A selenocisteína (Sec, U) é o aminoácido que representa a principal forma biológica do elemento selênio e sua incorporação é um processo co-traducional em selenoproteínas como resposta ao códon UGA em fase e requer uma complexa maquinaria molecular. O repertório completo de genes envolvidos nessa via de síntese em procariotos é conhecido, porém algumas das interações moleculares ainda não foram totalmente esclarecidas. Este projeto visa à caracterização molecular nas interações entre o Fator de Elongação específico para incorporação de Sec (SelB) e Seril-tRNA sintetase (SerRS) com distintas construções do tRNASec de Escherichia coli afim de compreender a sua especificidade, seletividade e ordem de eventos. Para isso, medidas de Espectroscopia de Anisotropia de Fluorescência (FAS), Ultracentrifugação Analítica (AUC) e Calorimetria de Varredura Diferencial (DSC) foram utilizadas para determinação das constantes de interação desses complexos proteína-tRNA. Além disto, experimentos de Espalhamento de Raios-X a baixo ângulo (SAXS) e Microscopia eletrônica de transmissão por contraste negativo (NS-EM) foram realizados para elucidação estrutural destes complexos. Os estudos propostos irão auxiliar no entendimento do mecanismo de incorporação e de especificidade do tRNA para este aminoácido em bactérias bem como nos demais domínios da vida além de possibilitar um aumento na compreensão de complexos do tipo proteína-tRNA bem como salientar a importância dos elementos estruturais do tRNA para sua especificidade no processo de síntese de novas proteínas. / Selenocysteine (Sec, U) is an amino acid that represents the main biological form of the selenium element and its incorporation is a co-translational process in selenoproteins in response to the in-phase UGA codon and requires complex molecular machinery. The complete repertoire of genes involved in this pathway of synthesis in prokaryotes is known, although some of the molecular interactions have not yet been fully elucidated. This project aims at the molecular characterization in the interactions between the specific elongation factor for the incorporation of Sec (SelB) and Seril-tRNA synthase (SerRS) with different constructions of tRNASec from Escherichia coli in order to their specificity, selectivity and order of events. For this, measurements using Fluorescence Anisotropy Spectroscopy (FAS), Analytical Ultracentrifugation (AUC) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) were employed to determine the interaction constants of the protein-tRNA complexes. In addition, Small Angle X-Ray Scattering (SAXS) experiments and negative stain transmission electron microscopy (NS-EM) were performed for structural elucidation of these complexes. The proposed studies will help to understand the mechanism of tRNA incorporation and specificity for this amino acid in bacteria as well as other domains of life. In addition, it allows an increase in the understanding of protein-tRNA-like complexes as well as emphasizing the importance of structural elements of tRNA for its specificity in the process of synthesis of new proteins.

A síntese de selenocisteína e sua incorporação co-traducional em selenoproteínas como resposta a um códon UGA em fase requerem uma complexa maquinaria molecular. Em eucariotos, foram identificados componentes que participam da reação de formação de selenocisteína: Seril-tRNA sintetase (SerRS), O-fosfoseril-tRNA quinase (PSTK), SECIS Binding Protein 2 SBP2, um fator de elongação específico para Sec (EFSec), selenofosfato sintetase 1 (SPS1) e selenofosfato sintetase 2 (SPS2), SEPSECS, proteína ligante de RNA SECp43, proteína ribossomal L30, um tRNA de inserção de selenocisteína (tRNASec, SELC) e uma sequência específica no RNA mensageiro (elemento SECIS). O primeiro passo da incorporação de selenocisteína em proteínas é realizado pela SerRS, que aminoacila o tRNA com serina através da ativação da serina por Mg+2 e ATP, levando a formação de um intermediário ligado a enzima (Ser-AMP). Posteriormente, ocorre a mudança do radical Ser do intermediário Ser-AMP para o tRNASec, e subsequentemente, a conversão enzimática de Ser-tRNASec para Sec-tRNASec. Através de análises in sílico