Selenoproteïnes

Les selenoproteïnes són proteïnes que incorporen l’aminoàcid selenocisteïna en la seva seqüència. La selenocisteïna (Sec o U), correspon a l’aminoàcid 21 i presenta la mateixa estructura que la cisteïna però conté un àtom de seleni enlloc d’un de sofre.

El seleni és un element poc abundant que constitueix un nutrient essencial en la dieta dels animals, microorganismes i alguns eucariotes. Ha demostrat ser un dels agents quimioprotectors contra el càncer més prometedors i hi ha evidències que té també un paper important en la reducció de l’expressió viral, en la prevenció de problemes cardíacs i cardiovasculars i trastorns musculars. A més a més, la major part de selenoproteïnes són enzims redox, i per tant, poden tenir gran capacitat de protecció antioxidant. La selenocisteïna és més àcida que la cisteïna, és a dir, l’anió de la selenocisteïna és més estable que el de la cisteïna. Aquest fet implica que l’energia necessària per ionitzar-se és menor i tenen doncs una major capacitat d’atraure substàncies electròfiles. Això explica perquè pràcticament totes les selenoproteïnes descrites en eucariotes participen en reaccions d’oxidació-reducció. Les funcions fisiològiques de les selenoproteïnes deriven doncs de les propietats que el seleni els confereix en formar part de la seva estructura.

Les selenoproteïnes es van descobrir al 1973, i encara avui es segueix identificant, caracteritzant i investigant la seva estructura, metabolisme i fisiologia. S’han descrit selenoproteïnes als tres regnes Eucarya, Archaea i Prokarya i se n’ha identificat més de 30 famílies diferents. El codó que codifica per la selenocisteïna és l’UGA, que normalment codifica per a un codó STOP.

En eucariotes, la incorporació de selenocisteïna (Sec) requereix l’element d’inserció SECIS. En Toxoplasma gondii i Neospora caninum s’han identificat SECIS de formes canòniques i no canòniques. L’element SECIS té la seqüència GGGA en el SBP2-binding site, en el lloc que anteriorment s’havia considerat invariant: AUGA.

Van buscar AUGA i GGGA formes de SECIS en Toxoplasma i van detectar 5 gens de selenoproteïnes, incloent un que no havia estat descrit que el van anomenar SelQ i dos que contenen la forma GGGA en el SECIS. També van comprobar que el tipus GGGA en el SECIS no es va detectar ni en mamífers ni en nemàtodes.

L’element SECIS conté 4 parells de bases no Watson i Crick, una A desaparellada precedint el quartet i un motiu AA o CC desaparellat en el loop apical que es troba a 11-12 nucleòtids del quartet. Aquest quartet està involucrat en la identificació i interacció amb SBP2 (SECIS binding protein), el qual és essencial per a la formació d’un complex amb el factor d’elongació específic per la Sec i el tRNA (aquest complex inserta Sec en resposta als codons UGA). S’havia proposat que la U invariant en la seqüència conservada AUGA, forma un parell de base no Watson i Crick amb una altra U en el 5’DI SECIS RNA. En aquest estudi s’ha vist que la U del quartet, que es considerava un residu invariant, no està conservat en alguns gens de selenoproteïnes en apicomplexes.

Identificació de la forma no canònica de l’element eucariòtic SECIS:
Es va fer un estudi en Toxoplasma i es va veure que en SelT hi havia un altre tipus d’element SECIS, suggerint la presència d’una estructura no canònica, la qual té GGGA en comptes de AUGA. En apicomplexes, que contenen AUGA i GGGA com a formes d’element SECIS, es van identificar cinc selenoproteïnes en Toxoplasma i també SelQ. SelQ va ser detectada a T.gondii i els seus homòlegs no es van detectar en altres organismes. En la seqüència de SelQ, la selenocisteïna era el penúltim residu C-terminal i és seguit d’una cisterna C-terminal. Aquesta localització de la selenocisteïna és similar en les tioredoxin reductases, SelS i SelK, però cap d’aquestes proteïnes té una cisteïna C-terminal. En aquesta figura observem els elements SECIS identificats en Toxoplasma i Neospora:

Amb el fons blanc hi ha els elements SECIS canònics i amb el fons gris hi ha els elements SECIS del tipus GGGA. També es mostra el nucli de SECIS i les AA desaparellades en el loop apical.

