Recerca de selenoproteïnes en l’Odobenus rosmarus divergens

Selenoproteïnes

Importància del seleni

El seleni (Se) és un micronutrient amb un paper crucial pel manteniment de l’homeòstasi immune-endocrina, metabòlica, i cel·lular. És un component vital per moltes espècies, ja que una deficiència severa d’aquest nutrient pot causar diverses malalties, com per exemple, la malaltia de Keshan. Tot i així, un excés d’aquest micronutrient pot causar toxicitat (selenosis) aguda o crònica. És per això que aquest element no es troba mai en forma lliure, sinó conjugat en un grup de proteines, anomenades selenoproteïnes. [1]

L’element Se duu a terme les seves funcions nutricionals en forma de selenocisteïna (Sec), l’aminoàcid 21, inserit dins les selenoproteïnes. La selenocisteïna és un anàleg de la cisteïna amb la substitució del radical sofre (SH) per un de seleni (Se). La Sec està codificada pel codó UGA, un dels tres codons STOP per la traducció de mRNA en la resta de gens. El reconeixement del codó UGA com a un lloc d’inserció de Sec en comptes d’una senyal de parada, requereix la presència d’un element SECIS (SelenoCysteine insertion sequence) en la regió 3’ UTR del mRNA de la selenoproteïna i un tRNA-selenocisteil únic. A diferència dels 20 aminoàcids estàndars, la Sec es biosintetitzada a partir de la serina en el seu tRNA. En el genoma humà trobem 25 selenoproteïnes codificades. La majoria d’aquestes van ser descobertes per aproximacions bioinformàtiques, buscant elements SECIS.[2] La Sec presenta una major capacitat nucleofílica i electrofílica que la cisteïna, i està present en el lloc catalític de tots els selenoenzims. La majoria de les selenoproteïnes, amb funció coneguda, estan involucrades en sistemes redox i en vies de senyalització. [2]

Figura 1. El codi genètic il·lustrant la funció dual del codó UGA i que la Sec és el aminoàcid 21 codificat per UGA. [4]

Biosíntesi

El Se ingerit a través de la dieta ha de ser convertit a selenur (Se^2-), que serveix com a donant per la incorporació del Se en les selenoproteïnes. Les formes inorgàniques del Se, com el selenit (SeO₃^2-), són convertides a Se^2- via glutaredoxines i tioredoxines, mentre que les formes orgàniques són metabolitzades a Se^2- per la seleocisteïna liasa (Scly) o per trans-selenació. Després de la conversió del Se de la dieta a Se^2-, es produeix una reacció catalitzada per la selenofosfat sintetasa 2 (SPS2) donant lloc a selenofosfat (SePo₃^3-). La selenocisteïna (Sec) és incorporada a les proteïnes a través del seu tRNA únic (tRNA^[Ser]Sec). El tRNA^[Ser]Sec decodifica el codó UGA com a Sec en comptes d’un codó STOP, com és normal en altres aminoàcids, i així preveu la terminació prematura. [3]

Figura 2. Mecanisme de biosíntesi de Sec i Cys en eucariotes. [4]

Figura 3. Mecanisme d'inserció de Sec en eucariotes. La figura mostra els factors coneguts que es requereixen per la incorporació de Sec en les selenoproteïnes en resposta al codó UGA. [4]

Famílies

Figura 4. Selenoproteïnes presents en el genoma humà. Els tipus de SECIS i els residus Sec pertanyen als diferents motius de tioredoxina tal i com es mostra (C; cisteïna, x: qualsevol aminoàcid, U; residu Sec). A la dreta, es mostren les mides relatives de les diferents selenoproteïnes (relatiu a un aminoàcid d’escala 100). La localització del Sec dins de la proteïna es mostra amb la línia negra.

Tal i com s’ha explicat anteriorment, una característica clau comuna en totes les selenoproteïnes és la presència de residus Sec en les seves seqüències. Amb molt poques excepcions, aquest aminoàcid es troba en el lloc catalític de tots els selenoenzims per tal de dur a terme reaccions redox catalítiques. Així doncs, les funcions fisiològiques de les selenoproteines depenen estrictament de la presència de Sec, i mutacions en aquest aminoàcid o altres pot derivar en una inactivació enzimàtica. El selenoproteoma humà es troba codificat per 25 gens. tot i que, totes les selenoproteïnes estan involucrades en sistemes redox, cadascuna juga un paper biològic diferent. Aquestes 25 selenoproteïnes son:

Glutatió peroxidases (Gpx1, Gpx2, Gpx3, Gpx4, Gpx5, Gpx6, Gpx 7, Gpx8)

Aquesta família de selenoproteïnes està distribuïda en tots tres dominis de vida, i en mamífers està constituïda per 8 enzims. Aquest tipus de proteïnes juguen un ampli ventall de funcions fisiològiques i estan involucrades en la senyalització del peròxid d’hidrogen (H₂O₂), la detoxificació de les hidroperoxidases, i en el manteniment de l’homeòstasi redox cel·lular.