nosso grupo identificou componentes da maquinaria de inserção de selenocisteína em espécies de Kinetoplastida. Foram identificados homólogos de tRNASec e as enzimas TbSerRS, TbSPS2, TbPSTK, TbSepSecS e TbEFSec. Nosso principal alvo é o estudo estrutural da SerRS de Trypanosoma brucei nativa e em complexo com o tRNASec e com as isoformas do tRNASer. Uma nova metodologia no processo de purificação desta enzima foi desenvolvida e, através das técnicas de cromatografia de exclusão molecular, espalhamento de luz dinâmico e ultracentrifugação analítica conseguimos determinar o estado oligomérico da TbSerRS. O resultado de dímeros em solução corroborou com dados reportados na literatura, além de verificarmos por meio de estudos de cinética enzimática que a enzima encontra-se ativa sob as condições utilizadas. A técnica de ultracentrifugação analítica de sedimentação em equilíbrio também nos permitiu verificar a formação do complexo SerRS-tRNA, mas não nos possibilitou definir a estequiometria deste complexo. Estudos estruturais da enzima nativa e em interação com os tRNAs SELC e com as isoformas do tRNASer, L-serina, um análogo não hidrolisável de AMP, MgCl2, e com porções menores dos tRNAs foram realizados por meio da cristalografia por difração de raios X. Através dessa técnica, dezessete conjunto de dados foram coletados, processados e estão em fase de refinamento. Algumas análises estruturais possibilitaram confirmar a presença de duas moléculas de glicerol em cada monômero na região do sítio ativo para a estrutura da TbSerRS nativa e uma molécula de dAMP para o complexo TbSerRS-dAMP. / The synthesis of selenocysteine and its co-translational incorporation in selenoproteins in response to a UGA codon in frame require complex molecular machinery. In eukaryotes, components that participate in the reaction of selenocysteine formation were identified: SeryltRNA synthetase (SerRS), O-phosphoseryl-tRNA kinase (PSTK), SECIS Binding Protein 2 - SBP2, a selenocysteine-specific elongation factor (EFSec), selenophosphate synthetase 1 (SPS1) and selenophosphate synthetase 2 (SPS2), SEPSECS, SECp43 RNA binding protein, ribosomal protein L30, selenocysteine tRNA (tRNASec, SELC), and a specific sequence in the messenger RNA (SECIS element). The first step for selenocysteine incorporating is performed by SerRS that aminoacylates the tRNA with serine through serine activation by Mg2+ and ATP leading to the formation of an intermediate linked to the enzyme (Ser-AMP). Subsequently, the change of the Ser radical to tRNASec takes place followed by the enzymatic conversion of Ser-tRNASec to Sec-tRNASec. Through in silico analysis our group has identified components of the selenocysteine insertion machinery in species of Kinetoplastida. Homologues of tRNASec and the enzymes TbSerRS, TbSPS2, TbPSTK, TbSepSecS and TbEFSec were identified. Our main target is the structural study of the native SerRS from Trypanosoma brucei and SerRS in complex with the tRNASec and the tRNASer isoforms. A new methodology in the purification process of this enzyme has been developed, and through molecular exclusion chromatography, dynamic light scattering and analytical ultracentrifugation techniques we were able to determine the oligomeric state of TbSerRS. The result of dimers in solution corroborated with the data reported in the literature. Moreover, we were able to verify through studies of enzyme kinetics that the enzyme is active. The sedimentation equilibrium analytical ultracentrifugation technique also demonstrated the formation of the SerRS-tRNA complex, however, it did not allow the definition of the complex stoichiometry. Structural studies of the native enzyme and its interaction with SELC, tRNASer isoforms, L-serine, a non-hydrolyzable AMP analog, MgCl2, and smaller portions of tRNAs were performed by X-ray diffraction crystallography. Through this technique, seventeen data sets were collected, processed, and are being submitted to refinement processes. Initial structural analysis allowed the confirmation of the presence of two glycerol molecules in each monomer in the active site region in the native structure of TbSerRS and one dAMP molecule in the TbSerRS-dAMP complex.