Aquesta és la seqüència de SelQ (genbank accession nos. CN615432.1 i CF268978.1). També estan indicades les localitzacions de l’iniciació del codó AUG, el codó UGA que codifica per la Sec, la senyal d’stop (UAA) i l’element SECIS, que es troba posterior a la proteïna.

La diversitat de les selenoproteïnes origina la qüestió de per què algunes formes de vida necessiten seleni. Especialment, en organismes fotosintètics, les bases bioquímiques pel requeriment de seleni no són clares perquè hi ha poca informació sobre selenoproteïnes. Tot i així, s’han identificat 10 selenoproteïnes en Chlamydomonas reinhardtii, encara que aquesta alga no necessiti seleni per créixer. També, la glutation peroxidasa amb Sec és la única selenoproteïna que s’ha trobat en Thalassioria pseudonana, que correspon a un organisme fotosintètic que requereix seleni.

S’han trobat sis proteïnes que contenten seleni en una alga Haptofila, l’Emiliania Huxleyi, la qual requereix seleni pel seu creixement. E. huxleyi té una nova via metabòlica que actua en la síntesi de selenoproteïnes. En aquest procés, els ions extracel·lulars de seleni són incorporats a les cèl·lules mitjançant un transport depenent d’ATP. El seleni és immediatament fixat, acumulat i emmagatzemat. Aquest seleni s’utilitza per la síntesi de les proteïnes que tenen seleni. Basant-nos en les característiques filogenètiques (endosimbiosi secundària on una cèl·lula hoste eucariota adquireix el plastidi d’una alga eucariòtica simbiont) i l’existència de la nova via metabòlica del seleni, es pot anticipar que hi haurà nous tipus de selenoproteïnes i un sistema d’inserció se Sec diferent en aquests organismes.

Es va identificar una nova selenoproteïna eucariota en E.huxleyi, la qual es codifica per TGA, però no es va identificar cap SECIS. Aquesta selenoproteïna presenta una homologia amb la PDI (protein disulfide isomerase) i la Sec es va localitzar en el lloc actiu del seu domini tiorredoxina. L’estructura SECIS-like d’EhSEP2 s’assembla més a un element SECIS arcaic que a un eucariòtic per l’alt contingut en GC de les hèlix, les quals tindran una estructura rígida. EhSEP2 té un motiu KDEV al C terminal, que és molt semblant a la senyal de retenció en el reticle endoplasmàtic de mamífers (KDEL); això suggereix que EhSEP2 es localitza en el RE, igual que PDI. A més, es troba glicosilada com moltes altres PDI. Per tant, si EhSEP2 funciona com una PDI localitzada al RE, una deficiència de seleni resultaria en una disfunció d’aquesta proteïna, causant un retràs en la maduració de les noves proteïnes sintetitzades i s’acabaria aturant la divisió cel·lular. Aquesta és una resposta raonable a per què un organisme fotosintètic, com E.huxleyi, necessita seleni.

Les proteïnes semblants a PDI solen tenir 1,2 o 3 dominis TRX, cadascún dels quals conté el motiu CGHC. EhSEP2 només conté un domini TRX i en EhSEP2, la Sec es localitza en el motiu UGHC a la posició corresponent al lloc actiu de les proteïnes PDI-like. Com que l’activitat de PDI és dependent de la reactivitat de la cisteïna N terminal, es pot pensar que la substitució del residu cisteïna per una selenocisteïna en el lloc actiu de EhSEP2 és per augmentar l’eficiència catalítica d’aquesta PDI amb només un domini.

Aquesta és l’estructura predita de la seqüència 3’ no traduïda del mRNA de l’EhSEP2. La seqüència remarcada correspon al possible lloc pel plegament estable del mRNA.