备课素材：将硒代半胱氨酸UGA密码子与终止UGA密码子区分机制 2022—2023学年高一下学期生物人教版必修2

硒代半胱氨酸UGA密码子与终止UGA密码子区分机制 2019版高中生物学必修二基因控制蛋白质合成中密码子表与旧人教不同的地方是“UGA在特殊情况下可以编码硒代半胱氨酸”： 学生有疑问： 1、 人体中有游离的硒代半胱氨酸吗？ 2、 所有的的生物都需要硒代半胱氨酸吗？ 3、硒代半胱氨酸是如何合成的？是不是真的由半胱氨酸转变而成？  4、 哪种机制可将硒代半胱氨酸UGA密码子与典型的翻译终止UGA密码子区分开来？       第一个问题：答案是否定的。不仅是人体，其他生物也没有游离的硒代半胱氨酸！原因是，U的硒醇基反应性太强，其pKa（5.7）远低于同族的S（8.5），所以U很容易发生氧化分解。     第二个问题：并不是所有的生物都有U（图1）。研究表明，陆生植物和绝大多数真菌是没有的。但绝大多数动物和原核生物是有的，而含有U的生物其体内的含硒蛋白种类也不尽相同，例如线虫只有一种含硒蛋白。 图1.  Sec在生物中的分布 第三个问题：事实上，Sec并非是由Cys转变而成，而是由Ser转变而成！当然绝对不是由游离的Ser转变而成，而是由事先跟tRNASec结合的Ser转变而成！以大肠杆菌为例，共涉及三步反应： （1）Ser + tRNASec→Ser-tRNASec，该反应由丝氨酰-tRNA合成酶催化； （2）Selenide（硒化物）+ ATP→磷酸硒化物+ AMP + Pi，该反应由磷酸硒化物合成酶（Selenophosphate synthetase，为SelD）催化； （3）磷酸硒化物+Ser-tRNASec→Sec-tRNASec+ H2O，该反应由含硒半胱氨酸合成酶（Sel A）催化。因此，严格的说来，硒代半胱氨酸叫做硒代丝氨酸更合适。但在一开始发现它的时候，对此一无所知，想当然的以为是由半胱氨酸转变而来。   哪种机制可将硒代半胱氨酸UGA密码子与典型的翻译终止UGA密码子区分开来？ 事实上，Sec的参入可视为一种特殊形式的通读，即把一个终止密码子当成一个氨基酸的密码子来解码。对某些含硒蛋白基因的碱基序列所进行的分析以及点突变得到的结果表明：UGA的通读与一些称为含硒半胱氨酸插入序列（Selenocysteine insertion sequence，SECIS）的顺式元件有关。原核生物的SECIS的特征是在紧靠Sec密码子下游处有一个茎环结构，其中的茎由于非Watson-Crick碱基对（UGAC/UGAU）的存在而发生90°的弯曲（图2）。在大肠杆菌甲酸脱氢酶的mRNA分子上，位于UGA下游40bp的区域也是Sec参入所必需的。真核生物的SECLS则存在于3′-端的非翻译区，在一级结构上无一致序列，但二级结构很相似。在四碘甲状腺素5'-去碘酶RNA的3'-UTR中，有一段250bp的区域（距离UGA约1Kb）也是必需的。因此UGA所处的序列环境（sequence context)很重要！对此，我想借助一个比喻来解释一下：大家都知道，英语中要很多多义词，有时一个多义词两个不同的意思相差甚远。比如fast，在I run fast这句中，肯定是作副词，是快的意思，而在I fast all day long to lose some weight这句中，显然就不是快了，这里显然是作动词，意思是禁食。再如，moonlight作名词是月光，作动词是作兼职，它究竟是哪一个意思，看它所处的语境。所以，我们生化里面的moonligting protein是兼职蛋白，而不是月光蛋白！ 图2.  原核生物含硒半胱氨酸密码子所处的环境 图3.  原核细胞含硒半胱氨酸的参入 研究表明，大肠杆菌Sec的参入与4个基因的产物有关（图3）：Sel A 将Ser转变成脱氢丙氨酸（dehydroalanine）；Sel B为类EF-Tu延伸因子；Sel C为tRNASec，其上的反密码子能识别UGA；Sel D 激活HSe-。与其他tRNA相比，tRNASec具有一些不同寻常的性质：含有1个4bp环的6bp茎环结构；一个加长的受体茎；一个大的附加臂。这些特征可阻止它与细胞中含量丰富的EF-Tu相互作用。在真核生物中，一种叫SBP2的蛋白质能特异性地与SECIS元件结合，在含硒半胱氨酸的参入中也发挥作用。当翻译到Sec的UGA的时候，下游位置的SECIS 与Sec-tRNASec、Sel B和GTP形成四元复合物，Sec-tRNASec进入A部位，肽酰转移酶催化Sec氨基的参入（图4）。 图4.  SECIS元件在帮助Sec-tRNASec进入A部位中的作用     在缺硒的条件下，哺乳动物的1型脱碘酶在翻译到UGA时会提前终止。 学科网（北京）股份有限公司 $