Selenium is a required trace element which was originally discovered by the Swedish chemist Jons Jacob Berzelius in 1817. It was initially believed to be a toxin as it was identified as being the cause of hoof maladies and excessive hair loss in horses that feed upon plants with high selenium content. It wasn’t until 1957 that the potential contributions of selenium to physiology were first demonstrated. Selenium is now known to play a critical role in the maintenance of human health. Interestingly, unlike other trace metals/semi-metals, selenium is directly incorporated into proteins in the form of the amino acid selenocysteine (Sec) in a very complicated and energetically costly fashion. Though rare, being found in only 25 human proteins, Sec proteins are involved in numerous vital biological processes including maintenance of redox homeostasis and anti-oxidant defense. Even though Sec is essential, the reason that Sec replaces its structural analog cysteine (Cys) in only 25 proteins is not widely agreed upon. A previous model suggests that the replacement of Cys with Sec provides enzymes with a type of catalytic advantage. The presence of Cys-containing orthologs of mammalian Sec-enzymes in other eukaryotes argues against this model. A newer model to explain the use of Sec is that the gain of function imparted to an enzyme by replacing Cys with Sec is the ability of Sec to impart chemical reversibility. Building on previous results from our lab demonstrating the ability of Sec to confer proteins with the ability to resist over oxidation we have elucidated the mechanism by which Sec containing thioredoxin reductase (TrxR) resists over oxidation. The ability of Sec-TrxR to resist oxidative inactivation is due to the greater electrophilicity of Sec relative to Cys. This allows for quicker resolution and prevents over oxidation. Based on these findings we also investigate the utility of the alkylating agent dimedone to probe the oxidation state of Sec. Interestingly, it was discovered that dimedone will react with seleneninic acid with the resulting adduct being labile. Additonally it was discovered that dimedone will also react with seleninic acid, resulting in the formation of a dimedone dimer. These results call into question the usefulness of dimedone in deteremining the oxidation state of Sec. Finally, we provide evidence that Sec-TrxR enzymes are able to catalyze single electron reductions. This is most likely due to the formation of a stable Sec radical intermediate. As a whole this project provides support for the theory that Sec was selected for due to its ability to convey chemical reversiablity to proteins.

Selenium is an essential trace mineral of fundamental importance to human health. Its beneficial functions are largely attributed to its presence within a group of proteins named selenoproteins in the form of the amino acid selenocysteine (Sec). Recently, it was revealed that the human selenoproteome consists of 25 selenoproteins, and for many of them their function remains unknown. The most prominent known roles of selenoproteins are to maintain the intracellular redox homeostasis, redox regulation of intracellular signalling and thyroid hormone metabolism. Sec incorporation into selenoproteins employs a unique mechanism that involves decoding of the UGA stop codon. The process requires interplay between distinct, intrinsic features such as the Sec Insertion Sequence (SECIS) element, the tRNASec and multiple protein factors. The work presented in this thesis has focused on characterising the regulation of human SECIS binding protein 2, SBP2, a factor central to this process. Experimental approaches combined with bioinformatics analysis revealed that SBP2 is subjected to alternative splicing. A total of nine alternatively spliced transcripts appear to be expressed in cells, potentially encoding five different protein isoforms. The alternative splicing events are restricted to the 5?-region, which is proposed to be dispensable for Sec incorporation. One of the variants identified, contains a mitochondrial targeting sequence that was capable of targetting SBP2 into the mitochondrial compartment. This isoform also appears to be expressed endogenously within the mitochondria in cells. Previous reports have depicted SBP2 as a ribosomal protein, despite the presence of a putative Nuclear Localisation Signal (NLS). In this study it was found that SBP2 subcellular localisation is not restricted to ribosomes. Intrinsic functional NLS and Nuclear Export Signals (NESs), enable SBP2 to shuttle between the nucleus and the cytoplasm via the CRM1 pathway. In addition, the subcellular localisation of SBP2 appears to play an important role in regulating Sec incorporation into selenoproteins. The subcellular localisation of SBP2 is altered by conditions imposing oxidative stress. Several oxidising agents induce the nuclear accumulation of SBP2, which occurs via oxidation of cysteine residues within a novel redox-sensitive cysteine rich domain (CRD). Cysteine residues were to form disulfide bonds and glutathione-mixed disulfides during oxidising conditions, which are efficiently reversed in vitro by the thioredoxin and glutaredoxin systems, respectively. These modifications negatively regulate selenoprotein synthesis. Cells depleted of SBP2 are more sensitive to oxidative stress than control cells, which correlated with a substantial decrease in selenoprotein synthesis after treatment with oxidising agents. These results provide direct evidence that SBP2 is required for Sec incorporation in vivo and suggest that nuclear sequestration of SBP2 under such conditions may represent a mechanism to regulate the expression of selenoproteins. Collectively, these results suggest that SBP2 is regulated at multiple levels: by alternative splicing, changes in subcellar localisation and redox control.

