Případ jedenadvacáté aminokyseliny

Selen patří mezi životně důležité stopové prvky. ¹⁾ Člověk ho potřebuje několik desítek mikrogramů denně a při dlouhodobém nedostatku je vystaven riziku řady závažných zdravotních poruch – od ischemické choroby srdeční, aterosklerózy, anemie, poruch imunitního systému, endokrinologických a neurologických onemocnění až po některé karcinomy. V Číně jsou oblasti se zvláště nízkou koncentrací selenu v půdě, kde obyvatelstvo trpí kardiomyopatií nazývanou kchešanská nemoc. ²⁾ V Zairu je nedostatek selenu spolu s nedostatkem jodu příčinou častého výskytu myxedematozního kretenizmu.

Selen je nezbytný pro aktivitu několika skupin oxidoreduktáz, v jejichž aktivních místech je aminokyselina selenocystein. Proteiny, které selenocystein obsahují ve své struktuře, nazýváme selenoproteiny (viz rámeček).

Vznik a výjimečnost selenoproteinů

Selenocysteiny jsou obsaženy sotva v jednom promile z desítek tisíc proteinů našeho těla, a obvykle je v takové bílkovině jenom jeden z nich. Tyto aminokyseliny však mají pozoruhodné účinky a několik jedinečných rysů biosyntézy. Abychom mohli vysvětlit, čím jsou výjimečné, připomeneme několik obecných pravidel, jimiž se řídí uplatnění genetické informace.

Genetický kód má téměř univerzální platnost (Vesmír 77, 388, 1998/7), a proto můžeme ke studiu jednoho typu organizmů využívat nástroje vypůjčené jinde. Protein vzniklý překladem lidského genu bude stejný, ať k jeho pořízení použijeme králičí retikulocyty, buněčnou kulturu ze zlatého křečka nebo bakterii Escherichia coli (musíme samozřejmě vládnout technikami, které je přimějí ke spolupráci). Každé ze čtyřiašedesáti možných kombinací čtyř nukleotidů v kodonu (trojici nukleotidů) je přiřazen jednoznačný význam. Jednašedesát kodonů kóduje některou z dvaceti aminokyselin, tři zbývající (stop-kodony UGA, UAA a UAG) slouží jako signál k ukončení vznikajícího bílkovinného řetězce.

V řadě proteinů jsou přítomny i další aminokyseliny, které do „dvacítky vyvolených“ nepatří. Ty vznikají až na sestaveném proteinu „opracováním“ postranních řetězců aminokyselin. Například hydroxyprolin a hydroxylyzin, které jsou nezbytné pro správné fungování bílkovin pojiva, vzniknou hydroxylací prolinu a lyzinu. Kromě toho bývají na postranní řetězce často vázány další skupiny, například fosfát nebo sacharidy. Reakce, jež proteiny pozměňují, nazýváme posttranslační (probíhají až po dokončení překladu genetické informace).

Kdy a jak se selenocystein dostane do proteinového řetězce

V roce 1970 objevil D. Hatfield v mozcích a játrech telat, králíků a kuřat zvláštní serinovou tRNA (viz rámeček), která se váže na stop-kodon UGA. (Serin má k dispozici už dvě jiné, které rozpoznávají dokonce šest kodonů.) Pokud by kodon UGA byl za všech okolností jen signálem k ukončení bílkovinného řetězce, tak by existence tRNA, která jej rozpoznává, neměla žádný smysl. Má-li však někdy i jiný význam, neznamená to nic menšího než výjimku z jednoznačného čtení genetického kódu!

Časem se ukázalo, že uvnitř genů pro selenoproteiny je v místě, které odpovídá poloze selenocysteinu, přítomen kodon UGA. Selenocystein značený radioaktivním uhlíkem ¹⁴C se na toto (ani žádné jiné) místo v proteinech nezabudovává, zato serin ano. Uhlíková kostra selenocysteinu pochází tedy ze serinu. Obě aminokyseliny se liší jediným atomem, hydroxyl (OH) je u selenocysteinu zaměněn selenylem (SeH). Pokud bychom na základě obecné znalosti biochemie měli uvažovat o možném způsobu záměny, první myšlenka by téměř určitě patřila nějaké posttranslační modifikaci. Je v tom ale jeden háček: Posttranslační modifikace by byla možná, i kdyby k zabudování serinu byl využit kterýkoli ze šesti klasických kodonů. Pokud však bodovou mutací pozměníme kodon UGA na UCA, na odpovídajícím místě proteinu se ocitne jednou provždy serin – a enzym není aktivní.

