Estudos biofísicos da Selenofosfato Sintetase de Escherichia coli e investigação de seu papel na via de biossíntese de Selenocisteínas

• Main Author: Ivan Rosa e Silva
• Other Authors: Otavio Henrique Thiemann
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2012
• Subjects: Escherichia coli; SELD; Selenocisteína; Selenofosfato Sintetase; Selenocysteine; Selenophosphate Synthetase
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-22032012-084829/

A principal forma biológica do selênio em vários organismos é o aminoácido Selenocisteína (Sec, U), que é incorporado em um polipeptídio emergente em códons UGA específicos. Em Escherichia coli, esta incorporação requer os genes que codificam para Seril-tRNA Sintetase (SerRS), Selenocisteína Sintase (SELA), um tRNASec específico (SELC), Selenofosfato Sintetase (SELD) e um fator de elongação de transcrição específico (SELB). A proteína Selenofosfato Sintetase (EC 2.7.9.3) pertence à família AIRS, de proteínas que têm o ATP como substrato, e produz o composto biologicamente ativo doador de selênio, o monoselenofosfato, a partir de ATP e seleneto. O gene selD em E. coli tem 1041 pares de bases e codifica uma proteína com 347 aminoácidos e massa molecular de 37 kDa. A fase aberta de leitura do gene selD foi amplificada do DNA genômico de E. coli e clonada em vetor de expressão pet28a(+) (Novagen). A proteína recombinante foi superexpressa em E. coli por indução com IPTG e purificada por cromatografia de afinidade por ligação a metal e a fração eluída foi concentrada por ultrafiltração. Em seguida, o produto foi submetido à clivagem da cauda de histidinas com Trombina. Para purificar o produto de reação de clivagem com protease e para estimar sua massa molecular e estado oligomérico, empregou-se cromatografia de exclusão molecular. A proteína pura foi utilizada em experimentos de Gel Nativo e em estudos das suas propriedades hidrodinâmicas realizados por meio de Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS), Espalhamento de Raios-X a Baixo Ângulo (SAXS) e Ultracentrifugação Analítica (AUC). Os resultados obtidos revelam uma mistura de oligômeros em solução, em um equilíbrio dímero-tetrâmero e tetrâmero-octâmero. Um modelo tridimensional para o homodímero de SELD de E. coli foi obtido por Modelagem Molecular e suas propriedades hidrodinâmicas preditas concordam com aquelas obtidas experimentalmente. Adicionalmente, triagens de condições de cristalização da proteína revelaram condições em que a proteína cristaliza na forma de pequenas agulhas e ensaios de otimização por variação da concentração de agente precipitante e pH não resultaram em monocristais adequados para difração de raios-X. A análise do papel da SELD na via de biossíntese de Selenocisteínas levanta a hipótese de que esta proteína deve entregar o monoselenofosfato para o complexo SELA-SELC de modo que o selênio seja incorporado para formação do aminoácido Selenocisteína, já que os compostos de selênio são tóxicos quando estão livres na célula. Portanto, a investigação da interação da SELD com o complexo SELA-SELC foi observada pelo monitoramento da anisotropia de fluorescência do complexo SELA-SELC mediante titulação de SELD. A análise local da interação para manutenção do complexo SELD-SELA-SEC foi feita por meio de espectrometria de massas com troca H/D, que revelou possíveis sítios de interação na superfície da SELD. Os resultados mostrados neste trabalho ampliam o conhecimento sobre a via de biossíntese de Selenocisteína, revelando detalhes da interação da SELD com o complexo SELA-SELC. === The main biological form of selenium in several organisms is the amino acid Selenocysteine (Sec, U), which is incorporated into selenoproteins in specific UGA codons. In Escherichia coli, it requires the genes that codify to Seryl-tRNA Synthetase (SerRS), Selenocysteine Synthase (SELA), a specific tRNASec (SELC), Selenophosphate Synthetase (SELD) and a specific translation elongation factor (SELB). Selenophosphate Synthetase (EC 2.7.9.3) belongs to AIRS superfamily of proteins that have ATP as a substrate and this protein produces the biologically active selenium donor compound, monoselenophosphate, from ATP and selenide. The selD gene from E. coli is 1041 base pairs long and codifies a protein with 347 amino acids and molecular mass of 37 kDa. The open reading frame of selD gene was amplified from E. coli genomic DNA and cloned into pET28a(+) expression vector (Novagen). The recombinant protein was overexpressed in E. coli by IPTG induction and purified by metal affinity chromatography, and the eluted fraction was concentrated by ultrafiltration. The product was used for Thrombin protease cleavage of the 6-His tag. In order to purify the product of proteolysis and to estimate its molecular mass and oligomeric state, we used size exclusion chromatography. The pure protein sample was used for Native Gel Electrophoresis. Hydrodynamic properties of the protein were studied by Dynamic Light Scattering (DLS), Small angle X-ray scattering (SAXS) and Analytical Ultracentrifugation (AUC). The results show an equilibrium between SELD oligomeric forms, as dimer-tetramer and tetramer-octamer association in solution. A tridimensional model of E. coli SELD was obtained by Molecular Modelling and its predicted hydrodynamic properties agree with those observed experimentally. In addition, crystal screening revealed crystallization conditions suitable for protein crystallization as small needles, but optimization of these conditions by precipitant agent and pH variation did not result in monocrystals reliable for X-ray diffraction. An analysis of SELD´s role in the Selenocysteine biosynthesis pathway indicates that SELD must deliver monoselenophosphate to the SELA-SELC complex so that the selenium is incorporated to the amino acid to form selenocysteyl-SEC, since selenium compounds are toxic when they are freely available in the cell. This interaction was observed by fluorescence anisotropy. The local analysis of complex formation was monitored by mass spectrometry after H/D exchange and revealed possible sites for this interaction on SELD surface. The results improve our knowledge about the Selenocysteine pathway in the cell, showing details of the interaction between SELD and the SELA-SELC complex.