原核生物硒蛋白的生物合成
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Journal of Anhui Agri． Sci． 2013 ， 41 （ 11 ） ： 4722 － 4724 安徽农业科学，
责任编辑
朱琼琼
责任校对
卢瑶
原核生物硒蛋白的生物合成
沈林星，邱洋松，孙 婧，邬丹妮，孙 爱，张冰倩，马建辉，孙梅好
（ 浙江师范大学化学与生命科学学院， 浙江金华 321004 ） *
在生物体内起作用， 因此了解硒蛋白的合成机制就显得尤为 重要 。如图 2 所示， 原核生物硒蛋白的合成途径已研究 3． 2 的较为清楚。原核生物中硒代半胱氨酸的合成和硒蛋白的 表达， 除需要硒元素外， 尚需以下几个条件：① mＲNA 开放阅 读框架中需一个硒代半胱氨酸的密码子 UGA；② 在 UGA 正 下游的茎环结构顺式作用元件 SECIS（图 2A）， 可抑制释放因 子 ＲF 在 UGA 密码子处与核糖体作用而抑制翻译结束；③4 SelB、 SelC、 SelD）产物。SelA 为硒代半胱 种独特的基因（ SelA、 氨酸合酶；SelB 为 tＲNAUGA 特异性的类 EF － TU 的延伸因 TU 有很高的同源性， C端 子， 其 N 端与 EF具延伸因子功能， 特异性识别 SECIS 结构；SelC 编码专门携带硒代半胱氨酸并 催化还原性 识别 UGA 的 tＲNAUGA ；SelD 为硒磷酸合成酶， 硒的活化
［25 ］
：ATPS （ ① ） 活化硒酸盐合成 APSe， APSe
［7 ］
可被 GSH 进行非酶催化的还原（ ②）
。APS 激酶（ APS ki-
nase ， APSK）可磷酸化 APSe 形成 PAPSe， PAPSe 可经 PAPS 还 PAPSＲ ） 还原形成亚硒酸盐， 原酶（ PAPS reductase， 也可被 GSH 还原形成亚硒酸盐。亚硒酸盐可进一步被 GSH 还原为
［13 ］ ［2 － 3 ］ ［5， 8， 10 ］
牧草中含硒量分布图 》 表明我国约有 2 /3 的面积属于饲 料、 料牧草缺硒区， 其中黑龙江省最为严重；而某些个别地区硒 含量非常高， 甚至达到了对人畜有中毒危险的水平（ 如湖北
国家自然科学基金项目 （ No． 30800019 ） ； 浙江省自然科学基 金项目 （ No． Y3090546 ） ； 教 育 部 留 学 归 国 科 研 启 动 基 金； 2012 年浙江省新苗人才计划资助 。 作者简介 沈林星（ 1990 － ） ， 女， 浙江湖州人， 专业：科学教育。* 通讯 作者， 教授， 硕士生导师， 从事硫、 硒的代谢机理及其生物学 Email：fengyunyihao2000@ 163． com。 功能研究， 0324 收稿日期 2013基金项目
26 ］ Se2 － ［21 － 22， 。
3 3． 1
硒蛋白的合成机制 Sec 插入硒蛋白的机制
［2 － 3 ］
硒元素主要以硒蛋白的形式
注：A． 大肠杆菌甲酸盐脱氢酶 SECIS 结构， 其中黑体为 Sec 密 码子 UGA；B． Sec 及硒蛋白的合成途径［1］。 图2 硒代半胱氨酸的合成及插入机制
41 卷 11 期
沈林星等
原核生物硒蛋白的生物合成
4723
等
［7， 17 － 20 ］
。
（ SelD）的催化下活化为硒磷酸；丝氨酰 tＲNA 合成酶催化丝 tＲNAUGA sec ， tＲ氨酸活 化 为 Ser在 SelA 的 催 化 下 利 用 SertＲNAUGA sec 。SectＲNAUGA sec 能被一 NAUGA sec 和硒磷酸合成 SecSECIS 形成 SelB 种特殊的延伸因子 SelB 识别结合， 与 GTP、 四元复合物， 通过与核糖体结合， 抑制释放因子与核糖体的 使 UGA 解读为 Sec 相互作用，
［2 ］ ［5， 8 ］ ［8 － 10 ］
硒的功能
主要以硒蛋白的形式发挥生物学活性 液中，
。 酸硒代半胱氨酸（ selenocysteine， Sec）的形式存在于硒蛋白中。Sec 和半胱氨酸具有类似的性 只有硒和硫原子的区别， 但 － SeH（ pKa 5． 2 ） 较 － SH（ pKa 质， 8． 5）有较低的 pKa［2］， 因此生理条件下 － SeH 更加活泼。目 前发现硒蛋白参与的过程有氧化还原反应、 氧化还原信号传 抗氧化防卫、 免疫反应、 甲状腺激素代谢等 导、
［7， 11 ］
。目前认为硒是许多真核生物、 细
［4 － 7 ］
菌和古菌的必需微量元素
， 主要通过胞内硒蛋白
［5 － 6 ］
等 ； 。
。 硒广泛分布于生物体内各种组织器官和体
［12 ］
参与细胞代谢过程。大量研究表明硒缺乏会造成心血管疾 病、 免疫力低下、 男性不育、 增加各种癌症的患病几率等 而过多摄入硒可引起动物的各种急性和慢性硒中毒 中硒的含量对维系生物安全具有重要的意义。 原核生物同化利用硒的机理已基本清楚， 而真核生物的 机理较为复杂， 还有许多问题尚待阐明