Vznik selenocysteinu objasnil až r. 1992 Takaharu Mituzani. Enzym selenocystein-syntáza působí jedině na serin vázaný na onu zvláštní tRNA, nyní už nazývanou tRNA^Sec. Zdrojem selenu pro reakci je selenofosfát. Serin vázaný na ostatní možné tRNA^Ser se nemění. Prostřednictvím tRNA^Sec se do proteinů může zabudovat jedině selenocystein, serin nikoli. Začlenění selenocysteinu do vznikajícího řetězce kontroluje speciální faktor, odlišný od toho, který slouží ostatním dvaceti aminokyselinám. Přeměna aminokyseliny vázané na tRNA je poměrně málo obvyklý jev, který se nazývá kotranslační modifikace.

Jak oklamat stop-kodon

Výjimku z obecného pravidla lze učinit za dodržení dvou podmínek. Jednak musí existovat mechanizmus, který výjimku umožní (vynutí, prosadí), a zároveň záruka jejího správného používání, jinak by buď nastala anarchie, anebo by se někdejší výjimka stala novým pravidlem.

Už bylo řečeno, že se selenocystein zabudovává jen do některých výjimečných proteinů, na místo označené kodonem, který normálně znamená ukončení syntézy. Geny pro selenoproteiny obsahují zvláštní signální sekvenci SECIS (selenocysteine insertion sequence), která se přepisuje do mRNA, ale nepřekládá do proteinů. Tato sekvence se skládá ze dvou navzájem komplementárních úseků, které jsou odděleny několika nukleotidy. Po jejich spárování vznikne vlásenková struktura se smyčkou, která ve spolupráci s několika zvláštními transkripčními faktory (jejich počet se u živočichů a bakterií liší) vytvoří předpoklady pro jiné čtení kodonu UGA a pro zabudování selenocysteinu do vznikajícího proteinu. Zvláštní signální sekvence SECIS neovlivňuje celou předlohu. Změna čtení se týká jen kodonů UGA, které jsou ve správné vzdálenosti od této sekvence a díky tomu mohou být situovány na vrcholu určité vlásenkové struktury. Stačí jediná bodová mutace v nejbližším okolí, a účinnost zabudování selenocysteinu do proteinu hned výrazně poklesne, což znamená, že se kodonu UGA vrátí (částečně nebo úplně) jeho obvyklý význam. Nezáleží na tom, jestli se změní sousední aminokyseliny – vlásenkovou strukturu dokáže narušit i konzervativní mutace.

Není bez zajímavosti, že bakterie nedovedou zabudovat selenocystein do proteinů syntetizovaných podle živočišných mRNA a naopak. Přestože obě skupiny organizmů mají tuto aminokyselinu ve svých genech zapsánu stejným kodonem, aparáty pro jeho dešifrování (signální sekvence SECIS a s ní spolupracující proteiny) jsou natolik rozdílné, že jsou tyto dva systémy neslučitelné. Není vyloučeno, že jejich původ je nezávislý. Pro tuto domněnku svědčí i velké rozdíly mezi eukaryotickými a prokaryotickými selenoproteiny (tj. nedostatek jejich sekvenční homologie).

Kromě živočichů a bakterií mají selenoproteiny ve své výbavě ještě archaea (o těchto zástupcích mikrobiální říše viz Z. Storchová, Vesmír 76, 612, 1997/11). Rostliny ani houby však selenoproteiny nevytvářejí, vůbec nemají potřebný aparát. Pokud tuto schopnost jejich předkové kdy měli, ztratila se beze stopy. Dokážou však selen zapracovávat do mnoha různých nízkomolekulárních látek, které pro nás, živočichy, mají obdobnou hodnotu jako vitaminy – díky nim můžeme využívat stopová množství selenu rozptýlená v půdě a jejím podloží. ³⁾