O estudo de processos de tradução do código genético em proteínas desperta o interesse pelo seu papel central no metabolismo celular, em particular, o estudo da via de síntese de novos aminoácidos, como a selenocisteína e a pirrolisina, que resultam na expansão do código genético dos 20 aminoácidos canônicos para um total de 22 aminoácidos. A selenocisteína (Sec, U) é um aminoácido que representa a principal forma biológica do elemento selênio e sua incorporação ocorre através de um processo cotraducional em selenoproteínas como resposta ao códon UGA em fase, usualmente interpretado como códon de parada. Essa incorporação requer uma complexa maquinaria molecular distinta entre os três domínios da vida em que as selenoproteínas estão presentes: Bactéria, Arquéia e Eucária. Em Escherichia coli, a via se inicia com a aminoacilação do tRNA específico para a incorporação de selenocisteínas (SelC, tRNASec) com um resíduo de L-serina pela seril-tRNA sintetase (SerRS) formando o tRNA carregado Ser-tRNA[Ser]Sec que é entregue ao complexo homodecamérico selenocisteína sintase (SelA) responsável pela conversão Ser-Sec utilizando a forma biológica de selênio entregue pela enzima selenofosfato sintetase (SelD). Uma vez carregado com L-selenocisteína, o Sec-tRNASec é então carreado pelo fator de elongação específico para selenocisteínas (SelB) para a sua incorporação na cadeia polipeptídica nascente na posição UGA adjunta ao elemento SECIS (SElenoCysteine Insertion Sequence), uma estrutura em grampo presente no RNA mensageiro que indica o códon de inserção de selenocisteínas. Uma vez que elementos contendo selênio são tóxicos para o ambiente celular, interações entre as enzimas da via se fazem necessárias, onde as enzimas participantes em procariotos são conhecidas e caracterizadas individualmente, no entanto, suas interações macromoleculares nas diferentes etapas ainda não foram caracterizadas. Este projeto visa à caracterização macromolecular e estrutural das interações entre as enzimas SelA e SelB com os RNAs participantes tRNASec e SECIS além do ribossomo de E. coli. Para isso, amostras de SelA, SelB, tRNASec, SECIS e ribossomo foram obtidas através de diferentes metodologias. Para SelA e tRNASec foram utilizados protocolos já estabelecidos enquanto que, para SelB, fez-se necessário a otimização do protocolo previamente publicado e, consequentemente, nova caracterização biofísica através de metodologias como dicroísmo dircular (CD) e fluorescência intrínseca (IFS). Para análise das interações, medidas de espectroscopia de anisotropia de fluorescência (FAS), ultracentrifugação analítica (AUC) e calorimetria de varredura diferencial (DSC) foram utilizadas para determinação dos parâmetros de interação dos diferentes complexos estudados. Somado a isso, experimentos de cinética GTPásica foram realizados na formação dos complexos e, além disso, foram gerados modelos estruturais utilizando diferentes metodologias como espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS) além de estudos por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Os estudos propostos irão auxiliar no entendimento do mecanismo de incorporação deste aminoácido em bactérias bem como nos demais domínios da vida além de elucidar o mecanismo sequencial de eventos, provendo conhecimento e desenvolvendo