硒（ Selenium）由瑞典化学家 Berzelius 发现并命名， 长期 以来被认为是有毒物质， 直至 1957 年 Schwarz 和 Foliz 首次 人们对硒的研究逐渐由硒毒性向 阐明硒对生物的营养作用， 硒生物营养方向转移
［1 － 3 ］
0、 + 4 和 + 6 价 4 种价 恩施和陕西紫阳等） 。硒主要以 － 2、 态存在于自然界， 在水和土壤中主要是 + 6 价硒酸盐和 + 4 价亚硒酸盐， 且硒酸盐主要存在于有氧和中性到碱性 pH 环 亚硒 酸 盐 主 要 存 在 于 排 水 良 好 的 酸 性 至 碱 性 矿 质 境中， 土中 1． 2
。因此， 各地区硒
。
， 研究表明不同细胞主要通
［11， 14 ］
cysU、 cysW）吸收硒酸盐 过硫转运蛋白（ cysA、
， 利用硫酸
盐代谢途径进行硒酸盐还原代谢：经 ATP 硫酸化酶（ ATP sulfurylase， ATPS ） 活 化 为 腺 苷 － 5'磷 硒 酸 （ Adenosine 5'2－ Phosphoselenate， APSe）［15 － 16］， 一步步还原形成亚硒酸和 Se
2－
2－
细菌 SeO4 献
［7， 21 － 26 ］
还原代谢途径相对比较复杂， 综合参考文
， 硒酸盐还原的途径可简示如图 1。主要有酶催化
（ ① ～ ⑤） 、 还原性谷胱甘肽（ GSH） 的还原（ ②、 ⑥） 等不同途 径及其交叉途径。 硒酸盐可经胞内硝酸盐还原酶（ Nitrate Ｒeductase， NＲ）（ ③）［23］或硒酸盐还原酶（ Selenate Ｒeductase， SeＲ）（ ③）［24］的催化一步还原形成亚硒酸盐；也可利用胞内 硫酸盐还原途径
摘要 硒是包括哺乳动物在内许多生物的必需微量元素， 与人类健康密切相关。硒分布的不平衡导致所在地食物中硒含量差异较大， 且高硒地区的人易发生硒中毒， 而低硒地区的人易硒缺乏。胞内硒酸盐经还原及硒磷酸合成酶的活化， 在硒代半胱氨酸合酶 （ SelA） 催 tＲNAUGA sec 合成硒代半胱氨酸（ selenocysteine， Sec）， Sec 经 tＲNAUGA sec 特异性的类 EFTU 延伸因子 SelB 整合入蛋白质形成 化下利用 Ser并提出了利用硒蛋白的合成机制作为检测硒酸盐含 硒蛋白。文中主要概述了原核生物硒酸盐的还原代谢和硒代半胱氨酸的插入机制， 量的思路。 关键词 硒；硒蛋白；硒代半胱氨酸；生物检测器 中图分类号 S 188 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（2013）11 － 04722 － 03 Selenoprotein Biosynthesis in Prokaryotes SHEN Linxing et al （ School of Chemistry and Life Sciences，Zhejiang Normal University，Jinhua，Zhejiang 321004） Abstract Selenium， one trace essential element for many organisms including mammals， is closely related to human health． Imbalance of selenium distribution would result the marked variation in selenium contents of local foods which would lead to the selenosis and selenium deficiency respectively． After reduction and activation， intracellular selenate could be converted into selenium in areas with high and low selenium contents， phosphate，which could be further catalyzed by selenocysteine synthase （ SelA） to conjugate with SertＲNAUGAsec forming SectＲNAUGAsec to complete the selenocysteine （ Sec） synthesis on its tＲNA． Directed by selenocysteine insertion sequence （ SECIS） and the EFTU like elongation factor，SelB which