achieve selenoprotein synthesis. Biochimie, 84(8), 765–774.
• Labunskyy, V. M., Hatfield, D. L., & Gladyshev, V. N. (2014). Selenoproteins: molecular pathways and physiological roles. Physiological Reviews, 94(3), 739–777.
• Walczak, R., Westhof, E., Carbon, P., & Krol, A. (1996). A novel RNA structural motif in the selenocysteine insertion element of eukaryotic selenoprotein mRNAs. RNA, 2(4), 367–379.