• Gpx1: És la selenoproteïna més abundant en mamífers, i la primera en ser identificada. Es troba expressada en totes les cèl·lules, amb una concentració màxima al fetge i ronyó. És un homotetràmer localitzat al citosol i als mitocondris que reacciona amb el peròxid d’hidrogen i amb hidroperoxidases solubles de baixa massa molecular. Juga un paper protector en condicions d'estrès oxidatiu. Així doncs, moltes de les funcions fisiològiques del H₂O₂ són modulades per aquest enzim.
  
  
• Gpx2: Es troba expressada en l’epitel·li gastrointestinal. És un homotetràmer i es localitza al citosol. Actua com a barrera contra l'absorció d'hidroperòxids aportats en la dieta, evitant el seu efecte tòxic.
  
  
• Gpx3: És un tetràmer secretat principalment pel ronyó i és l’enzim d’aquesta família amb major expressió en plasma. La seva funció és desconeguda.
  
  
• Gpx4: S’expressa en un rang molt ampli de tipus cel·lulars i teixits i catalitza la reducció de peròxids lipídics i colesterol èsters hiperòxids dins de les membranes cel·lulars.
  
  
• Gpx5: Compleix la mateixa funció que Gpx3 i es troba a l’esperma.
  
  
• Gpx6: Només es troba expressada en l’epitel·li olfactori i durant el desenvolupament embrionari. És un homodimer secretat amb funció similar a Gpx3.
  
  
• Gpx7: És una proteïna secretada.
  
  
• Gpx8: Es troba localitzada a la membrana cel·lular.
  
  

Hormones tiroidees deiodinases (DI1, DI2 i DI3)

La família iodotironina deodinasa de selenoproteïnes està formada per tres proteïnes paràlogues en mamífers (DI1, DI2 i DI3), involucrades en la regulació de l’activitat de la hormona tiroidea a través de deiodinació reductiva. Aquestes proteïnes presenten diferent localització subcel·lular i expressió tissular. DI1 i DI3 estan localitzades en la membrana plasmàtica, mentre que la proteïna DI2 es localitza en el reticle endoplasmàtic (RE). Les deiodinases són selenoproteïnes de membrana caracteritzades per un plec tiorredoxina. Malgrat la baixa similitud de seqüència (menor que 50%) entre les tres deiodinases, presenten una topologia i una organització estructural similar. La major part de la hormona tiroidea produïda per la tiroide és secretada en la seva forma inactiva, la tiroxina (T4), aquesta prohormona pot ser convertida en una hormona tiroidea activa (T3) a través de desiodació de l’anell extern en una reacció catalitzada per DI1 i DI2. Successivament, T3 i T4 poden ser inactivades per l’enzim DI3. D’aquesta manera, les deiodinases juguen un paper important mantenint els nivells i l’activitat de hormona tiroidea, tant activant la prohormona com degradant la forma biologicament activa de T3. Aquesta regulació local de l’hormona és essencial per un gran número de processos fisiològics, com per exemple la regeneració de teixits després d’un dany i la regeneració d’aquests durant el desenvolupament de l’individu.

Tiorredoxina Reductases

Les Tioredoxina Reductases (TRs) són oxidoreductases que juntament amb la tioredoxina (Trx) formen part del sistema de reducció de disulfur més important de la cèl·lula. En mamífers, existeixen tres isoformes de la TR i totes elles contenen residus de selenocisteïna en l'extrem COOH terminal a la penúltima posició.

• TR1: és localitzada principalment al citosol i al nucli. Hi ha al menys 6 isoformes de la TR1 diferents, produïdes per splicing alternatiu i extensió de l'extrem NH2 terminal a causa de diferents llocs d'inici de la transcripció. La funció principal d'aquesta proteïna és la reducció NADPH-depenent de la Trx1. La TR1 està implicada en un gran nombre de processos, com la defensa antioxidant, la regulació de factors de transcripció i apoptosi entre altres.
  
  
• TR3: es localitza en el mitocondri, i està implicada en la reducció de la tioredoxina mitocondrial (Trx2) i la glutaredoxina (Grx2). De la mateixa manera que TR1, es troben múltiples isoformes de la TR3.
  
  
• Tioredoxina glutatió reductasa (TGR): aquesta proteïna difereix en les altres dues ja que presenta un domini addicional de glutaredoxina (Grx), localitzat al extrem NH2 terminal de la proteïna.
  