metodologias para sistemas complexos de interação proteína-proteína e proteína-RNA. / The study of genetic code processes in proteins is a central role in cell metabolism, in particular the study of the synthesis pathway of new amino acids, such as selenocysteine and pyrrolisine, which resulted in the expansion of the genetic code of the 20 canonical amino acids for 22 amino acids. Selenocysteine (Sec, U) is an amino acid that represents a major biological form of selenium element and its incorporation through a co-translational process in selenoproteins in response to the in-phase UGA-codon, usually interpreted as stop-codon. This incorporation requires a complex molecular machinery distinct between the three domains of life in which, as selenoprotein has present: Bacteria, Archaea and Eukaria. In Escherichia coli, an initiation pathway with an aminoacylation of the tRNA specific for the incorporation of selenocysteines (SelC, tRNASec) with an L-serine residue by seril-tRNA synthetase (SerRS) resulting in the charged tRNA Ser-tRNA[Ser] Sec that is delivered to the homodecameric complex selenocysteine synthase (SelA), responsible for Ser-Sec conversion using the biological form of selenium delivered by the enzyme selenophosphate synthetase (SelD). Once loaded with L-selenocysteine, Sec-tRNASec is then carried by the selenocysteine-specific elongation factor (SelB) for incorporation into the nascent polypeptide chain at the UGA position attached to the SECIS (SElenoCysteine Insertion Sequence) element, staple structure that indicates the insertion codon of selenocysteines. Since elements containing selenium are toxic to the cell, interactions between how pathway enzymes are made, where the enzymes participating in concepts are known and characterized individually, however, their macromolecular interactions in the different steps have not yet been characterized. This project aims at the macromolecular and structural characterization of the interactions between SelA and SelB enzymes with the RNAS tRNASec and SECIS participants in addition to the E. coli ribosome. For this, as samples of SelA, SelB, tRNASec, SECIS and ribosome were obtained through different methodologies. For SelA and tRNASec, protocols were used to determine parameters for SelB, it was necessary to optimize a previously published protocol and, consequently, a new biophysical characterization through methodologies such as circular dichroism (CD) and intrinsic fluorescence spectroscopy (IFS). To analyze the interactions, measurements of fluorescence anisotropy spectroscopy (FAS), analytical ultracentrifugation (AUC) and differential scanning calorimetry (DSC) were used to determine the interaction parameters of different complexes studied. In addition, GTPases activity experiments were carried out in the formation of the complexesand, in addition, we have generated models that characterize different methodologies such as small angles X-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM). The proposed studies will aid in understanding the mechanism of incorporation of this amino acid into bacteria as well as the other domains of life besides elucidating the sequential mechanism of events, providing knowledge and development of methodologies for complex protein-protein and RNA-protein interaction systems.