is strictly specific for SectＲNAUGAsec，Sec was then inserted into selenoproteins in ribosomes． Selenate reduction in proand biological selenate detector based on mechanism of selenokaryote and mechanism of incorporation Sec into selenoprotein were summarized， protein biosynthesis was also proposed． Key words Selenium； Selenoprotein； Selenocysteine； Biological detector
［12 ］
生物体主要从环境中获取硒元素， 因此检测环境及生物制品
。文中主要对原核
生物硒酸盐的还原代谢及硒代半胱氨酸的插入机制进行综 述， 并提出利用硒蛋白的合成机制作为检测硒酸盐含量的 思路。 1 1． 1 硒的概述 硒的分布 ， 《中国饲 硒在地壳中分布广泛但不均匀
。
硒作为一种必需的微量元素， 人体既不能缺乏， 也不能 过量。食物是人和动物所需硒的主要来源， 硒分布的地区不 平衡导致所在地食物中硒含量差异较大， 需对高硒地区进行 除硒， 以防人畜中毒；而低硒地区则需适当补充外源硒以提 高人体素质， 治疗和预防疾病的发生 含量的监测备受关注。 2 硒酸盐的活化与还原 硒元素主要以低价态形式在生物体内发挥功能 硒的化学性质与硫非常类似
［2 － 3 ］
。
真核生物硒蛋白表达同样需要硒代半胱氨酸插入信号 （ SECIS 元件）和特殊的延伸因子， 并且研究发现 SECIS 位于 mＲNA 的 3' 非翻译区， 与 Sec 的插入位点有较远的距离， 其机 制尚有待进一步研究
［2 ］
。
注：①ATP 硫酸化酶 （ ATP Sulfurylase）；②GSH 诱导的硒酸盐还 原（ GSH Induced Selenate Ｒeduction ） 或 APS 还 原 酶 （ APS Ｒeductase）；③硒酸盐还原酶（ Selenate Ｒeductase ） 或硝酸盐 还原酶 （ Nitrate Ｒeductase ）； ④ APS 激酶 （ APS Kinase ）； ⑤ PAPS 还原酶 （ PAPS Ｒeductase）或 GSH 诱导的硒酸盐还原； ⑥GSH 诱导的硒酸盐还原。 图1 细菌胞内硒酸盐还原为 Se 的途径简示
责任编辑
朱琼琼
责任校对
卢瑶
原核生物硒蛋白的生物合成
沈林星，邱洋松，孙 婧，邬丹妮，孙 爱，张冰倩，马建辉，孙梅好
（ 浙江师范大学化学与生命科学学院， 浙江金华 321004 ） *
在生物体内起作用， 因此了解硒蛋白的合成机制就显得尤为 重要 。如图 2 所示， 原核生物硒蛋白的合成途径已研究 3． 2 的较为清楚。原核生物中硒代半胱氨酸的合成和硒蛋白的 表达， 除需要硒元素外， 尚需以下几个条件：① mＲNA 开放阅 读框架中需一个硒代半胱氨酸的密码子 UGA；② 在 UGA 正 下游的茎环结构顺式作用元件 SECIS（图 2A）， 可抑制释放因 子 ＲF 在 UGA 密码子处与核糖体作用而抑制翻译结束；③4 SelB、 SelC、 SelD）产物。SelA 为硒代半胱 种独特的基因（ SelA、 氨酸合酶；SelB 为 tＲNAUGA 特异性的类 EF － TU 的延伸因 TU 有很高的同源性， C端 子， 其 N 端与 EF具延伸因子功能， 特异性识别 SECIS 结构；SelC 编码专门携带硒代半胱氨酸并 催化还原性 识别 UGA 的 tＲNAUGA ；SelD 为硒磷酸合成酶， 硒的活化
［25 ］
：ATPS （ ① ） 活化硒酸盐合成 APSe， APSe
［7 ］
可被 GSH 进行非酶催化的还原（ ②）
。APS 激酶（ APS ki-
nase ， APSK）可磷酸化 APSe 形成 PAPSe， PAPSe 可经 PAPS 还 PAPSＲ ） 还原形成亚硒酸盐， 原酶（ PAPS reductase， 也可被 GSH 还原形成亚硒酸盐。亚硒酸盐可进一步被 GSH 还原为
［13 ］ ［2 － 3 ］ ［5， 8， 10 ］
牧草中含硒量分布图 》 表明我国约有 2 /3 的面积属于饲 料、 料牧草缺硒区， 其中黑龙江省最为严重；而某些个别地区硒 含量非常高， 甚至达到了对人畜有中毒危险的水平（ 如湖北
国家自然科学基金项目 （ No． 30800019 ） ； 浙江省自然科学基 金项目 （ No． Y3090546 ） ； 教 育 部 留 学 归 国 科 研 启 动 基 金； 2012 年浙江省新苗人才计划资助 。 作者简介 沈林星（ 1990 － ） ， 女， 浙江湖州人， 专业：科学教育。* 通讯 作者， 教授， 硕士生导师， 从事硫、 硒的代谢机理及其生物学 Email：fengyunyihao2000@ 163． com。 功能研究， 0324 收稿日期 2013基金项目
