Human selenocysteine synthase, SEPSECS, has evolved to optimize binding of a tRNA-based substrate

生物 转移RNA 硒代半胱氨酸 底物特异性 生物化学 基质(水族馆) 遗传学 计算生物学 核糖核酸 基因 生态学 半胱氨酸
作者
Anupama K. Puppala,Dylan Sosa,Jennifer Castillo Suchkou,Rachel L. French,Malgorzata Dobosz-Bartoszek,Kaitlyn Kiernan,Miljan Simonović
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
卷期号:52 (21): 13368-13385
标识
DOI:10.1093/nar/gkae875
摘要

The evolution of the genetic code to incorporate selenocysteine (Sec) enabled the development of a selenoproteome in all domains of life. O-phosphoseryl-tRNASec selenium transferase (SepSecS) catalyzes the terminal reaction of Sec synthesis on tRNASec in archaea and eukaryotes. Despite harboring four equivalent active sites, human SEPSECS binds no more than two tRNASec molecules. Though, the basis for this asymmetry remains poorly understood. In humans, an acidic, C-terminal, α-helical extension precludes additional tRNA-binding events in two of the enzyme monomers, stabilizing the SEPSECS•tRNASec complex. However, the existence of a helix exclusively in vertebrates raised questions about the evolution of the tRNA-binding mechanism in SEPSECS and the origin of its C-terminal extension. Herein, using a comparative structural and phylogenetic analysis, we show that the tRNA-binding motifs in SEPSECS are poorly conserved across species. Consequently, in contrast to mammalian SEPSECS, the archaeal ortholog cannot bind unacylated tRNASec and requires an aminoacyl group. Moreover, the C-terminal α-helix 16 is a mammalian innovation, and its absence causes aggregation of the SEPSECS•tRNASec complex at low tRNA concentrations. Altogether, we propose SEPSECS evolved a tRNASec binding mechanism as a crucial functional and structural feature, allowing for additional levels of regulation of Sec and selenoprotein synthesis.
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