Sélénocystéine

Un acide aminé comportant du sélénium a été isolé en 1941[4], identifié plus tard comme une méthylsélénocystéine[5]. En 1976, on démontre que cette dernière est le composant sélénié des sélénoprotéines[6].

Malgré son nom, la sélénocystéine dérive métaboliquement de la sérine, convertie en sélénocystéine alors que le résidu d'acide aminé est déjà lié à un ARN de transfert de sélénocystéine, noté ARNt^Sec. Structurellement, en revanche, elle est analogue à une molécule de cystéine dont on aurait remplacé l'atome de soufre par du sélénium, le groupe thiol étant remplacé par un groupe sélénol.

La formation du sélénocystéinyl-ARNt^Sec commence par l'estérification d'une molécule d'ARNt^Sec par une molécule de sérine sous l'action de la séryl-ARNt synthétase pour former le séryl-ARNt^Sec. Ce dernier est ensuite converti en sélénocystéinyl-ARNt^Sec par plusieurs enzymes.

• Chez les bactéries, la réaction est directe et catalysée par une seule enzyme, la sélénocystéine synthase[7] :
  • L-séryl-ARNt^Sec + SePO₃³⁻ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ L-sélénocystéinyl-ARNt^Sec + phosphate.

• Chez les archées et les eucaryotes, en revanche, la réaction se déroule en deux étapes[8] - [9] ; tout d'abord, la O-phosphoséryl-ARNt^Sec kinase convertit le séryl-ARNt^Sec en O-phosphoséryl-ARNt^Sec, puis la O-phosphoséryl-ARNt:sélénocystéinyl-ARNt synthase convertit ce dernier en sélénocystéinyl-ARNt^Sec :

1. ATP + L-séryl-ARNt^Sec ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ADP + O-phospho-L-séryl-ARNt^Sec ;
2. O-phospho-L-séryl-ARNt^Sec + SePO₃³⁻ + H₂O ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ L-sélénocystéinyl-ARNt^Sec + 2 phosphate.

Ces enzymes utilisent le sélénophosphate SePO₃³⁻ comme donneur activé de sélénium, produit par la sélénophosphate synthase[10] à partir de séléniure Se²⁻.

L'incorporation de la sélénocystéine dans les protéines est un processus complexe, car il n'existe pas à proprement parler de codon spécifique pour cet acide aminé. Dans l'ARN messager, à la position correspondant à la sélénocystéine dans la protéine, on trouve un codon UGA, qui est normalement un codon-STOP (appelé « opale »), signal d'arrêt de la traduction. Il y a cependant un ARNt spécifique permettant l'incorporation de cet acide aminé dans la chaîne polypeptidique en formation, dont l'anticodon est complémentaire de UGA[11]. La discrimination entre le codon UGA codant la sélénocystéine du codon-STOP UGA nécessite un mécanisme spécifique :

• Il existe une machinerie protéique particulière qui s'associe à l'ARNt sélénocystéine pour diriger son incorporation au site A du ribosome pendant l'étape d'élongation. Il s'agit de l'isopenténylation du complexe Sélénocystéinyl-ARNt^Sec, qui correspond à l'ajout d'une courte chaîne hydrocarbonée sur une Adénine de l'ARNt.
• l'ARN messager porte un élément de structure secondaire spécifique appelé élément SECIS (pour Selenocystein Insertion Sequence) qui est impliqué dans le recrutement du complexe protéine/ARNt chargé. Le sélénocystéinyl-ARNt est alors incorporé au site A du ribosome.

Chez les bactéries, le système est composé du facteur protéique SelB, homologue au facteur d'élongation « classique » EF-Tu capable de reconnaître les 20 autres aminoacyl-ARNt. SelB est homologue à EF-Tu sur sa partie N-terminale et de ce fait est capable de lier le GTP, l'ARNt chargé et d'interagir avec le ribosome. Il possède de plus une extension C-terminale composée de quatre domaines en "winged-helix" se liant avec une très forte affinité (nM) à l'élément SECIS, une épingle-à-cheveux, ou « tige-boucle », dans l'ARNm située peu après le codon UGA. L'élément SECIS est composé d'une quarantaine de nucléotides de séquence variable mais dont certains éléments invariants et nécessaires à l'interaction avec SelB ont pu être mis en évidence.

Chez les eucaryotes et les archées, le mécanisme est légèrement différent. Chez les eucaryotes, deux protéines en complexe, mSelB et SBP2, jouent respectivement le rôle de facteur d'élongation et de liaison aux éléments SECIS. Ces derniers sont également différents en séquence et en taille des SECIS procaryotes, et se situent le plus souvent en 3' hors de la partie codante du gène.

• Cystéine
• Méthylsélénocystéine
• Sérine
• Sélénoprotéine