Учёные раскрыли механизм включения селена в белки

Селен — один из восьми незаменимых микроэлементов для человека, мощный антиоксидант, важный для функции щитовидной железы, мозга и метаболизма. Однако микроэлементы могут быть использованы организмом только после включения в молекулу белка. Селен уникален: он встраивается в белок (селенопротеин) ещё во время его синтеза, в то время как все другие микроэлементы добавляются к уже готовым белковым молекулам.

Исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго выяснили, как именно селен включается в селенопротеины. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Белки синтезируются рибосомами путём последовательного соединения аминокислот в цепь. В этом процессе участвуют матричная РНК (мРНК), аминокислоты, присоединённые к транспортным РНК (тРНК), и вспомогательные молекулы, включая факторы элонгации.

У человека фактор элонгации eEF1A доставляет к рибосоме все аминокислоты, кроме селеноцистеина — аминокислоты, содержащей селен. Для включения селеноцистеина используется уникальный фактор элонгации eEFSec, который работает совершенно иначе.

«Мы знали, что селен особенный в синтезе белка, потому что для него действует целый отдельный набор правил и инструментов», — говорит Милян Симонович, доцент биохимии и молекулярной генетики.

Особенность селеноцистеина ещё и в том, что в генетическом коде он кодируется тем же стоп-кодоном (UGA), который обычно сигнализирует об окончании синтеза белка.

Обычно, когда рибосома доходит до стоп-кодона, она отсоединяется от мРНК. Однако в случае синтеза селенопротеина дополнительные белковые факторы и особые структурные элементы в мРНК (например, петли) указывают рибосоме не останавливаться, а включить селеноцистеин и продолжить элонгацию до следующего стоп-кодона.

«Фактор элонгации eEFSec играет ключевую роль в распознавании стоп-кодона как кодирующего селеноцистеин», — поясняет ведущий автор работы Малгожата Добош-Бартошек.

Исследователи также показали, что eEFSec изменяет свою форму при доставке селеноцистеина, изгибаясь примерно на 20 градусов. Для сравнения, eEF1A изгибается гораздо сильнее — примерно на 90 градусов — при доставке других аминокислот.

Учёные предполагают, что столь уникальный механизм включения селена мог сформироваться в ответ на Кислородную катастрофу около 2,3 млрд лет назад. Резкий рост уровня свободного кислорода в атмосфере потребовал от организмов развития защиты от окислительного повреждения. Селен, как мощный антиоксидант, был доступен, но крайне реакционноспособен, поэтому существовавшие механизмы включения микроэлементов в белки для него не подходили.

«Мы знаем, что eEFSec имеет уникальный домен, который помогает ему безопасно взаимодействовать с селеноцистеином», — отмечает Симонович.