A existência de uma maior variedade de aminoácidos codificados pelo código genético tem estimado estudos sobre os mecanismos de síntese, reconhecimento e incorporação desses resíduos nas cadeias polipeptídicas nascentes. Um exemplo é a via de incorporação de selenocisteína evento cotraducional dirigido pelo códon UGA. Em bactérias, essa via conta com uma complexa maquinaria molecular composta por: Selenocisteína Sintase (SelA), Fator de Elongação Específico de Reconhecimento (SelB), Selenofosfato Sintetase (SelD), tRNA específico (SelC ou tRNAsec), sequência específica no mRNA (Sequência de Inserção de Selenocisteínas - SECIS) e Aminoacil tRNA Sintetase (aaRS). Pelo fato do selênio ter uma toxicidade elevada em ambientes celulares, é fundamental a compreensão do mecanismo catalítico e razão estequiométrica na formação dos complexos da via na etapa de incorporação junto ao tRNAsec, bem como sua caracterização estrutural foram os objetivos deste trabalho. A proteína SelA foi expressa e purificada para utilização em análises envolvendo microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de transmissão com contraste negativo e em gelo vítreo foram realizadas nos complexos SelA e SelA-tRNAsec, visando obter um modelo estrutural e a razão estequiométrica dos complexos. A fim de compreender o mecanismo de passagem do selênio, ensaios de anisotropia de fluorescência e de microcalorimetria, corroborados pelas análises de troca de hidrogênio-deutério acoplado a espectrometria de massa e espectroscopia de infravermelho, elucidaram a formação e estequiometria do complexo ternário SelAtRNA sec-SelD. Tentativas de cristalização e análises cristalográficas também foram realizadas, no entanto, sem sucesso. Com os resultados obtidos foi possível propor que o reconhecimento de SelD e, consequentemente, a entrega do selenofosfato, seja uma etapa crucial da via de incorporação de selenocisteínas. / The existence of a greate variety of amino acids encoded by the genetic code has stimulated the study of the mechanisms of synthesis, recognition and incorporation of these residues in the nascent polypeptide chains. An example of genetic code expansion is the selenocysteine incorporation pathway an event cotraducional by the UGA codon. In bacteria, this pathway has a complex molecular machinery comprised: Selenocysteine Synthase (SelA), Specific Elongation Factor (SelB), Selenophosphate Synthetase (SelD), tRNA-specific (SelC or tRNAsec), Specific mRNA Sequence (SElenocysteine Insertion Sequence - SECIS) and Aminoacyl tRNA Synthetase (aaRS). Because selenium has high toxicity in cellular environments; it is essential for cell survival the association of this compound with proteins, in this case, selenoprotens and the associated proteins involved in the selenocysteine synthesis. Therfore the understanding of the catalytic mechanism, stoichiometric ratio, protein complex formation with the tRNAsec, and its structural characterization were the objectives of this work. The SelA protein was expressed and purified to used in analyzes involving atomic force microscopy, transmission electron microscopy with negative stain and in vitreous ice were performed in the complex SelA and SelA-tRNAsec in order to obtain a structural model of the complex and the stoichiometric ratio of its components. To study the selenium association with protein of the synthesis pathway, fluorescence anisotropy assays and isothermal titration calorimetry corroborated by the analysis hydrogen-deuterium exchange coupled to mass spectrometry and infrared spectroscopy were employed.Crystallization attempts were made and preliminary crystallographic analyzes were also performed, however, so far unsuccessfuly. The results obtained were possible to develop the hypothesis about the SelD recognition and, consenquently, the selenophosphate delivery, a crucial stage of the selenocysteine incorporation pathway.

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.

