Étude de la dynamique des interactions des constituants du complexe de biosynthèse et d’insertion de la sélénocystéine dans la traduction des sélénoprotéines in vivo

Les sélénoprotéines sont des protéines auxquelles des sélénocystéines, soit le 21e acide aminé, sont incorporées durant leur traduction. Plus précisément, la sélénocystéine (Sec) est un dérivé métabolique de la sérine, mais structurellement équivalent à une cystéine dont on a remplacé l'atome de soufre par du sélénium. Elle se distingue des autres acides aminés puisqu’elle possède sa propre synthétase qui sert à convertir la sérine en Sec alors que le résidu est déjà fixé à l’ARNt. La position d’une Sec sur l’ARNm est indiquée par le codon UGA étant habituellement un signal STOP introduisant le concept de recoding. Grâce à une machinerie métabolique spécifique à l'ARNtSec et à la présence d’un SecIS (Selenocystein Insertion Sequence) sur l’ARNm, ce codon permet la présence d'une Sec dans la protéine. Il est connu que la synthèse débute avec l’acétylation de l’ARNt[Ser]Sec par la seryl-ARNt synthétase (SerRS) afin de donner la seryl-ARNt[Ser]Sec. Cette dernière est subséquemment phosphorylée par l’O-phosphoséryl-ARNt[Ser]Sec kinase (PSTK) qui donnera l’O-phosphoséryl-ARNt[Ser]Sec. Par la suite, un complexe de plusieurs protéines et cofacteurs, agissant comme machinerie pour l’incorporation des Sec durant la traduction, s’associe avec l’ARNt[Ser]Sec puis l’ARNm et, finalement, les composantes du ribosome. Parmi ces protéines, SepSecS catalyse l’étape finale de la synthèse des Sec en convertissant le O-phosphoseryl-ARNt[Ser]Sec en selenocysteinyl-ARNt[Ser]Sec utilisant le sélénophosphate comme source de sélénium. Des études récentes montrent que l’association avec SECp43 serait nécessaire pour que SepSecS joue son rôle et soit ségrégée au noyau pour s’associer à la machinerie de biosynthèse des sélénoprotéines, soit le complexe moléculaire qui reconnaît le codon UGA. Parmi les protéines de la machinerie de biosynthèse des sélénoprotéines que nous avons analysées, il y a eEFSec, RPL30, SPS2, SPS1, SBP2 et NSEP1. Nos résultats d’analyse de la dynamique de l’interaction entre les constituants de la machinerie de biosynthèse et d’incorporation des Sec, confirment plusieurs données de la littérature, mais remettent en question le modèle jusqu’à maintenant établi. Une meilleure compréhension de la dynamique des interactions entre ses constituants et la régulation de cette dynamique permet d’émettre des hypothèses quant au rôle de la machinerie de biosynthèse des sélénoprotéines et de l’importance de sa complexité. Nous avons analysé les interactions in vivo dans des cellules HEK293T au moyen de la technique de Protein-Fragment Complementation Assay (PCA) en couplant, par un clonage moléculaire, les gènes de chacune des protéines d’intérêt avec des fragments des gènes de la protéine luciférase (hRluc). Nous avons ainsi réalisé une fusion en N-terminal et en C-terminal des fragments de luciférase pour chacune des protéines d’intérêt. Puis, nous avons analysé la dynamique des interactions avec les composantes de la machinerie de biosynthèse des Sec. D’autres travaux seront essentiels afin de bâtir sur les résultats présentés dans cette recherche.

Oxidative stress protection of Trypanosomes requires selenophosphate synthase

Selenoproteins are characterized by the incorporation of at least one amino acid selenocysteine (Sec-U) encoded by in-frame UGA stop codons. These proteins, as well as the components of the Sec synthesis pathway, are present in members of the bacteria, archaea and eukaryote domains. Although not a ubiquitous pathway in all organisms, it was also identified in several protozoa, including the Kinetoplastida. Genetic evidence has indicated that the pathway is non-essential to the survival of Trypanosoma growing in non-stressed conditions. By analyzing the effects of RNA interference of the Trypanosoma brucei selenophosphate synthetase SPS2, we found a requirement under sub-optimal growth conditions. The present work shows that SPS2 is involved in oxidative stress protection of the parasite and its absence severely hampers the parasite survival in the presence of an oxidizing environment that results in an apoptotic-like phenotype and cell death. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Identification of a novel selD homolog from Eukaryotes, Bacteria, and Archaea: Is there an autoregulatory mechanism in selenocysteine metabolism?

Escherichia coli selenophosphate synthetase (SPS, the selD gene product) catalyzes the production of monoselenophosphate, the selenium donor compound required for synthesis of selenocysteine (Sec) and seleno-tRNAs. We report the molecular cloning of human and mouse homologs of the selD gene, designated Sps2, which contains an in-frame TGA codon at a site corresponding to the enzyme’s putative active site. These sequences allow the identification of selD gene homologs in the genomes of the bacterium Haemophilus influenzae and the archaeon Methanococcus jannaschii, which had been previously misinterpreted due to their in-frame TGA codon. Sps2 mRNA levels are elevated in organs previously implicated in the synthesis of selenoproteins and in active sites of blood cell development. In addition, we show that Sps2 mRNA is up-regulated upon activation of T lymphocytes and have mapped the Sps2 gene to mouse chromosome 7. Using the mouse gene isolated from the hematopoietic cell line FDCPmixA4, we devised a construct for protein expression that results in the insertion of a FLAG tag sequence at the N terminus of the SPS2 protein. This strategy allowed us to document the readthrough of the in-frame TGA codon and the incorporation of 75Se into SPS2. These results suggest the existence of an autoregulatory mechanism involving the incorporation of Sec into SPS2 that might be relevant to blood cell biology. This mechanism is likely to have been present in ancient life forms and conserved in a variety of living organisms from all domains of life.

UME6 is a central component of a developmental regulatory switch controlling meiosis-specific gene expression.

The UME6 gene of Saccharomyces cerevisiae was identified as a mitotic repressor of early meiosis-specific gene expression. It encodes a Zn2Cys6 DNA-binding protein which binds to URS1, a promoter element needed for both mitotic repression and meiotic induction of early meiotic genes. This paper demonstrates that a complete deletion of UME6 causes not only vegetative derepression of early meiotic genes during vegetative growth but also a significant reduction in induction of meiosis-specific genes, accompanied by a severe defect in meiotic progression. After initiating premeiotic DNA synthesis the vast majority of cells (approximately 85%) become arrested in prophase and fail to execute recombination; a minority of cells (approximately 15%) complete recombination and meiosis I, and half of these form asci. Quantitative analysis of the same early meiotic transcripts that are vegetatively derepressed in the ume6 mutant, SPO11, SPO13, IME2, and SPO1, indicates a low level of induction in meiosis above their vegetative derepressed levels. In addition, the expression of later meiotic transcripts, SPS2 and DIT1, is significantly delayed and reduced. The expression pattern of early meiotic genes in ume6-deleted cells is strikingly similar to that of early meiotic genes with promoter mutations in URS1. These results support the view that UME6 and URS1 are part of a developmental switch that controls both vegetative repression and meiotic induction of meiosis-specific genes.