26 ］ Se2 － ［21 － 22， 。
3 3． 1
硒蛋白的合成机制 Sec 插入硒蛋白的机制
［2 － 3 ］
硒元素主要以硒蛋白的形式
注：A． 大肠杆菌甲酸盐脱氢酶 SECIS 结构， 其中黑体为 Sec 密 码子 UGA；B． Sec 及硒蛋白的合成途径［1］。 图2 硒代半胱氨酸的合成及插入机制
41 卷 11 期
沈林星等
原核生物硒蛋白的生物合成
4723
等
［7， 17 － 20 ］
。
（ SelD）的催化下活化为硒磷酸；丝氨酰 tＲNA 合成酶催化丝 tＲNAUGA sec ， tＲ氨酸活 化 为 Ser在 SelA 的 催 化 下 利 用 SertＲNAUGA sec 。SectＲNAUGA sec 能被一 NAUGA sec 和硒磷酸合成 SecSECIS 形成 SelB 种特殊的延伸因子 SelB 识别结合， 与 GTP、 四元复合物， 通过与核糖体结合， 抑制释放因子与核糖体的 使 UGA 解读为 Sec 相互作用，
［2 ］ ［5， 8 ］ ［8 － 10 ］
硒的功能
主要以硒蛋白的形式发挥生物学活性 液中，
。 酸硒代半胱氨酸（ selenocysteine， Sec）的形式存在于硒蛋白中。Sec 和半胱氨酸具有类似的性 只有硒和硫原子的区别， 但 － SeH（ pKa 5． 2 ） 较 － SH（ pKa 质， 8． 5）有较低的 pKa［2］， 因此生理条件下 － SeH 更加活泼。目 前发现硒蛋白参与的过程有氧化还原反应、 氧化还原信号传 抗氧化防卫、 免疫反应、 甲状腺激素代谢等 导、
［7， 11 ］
。目前认为硒是许多真核生物、 细
［4 － 7 ］
菌和古菌的必需微量元素
， 主要通过胞内硒蛋白
［5 － 6 ］
等 ； 。
。 硒广泛分布于生物体内各种组织器官和体
［12 ］
参与细胞代谢过程。大量研究表明硒缺乏会造成心血管疾 病、 免疫力低下、 男性不育、 增加各种癌症的患病几率等 而过多摄入硒可引起动物的各种急性和慢性硒中毒 中硒的含量对维系生物安全具有重要的意义。 原核生物同化利用硒的机理已基本清楚， 而真核生物的 机理较为复杂， 还有许多问题尚待阐明
硒（ Selenium）由瑞典化学家 Berzelius 发现并命名， 长期 以来被认为是有毒物质， 直至 1957 年 Schwarz 和 Foliz 首次 人们对硒的研究逐渐由硒毒性向 阐明硒对生物的营养作用， 硒生物营养方向转移
［1 － 3 ］
0、 + 4 和 + 6 价 4 种价 恩施和陕西紫阳等） 。硒主要以 － 2、 态存在于自然界， 在水和土壤中主要是 + 6 价硒酸盐和 + 4 价亚硒酸盐， 且硒酸盐主要存在于有氧和中性到碱性 pH 环 亚硒 酸 盐 主 要 存 在 于 排 水 良 好 的 酸 性 至 碱 性 矿 质 境中， 土中 1． 2
。因此， 各地区硒
。
， 研究表明不同细胞主要通
［11， 14 ］
cysU、 cysW）吸收硒酸盐 过硫转运蛋白（ cysA、
， 利用硫酸
盐代谢途径进行硒酸盐还原代谢：经 ATP 硫酸化酶（ ATP sulfurylase， ATPS ） 活 化 为 腺 苷 － 5'磷 硒 酸 （ Adenosine 5'2－ Phosphoselenate， APSe）［15 － 16］， 一步步还原形成亚硒酸和 Se
2－
2－
细菌 SeO4 献
［7， 21 － 26 ］
还原代谢途径相对比较复杂， 综合参考文
， 硒酸盐还原的途径可简示如图 1。主要有酶催化
（ ① ～ ⑤） 、 还原性谷胱甘肽（ GSH） 的还原（ ②、 ⑥） 等不同途 径及其交叉途径。 硒酸盐可经胞内硝酸盐还原酶（ Nitrate Ｒeductase， NＲ）（ ③）［23］或硒酸盐还原酶（ Selenate Ｒeductase， SeＲ）（ ③）［24］的催化一步还原形成亚硒酸盐；也可利用胞内 硫酸盐还原途径