A síntese de selenocisteína e sua incorporação co-traducional em selenoproteínas como resposta a um códon UGA em fase requerem uma complexa maquinaria molecular. Em eucariotos, foram identificados componentes que participam da reação de formação de selenocisteína: Seril-tRNA sintetase (SerRS), O-fosfoseril-tRNA quinase (PSTK), SECIS Binding Protein 2 SBP2, um fator de elongação específico para Sec (EFSec), selenofosfato sintetase 1 (SPS1) e selenofosfato sintetase 2 (SPS2), SEPSECS, proteína ligante de RNA SECp43, proteína ribossomal L30, um tRNA de inserção de selenocisteína (tRNASec, SELC) e uma sequência específica no RNA mensageiro (elemento SECIS). O primeiro passo da incorporação de selenocisteína em proteínas é realizado pela SerRS, que aminoacila o tRNA com serina através da ativação da serina por Mg+2 e ATP, levando a formação de um intermediário ligado a enzima (Ser-AMP). Posteriormente, ocorre a mudança do radical Ser do intermediário Ser-AMP para o tRNASec, e subsequentemente, a conversão enzimática de Ser-tRNASec para Sec-tRNASec. Através de análises in sílico nosso grupo identificou componentes da maquinaria de inserção de selenocisteína em espécies de Kinetoplastida. Foram identificados homólogos de tRNASec e as enzimas TbSerRS, TbSPS2, TbPSTK, TbSepSecS e TbEFSec. Nosso principal alvo é o estudo estrutural da SerRS de Trypanosoma brucei nativa e em complexo com o tRNASec e com as isoformas do tRNASer. Uma nova metodologia no processo de purificação desta enzima foi desenvolvida e, através das técnicas de cromatografia de exclusão molecular, espalhamento de luz dinâmico e ultracentrifugação analítica conseguimos determinar o estado oligomérico da TbSerRS. O resultado de dímeros em solução corroborou com dados reportados na literatura, além de verificarmos por meio de estudos de cinética enzimática que a enzima encontra-se ativa sob as condições utilizadas. A técnica de ultracentrifugação analítica de sedimentação em equilíbrio também nos permitiu verificar a formação do complexo SerRS-tRNA, mas não nos possibilitou definir a estequiometria deste complexo. Estudos estruturais da enzima nativa e em interação com os tRNAs SELC e com as isoformas do tRNASer, L-serina, um análogo não hidrolisável de AMP, MgCl2, e com porções menores dos tRNAs foram realizados por meio da cristalografia por difração de raios X. Através dessa técnica, dezessete conjunto de dados foram coletados, processados e estão em fase de refinamento. Algumas análises estruturais possibilitaram confirmar a presença de duas moléculas de glicerol em cada monômero na região do sítio ativo para a estrutura da TbSerRS nativa e uma molécula de dAMP para o complexo TbSerRS-dAMP. / The synthesis of selenocysteine and its co-translational incorporation in selenoproteins in response to a UGA codon in frame require complex molecular machinery. In eukaryotes, components that participate in the reaction of selenocysteine formation were identified: SeryltRNA synthetase (SerRS), O-phosphoseryl-tRNA kinase (PSTK), SECIS Binding Protein 2 - SBP2, a selenocysteine-specific elongation factor (EFSec), selenophosphate synthetase 1 (SPS1) and selenophosphate synthetase 2 (SPS2), SEPSECS, SECp43 RNA binding protein, ribosomal protein L30, selenocysteine tRNA (tRNASec, SELC), and a specific sequence in the messenger RNA (SECIS element). The first step for selenocysteine incorporating is performed by SerRS that aminoacylates the tRNA with serine through serine activation by Mg2+ and ATP leading to the formation of an intermediate linked to the enzyme (Ser-AMP). Subsequently, the change of the Ser radical to tRNASec takes place followed by the enzymatic conversion of Ser-tRNASec to Sec-tRNASec. Through in silico analysis our group has identified components of the selenocysteine insertion machinery in species of Kinetoplastida. Homologues of tRNASec and the enzymes TbSerRS, TbSPS2, TbPSTK, TbSepSecS and TbEFSec were identified. Our main target is the structural study of the native SerRS from Trypanosoma brucei and SerRS in complex with the tRNASec and the tRNASer isoforms. A new methodology in the purification process of this enzyme has been developed, and through molecular exclusion chromatography, dynamic light scattering and analytical ultracentrifugation techniques we were able to determine the oligomeric state of TbSerRS. The result of dimers in solution corroborated with the data reported in the literature. Moreover, we were able to verify through studies of enzyme kinetics that the enzyme is active. The sedimentation equilibrium analytical ultracentrifugation technique also demonstrated the formation of the SerRS-tRNA complex, however, it did not allow the definition of the complex stoichiometry. Structural studies of the native enzyme and its interaction with SELC, tRNASer isoforms, L-serine, a non-hydrolyzable AMP analog, MgCl2, and smaller portions of tRNAs were performed by X-ray diffraction crystallography. Through this technique, seventeen data sets were collected, processed, and are being submitted to refinement processes. Initial structural analysis allowed the confirmation of the presence of two glycerol molecules in each monomer in the active site region in the native structure of TbSerRS and one dAMP molecule in the TbSerRS-dAMP complex.

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