  

Metionia-R-Sulfoxida Reductasa (MsrB1)

La metionina és un aminoàcid que conté sulfur i és altament susceptible a les espècies reactives d’oxigen acumulades a l’organisme. Les reductases de sulfòxid de metionina (Msrs) s'encarreguen de reparar els residus oxidats de metionina en proteïnes i sulfòxids lliures de metionina. Les Msrs presenten dues famílies estereoespecífiques, MsrA (que redueix les formes S del sulfòxid de metionina) i MsrB (que redueix les formes R del sulfòxid de metionina). La MsrB1 es sintetitza primàriament al fetge i ronyó, i es localitza al citosol i nucli. Dins d’aquesta família de proteïnes, la MsrB1 presenta la major activitat, degut a la presència d’una Sec al lloc actiu de l’enzim. Recentment, s’ha vist que juga un paper important en la regulació de funcions cel·lulars, revertint de forma estereoespecífica l’oxidació dels residus de metionina reguladors. Es tracta d’una selenoproteïna no essencial, amb una expressió regulada per la disponibilitat de Seleni.

15kDa Selenoproteïna (Sel15) i Selenoproteïna M (SelM)

La Sel15 i la SelM són proteïnes residents del reticle endoplasmàtic. S’ha proposat que la Sel15 preveu l’efecte cancerigen del Se de la dieta i la regulació de l’homeòstasi al RE a més està implicada en el plegament de les glicoproteïnes en el reticle endoplasmàtic. La SelM és un homòleg distant de la Sel15, identificada per aproximacions bioinformàtiques. La Sel15 presenta un nivell d'expressió màxim a la pròstata, fetge, ronyó, i testicles, mentre que la SelM s’expressa majoritàriament al cervell.

Selenoproteïnes W, T, H i V

Les selenoproteïnes W (SelW), T (SelT), H (SelH), i V (SelV) pertanyen a la família Rdz de selenoproteïnes. Els membres d’aquesta família es caracteritzen per la presència d’un motiu Cys-x-x-Sec conservat en la seva seqüència.

• SelW: és una de les selenoproteïnes més abundants en mamífers. És una proteïna petita, d’uns 9-kDa, i es localitza al citosol i s’expressa en nivells elevats al múscul i cervell. La seva expressió està regulada per la disponibilitat del seleni en la dieta.
  
  
• Sel T: es localitza predominantment en el reticle endoplasmàtic i l’aparell de Golgi, i s’expressa ubiquitinada durant el desenvolupament embrionari i en teixits adults. Aquesta selenoproteïna té un paper fonamental en la regulació de l’homeostasis del Ca²⁺ i en la funció neuroendocrina.
  
  
• SelH: és una selenoproteïna d'uns 14-kDa que presenta un patró de localització subcel·lular únic, localitzada en el nucleoli. L’expressió d’aquesta proteïna és molt baixa en teixits adults però s’incrementa durant el desenvolupament embrionari. Sel H depèn de la ingesta de seleni en la dieta. Aquesta selenoproteïna té la capacitat d’unir-se a seqüències de DNA que contenen heat shocks i elements de resposta a l’estrès. A més, Sel H presenta activitat glutatió peroxidasa i està implicada en la regulació de la transcripció de grups de gens involucrats en la síntesis de novo de glutatió.
  
  
• Sel V: es localitza en la placenta de mamífers, tot i que s’ha demostrat la seva absència en diverses espècies. Sel V és un homòleg proper de la Sel W però presenta una mida major a causa d’un domini NH₂ terminal addicional. La seva funció encara no es coneix, però hipotetitzen que pot estar implicada en la reproducció masculina.
  
  

Selenofosfatasa sintetasa 2 (SPS2)

La SPS2 és un factor implicat en la biosíntesis de selenoproteïnes, amb activitat enzimàtica per sintetitzar selenofosfat a partir d'ATP i selenit. Així doncs, podria funcionar com un autoregulador de la síntesi de selenoproteïnes.

Selenoproteïna P (SelP)

Es sintetitza primàriament al fetge i es secreta al plasma. S’expressa en abundància, constituint el 50% del seleni en sang. És la única selenoproteïna amb múltiples residus Sec i presenta 4 isoformes. S’encarrega de mantenir les reserves de Se als teixits perifèrics.

Selenoproteïna O i I (SelO i SelI)

Ambdues proteïnes han estat recentment descobertes, i per això es desconeix el seu paper. La SelI és una proteïna transmembrana del RE amb funció encara desconeguda.

Selenoproteïna S i Selenoproteïna K (SelS i SelK)

Aquestes dues proteïnes no presenten similitud de seqüència, però es poden agrupar dins una mateixa familia basant-nos en la seva topologia, incloent un domini transmembrana, la presència d’un segment ric en glicina, i pels seus aminoàcids carregats positivament.

