Umkodierung des genetischen Codes mit Selenocystein

Authors

  • Dr. Markus J. Bröcker,

    1. Department of Molecular Biophysics & Biochemistry, Yale University, New Haven, CT 06520 (USA)
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  • Joanne M. L. Ho,

    1. Department of Genetics, Harvard Medical School, Boston, MA 02115 (USA)
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  • Prof. George M. Church,

    1. Department of Genetics, Harvard Medical School, Boston, MA 02115 (USA)
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  • Prof. Dieter Söll,

    Corresponding author
    1. Department of Molecular Biophysics & Biochemistry, Yale University, New Haven, CT 06520 (USA)
    2. Department of Chemistry, Yale University, New Haven, CT 06520 (USA)
    • Dieter Söll, Department of Molecular Biophysics & Biochemistry, Yale University, New Haven, CT 06520 (USA)

      Patrick O'Donoghue, Departments of Biochemistry and Chemistry, Western University, London, ON N6A 5C1 (Kanada)

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  • Prof. Patrick O'Donoghue

    Corresponding author
    1. Departments of Biochemistry and Chemistry, Western University, London, ON N6A 5C1 (Kanada)
    • Dieter Söll, Department of Molecular Biophysics & Biochemistry, Yale University, New Haven, CT 06520 (USA)

      Patrick O'Donoghue, Departments of Biochemistry and Chemistry, Western University, London, ON N6A 5C1 (Kanada)

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  • Wir danken Hans Aerni, Måns Ehrenberg, Ilka Heinemann und Eric Westhof für die aufschlussreichen Anregungen und Diskussionen im Verlauf der Studie. Weiterhin bedanken wir uns bei Kathryn Stone und Jean Kanyo an der W. M. Keck MS-Einrichtung der Yale University für ihre unschätzbare Hilfe bei der massenspektrometrischen Analyse unserer Proben und bei Zhengrong Wang und Ying Kiu am Kline Geology Laboratory der Yale University für deren Hilfe bei den ICP-MS-Analysen. Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch Forschungsmittel, welche D.S. von der Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences, Office of Basic Energy Sciences of the U.S. Department of Energy (DE-FG02-98ER2031 für die Finanzierung von molekulargenetischen Arbeiten) erhält, vom National Institute of General Medical Sciences (GM22854) sowie vom DARPA-Vertrag N66001-12-C-4211. M.J.B. wurde durch ein Feodor-Lynen-Stipendium für Postdoktoranden der Alexander von Humboldt-Stiftung unterstützt. J.M.L.H. erhält ein Doktorandenstipendium der Harvard Medical School.

Abstract

Der Selenocystein(Sec)-Einbau in Proteine erfolgt in der Natur durch die kotranslationale Umkodierung eines UGA-Stopp-Codons. Diese Studie zeigt nun, dass Sec nicht ausschließlich durch UGA, sondern vielmehr durch 58 aller 64 möglichen Codons kodiert werden kann. Hierbei erlauben 15 Codons nicht nur die vollständige Umkodierung von ihrer ursprünglichen Bedeutung als kanonische Aminosäure zu Selenocystein, sondern sie führen zu Proteinausbeuten, die um mehr als das Zehnfache gesteigert sind. Der hoch effiziente Mechanismus zur Selenocystein-Rekodierung wird anhand zweier Reporterenzyme, der Escherichia-coli-Formiatdehydrogenase und der humanen Thioredoxinreduktase, beschrieben. Da der Selenocysteineinbau an der Position eines UGA-Stopp-Codons zwangsläufig mit translationaler Termination konkurriert, war es umso erstaunlicher, dass die Selenocystein-Einbaumaschinerie während der Umkodierung von Sense-Codons erfolgreich mit den im Überfluss vorhandenen regulären Aminoacyl-tRNAs konkurriert.

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