摘要 硒是包括哺乳动物在内许多生物的必需微量元素， 与人类健康密切相关。硒分布的不平衡导致所在地食物中硒含量差异较大， 且高硒地区的人易发生硒中毒， 而低硒地区的人易硒缺乏。胞内硒酸盐经还原及硒磷酸合成酶的活化， 在硒代半胱氨酸合酶 （ SelA） 催 tＲNAUGA sec 合成硒代半胱氨酸（ selenocysteine， Sec）， Sec 经 tＲNAUGA sec 特异性的类 EFTU 延伸因子 SelB 整合入蛋白质形成 化下利用 Ser并提出了利用硒蛋白的合成机制作为检测硒酸盐含 硒蛋白。文中主要概述了原核生物硒酸盐的还原代谢和硒代半胱氨酸的插入机制， 量的思路。 关键词 硒；硒蛋白；硒代半胱氨酸；生物检测器 中图分类号 S 188 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（2013）11 － 04722 － 03 Selenoprotein Biosynthesis in Prokaryotes SHEN Linxing et al （ School of Chemistry and Life Sciences，Zhejiang Normal University，Jinhua，Zhejiang 321004） Abstract Selenium， one trace essential element for many organisms including mammals， is closely related to human health． Imbalance of selenium distribution would result the marked variation in selenium contents of local foods which would lead to the selenosis and selenium deficiency respectively． After reduction and activation， intracellular selenate could be converted into selenium in areas with high and low selenium contents， phosphate，which could be further catalyzed by selenocysteine synthase （ SelA） to conjugate with SertＲNAUGAsec forming SectＲNAUGAsec to complete the selenocysteine （ Sec） synthesis on its tＲNA． Directed by selenocysteine insertion sequence （ SECIS） and the EFTU like elongation factor，SelB which is strictly specific for SectＲNAUGAsec，Sec was then inserted into selenoproteins in ribosomes． Selenate reduction in proand biological selenate detector based on mechanism of selenokaryote and mechanism of incorporation Sec into selenoprotein were summarized， protein biosynthesis was also proposed． Key words Selenium； Selenoprotein； Selenocysteine； Biological detector
［12 ］
生物体主要从环境中获取硒元素， 因此检测环境及生物制品
。文中主要对原核
生物硒酸盐的还原代谢及硒代半胱氨酸的插入机制进行综 述， 并提出利用硒蛋白的合成机制作为检测硒酸盐含量的 思路。 1 1． 1 硒的概述 硒的分布 ， 《中国饲 硒在地壳中分布广泛但不均匀
。
硒作为一种必需的微量元素， 人体既不能缺乏， 也不能 过量。食物是人和动物所需硒的主要来源， 硒分布的地区不 平衡导致所在地食物中硒含量差异较大， 需对高硒地区进行 除硒， 以防人畜中毒；而低硒地区则需适当补充外源硒以提 高人体素质， 治疗和预防疾病的发生 含量的监测备受关注。 2 硒酸盐的活化与还原 硒元素主要以低价态形式在生物体内发挥功能 硒的化学性质与硫非常类似
［2 － 3 ］
。
真核生物硒蛋白表达同样需要硒代半胱氨酸插入信号 （ SECIS 元件）和特殊的延伸因子， 并且研究发现 SECIS 位于 mＲNA 的 3' 非翻译区， 与 Sec 的插入位点有较远的距离， 其机 制尚有待进一步研究
［2 ］
。
注：①ATP 硫酸化酶 （ ATP Sulfurylase）；②GSH 诱导的硒酸盐还 原（ GSH Induced Selenate Ｒeduction ） 或 APS 还 原 酶 （ APS Ｒeductase）；③硒酸盐还原酶（ Selenate Ｒeductase ） 或硝酸盐 还原酶 （ Nitrate Ｒeductase ）； ④ APS 激酶 （ APS Kinase ）； ⑤ PAPS 还原酶 （ PAPS Ｒeductase）或 GSH 诱导的硒酸盐还原； ⑥GSH 诱导的硒酸盐还原。 图1 细菌胞内硒酸盐还原为 Se 的途径简示