• SelS: presenta una senyal de localització al RE i s’indueix per l’estrès. És un dels components del sistema de degradació proteica associada al ER (ERAD). Aquest sistema protegeix les cèl·lules de l’acumulació de proteïnes mal plegades, transportant-les del RE al proteosoma. S’ha demostrat una associació entre l’expressió d’aquesta proteïna amb la diabetis tipus 2.
  
  
• SelK: presenta un paper fonamental en la regulació de l’estrès al reticle endoplasmàtic i en la facilitació del flux de calci a les cèl·lules immunitàries. El seu mRNA s’expressa en cèl·lules immunes i teixits limfoides, melsa, intestí i testicles. La proteïna es troba localitzada predominantment al RE, tot i així no presenta senyal de localització ER.
  
  

Selenoproteïna N (SelN)

És una glicoproteïna transmembrana resident al reticle endoplasmàtic, altament expressada durant el desenvolupament embrionari i en menor grau en teixits adults, especialment al múscul esquelètic. Mutacions en el gen de la SelN s’associa amb la distròfia muscular congènita.

Predicció i anotació de selenoproteïnes

El descobriment de les selenoproteïnes i el seu mecanisme de traducció associat és relativament recent. A més, la dualitat del codó UGA dificulta la identificació i l'anotació dels gens codificants per selenoproteïnes a partir d'un programa automàtic. Això va provocar en un passat, molts errors en l'anotació d'aquests gens, ja que moltes vegades s'identificava el codó UGA com un lloc de terminació de open reading frames (ORFs) en lloc de predir una determinada selenoproteïna.

Una alternativa per poder identificar correctament aquestes proteïnes és a través de l'identificació i la cerca dels elements SECIS a la regió 3'UTR del gen candidat. Tot i que aquest mètode ha permès l'identificació de nombroses selenoproteïnes, presenta el problema de la poca conservació a nivell de seqüència entre diferents espècies.

Odobenus rosmarus

Característiques

L’espècie Odobenus rosmarus, communment coneguda com a morsa, és un mamífer carnívor semiaquàtic que habita en mars àrtics. Dins d’aquesta espècie trobem tres subespècies; la morsa de l’Atlàntic (Odobenus rosmarus rosmarus), la del mar de Làptev (Odobenus rosmarus laptevi) i la morsa del Pacífic (Odobenus rosmarus divergens) en la que ens centrarem en el treball.

Com bé indica el seu propi nom, aquesta subespècie habita en les aigües del pacífic. Les morses, amb les seves pells arrugades grises i rosades, es distingeixen pels seus llargs bigotis, aletes planes, cossos greixosos i sobretot pels seus llargs quiexals blancs.

Aquests individus tenen la pell gruixuda, entre 2 i 4 cm de gruix. Un tret distintiu entre mascles i femelles són els grans nòduls que apareixen sovint en la pell dels mascles. Aquest nòduls aparèixen durant l'època de pubertat com a caràcters sexuals secundaris. El pelatge de la morsa canvia de color segons la temperatura; a l'aigua freda tenen un color gris clar mentre que a temperatures més càlides presenten cossos més rosats degut a la dilatació dels vasos sanguinis de la pell i l'increment de circulació associat. Les morses tenen pèl que recobreix tot el cos a excepció de les aletes. Tots dos gèneres muden el pèl durant l'any, però el mascle ho fa entre juny i agost mentre que les femelles poden trigar més temps a mudar-lo.

Taxonomia

• Regne: Animalia
• Filum: Chordata
• Classe: Mammalia
• Ordre: Carnivora
• Suordre: Caniformia
• Família: Odobenidae
• Gènere: Odobenus
• Espècie: O.rosmarus

Alimentació

Les morses s’alimenten d’una gran varietat d’invertebrats tous que es troben sota el fons marí amb l’ajuda dels seus bigotis sensibles per buscar les preses. La seva alimentació es basa principalment en mol·luscs, cucs i cogombres de mar entre altres. Algunes d’elles, especialment mascles, són reconeguts per caçar foques i aus marines.

Migració

Les morses del pacífic viuen durant l’hivern a les zones gelades del mar de Bering abans de separar-se i migrar durant la primavera. És en aquesta estació, quan les femelles amb cries migren des del nord del Mar de Bering fins el Mar de Chukchi. La majoria de mascles prefereixen emigrar cap a les badies de Bristol. Cap a finals de la tardor, les morses tornen als seus llocs d’origen.

Figura 5. Migració de les morses del pacífic durant la primavera.

Tria dels genomes de referència

En aquest treball s’ha comparat la seqüència de l'Odobenus rosmarus divergens amb dues espècies. Primerament, s’ha comparat amb les proteïnes homòlogues del Felis catus, ja que com podem observar en la figura es troba relativament aprop filogenèticament de la nostra espècie. Tot i així, també s’ha dut a terme l’anàlisi comparant-lo amb el genoma humà, ja que és el que està més ben anotat i estudiat.