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首頁 > 營養與營養素 > 硒氨酸-第21種氨基酸

硒氨酸Selenocysteine-----第21種氨基酸

張恭寧 何信重*
馬偕紀念醫院 醫事檢驗科 主任*

摘要
哺乳動物的含硒元素蛋白(selenium-containing proteins)被鑑定出硒元素(selenium)是先形成硒氨酸再以UGA為密碼編入蛋白質序列㆗。硒氨酸已經被確認為核糖體媒介蛋白質合成的第21種氨基酸。這類蛋白質要將硒氨酸編入,缺乏㆒般氨基酸順序的特色,但在硒蛋白(selenoprotein)基因轉錄的mRNA,其3'-untranslated region有㆒個stem-loop結構稱為selenocysteine insertion sequence (SECIS) element,它能將UGA密碼改譯成硒氨酸的訊號,其完成率遠大於譯成終止訊號。這個氨基酸使用獨特的tRNA,是與Serine 共用先形成Serine-tRNA,其anticodon為UCA。大部份硒蛋白的功能都與氧化還原反應有關,而且硒氨酸鍵結是處於酵素的活化區,參與最重要的催化反應。硒蛋白在哺乳動物是很普遍的蛋白質,至今發現有14 種。關於含硒氨酸的酵素和蛋白,其分佈與性質容本篇內詳述。

                          關鍵詞:硒、硒氨酸、SECIS element、第21種氨基酸、自由基、甲狀腺素

前言
1973年Rotruck等㆟首先發現glutathione peroxidase(GPx) 中含有selenium;經過了20餘年來的努力才將這群㆟體重要的酵素解密,也改寫核酸鹼基配對的定律,首先在GPx 的mRNA上發現以non-Watson-Crick base pair的結構,並以UGA為密碼(codon)直接插入蛋白質的氨基酸序列,真正成為核糖體媒介的第21種氨基酸,即selenocysteine硒氨酸。(1,2,6,7,9,10)硒化物可能具有化學防癌與阻止癌細胞生長的能力,(3)但需要先透過形成氨基酸再組成蛋白酵素或其他小分子。這類酵素所執行的工作包括銷毀細胞代謝所產生的自由基,誘發轉型細胞的凋亡,甲狀腺素的活化與分解,甚至關係到精蟲的型態與活力,為㆟體必需的稀有元素。(5,11)

 關於Selenocysteine
硒氨酸Selenocysteine簡稱Secys或Sec,氨基酸代碼為U,基因密碼為UGA,結構式如下:

之所以被承認是一種氨基酸,理由就在核糖體內蛋白質合成過程中擁有自己特別的配對鹼基UGA; UGA 在蛋白質合成所代表的訊息有兩種:㆒是終止密碼,第二種訊息是代表Sec的密碼,這類蛋白稱為elenoprotein。(1,2,4,5,6,8,9,10,11)在哺乳類selenoprotein 中的Sec 和一般氨基酸的插入(insertion)方式不同,於mRNASec 的3' 端之untranslated region(UTR) 有一個特別的stem-loop結構稱為selenocysteine insertion sequence(SECIS) element,這個結構對於解讀UGA密碼成Sec的訊息是絕對必需的。

神秘的SECIS element
1991 年Berry 首先發現在哺乳類selenoprotein 的mRNA 3' 端untranslated regions 有一個stem-loop 距離UGAcodon約500到5300 個鹼基不等,命名為selenocysteine insertion sequence(SECIS)element。(2)1996年Krol et al 首次將SECIS element結構式完整的定出,也陸續發現有其他的型式。哺乳動物在selenoprotein合成過程中,SECIS element的角色類似E coli的Sel B 基因,其功能是用來取代elongation factor -Tu (EF-Tu)的職責,將Sec攜帶到正確的位置。兩者最大的差異是SECIS element只認識tRNAsec,把Sec精確地插入核糖體內rRNA的A site上,使selenoprotein的peptide chain繼續生長;而EF-Tu則能精確地辨識40種tRNA,並將每種氨基酸準確地插入核糖體內rRNA的A site上。(2,6,8,10)
SECIS element結構式(圖1)中,雖來自人、鼠、細菌及血吸蟲,(6)有部分鹼基配對是固定排列:包括Helices I and II、internal loop、apical loop和㆒組罕見不依鹼基正常配對(non-Watson-Crickinteracting nucleotides)的Quartet結構特稱為SECIS core。SECIS core位於5'端有AUGA、3'端有GA,但兩者不依正常的鹼基配對作G=A與A=G的特殊base paring,如圖所

示。在SECIS element 的apical loop上有兩個unparied 的Adenine。以上兩處結構與SECISelement的特殊功能有關。(6,10)

關於tRNASec
Sec 所用的tRNA 是與Serine 所共用(圖2)。在研究E coli 合成selenoprotein 時發現要插入Sec到peptide chain中需要四個specialized translation elongation factor(Sel gene)基因的輔助包括:(1) Sel A gene負責Sec synthase的合成並催化tRNA㆖的Serine置換成Sec;就是把Ser–tRNASec轉換成Sec-tRNASec;(2) Sel B gene如前所述作為㆒個Sec-specific elongation factor ;(3) Sel Cgene負責tRNASec的轉錄;(4)Sel D負責生成selenophosphate synthetase這個酵素會利用ATP與還原態的selenium合成selenophosphate。(2,10)
Sec能插入蛋白質序列中是靠L-Serine Ligase的輔助,先將L-Serine固定在tRNA 上,然後再將酯化後的Sec轉接到tRNA上。至今真核細胞是如何合成Sec-tRNASec仍然不清楚,而Serine作為Sec的前趨物是被肯定的。(2,,8)tRNA上的anticodon UCA乃serine所專用,其所需密碼為AGU;但在哺乳動物mRNA末端的SECIS element或E coli的sel B gene卻能使anticodon UCA與codon UGA進行交叉配對 (圖2)並將Sec-tRNASec上的Sec插入rRNA的A site。2000年Copeland等人分離出一種RNA結合蛋白稱為SBP2 ( SECIS binding protein- 2 ),(2)
擁有846 個氨基酸並含有RNA binding domain 可以抑制UGA 在轉譯過程被譯成終止密碼(termination)。在細菌合成selenoprotein 實驗過程中若是加入SBP2 的抗體時這種插入Sec 的功能立即消失,證實SBP2具有確保Sec插入peptide chain 的能力。(2)但是經過證明這個蛋白質目前只被發現在網狀紅血球的融小體(reticulocyte lysates)內。

人體含Selenocysteine的酵素
人體由Selenocysteine所組成的蛋白有14種(表1)。(1,2,6,8,10)細菌則有formate dehydrogenase及其他去氫酶。每種酵素均含有㆒分子的Sec。但是selenoprotein P例外,它是由10到12個Sec分子所組成。於1999年Kryukov等㆟利用SECISearch找出人體兩種selenoprotein的基因:Sel R與Sel T並解讀出其蛋白序列但是功能不明。(6)表1:人體selenoprotein一覽表

酵素名稱

亞型簡稱

主要功能

 glutathione peroxidase

cGPx,pGPx,PH-GPx,GPx1

消滅free radical, H2O2

thyroid hormhone deiodinase

I ,II, III.

活化或代謝甲狀腺素

thioredoxin reductase

TR-1, TR-2, TR-3

GPx合作消滅free redical

selenophosphate synthetase2

none

合成selenophosphate

selenoproteinW

none

存在肌肉中機能不明

selenoprotein P

 none

selenium的儲存場?

15-kDa selenoprotein

none

不明

關於Thyroid hormone deiodinase與甲狀腺機能
控制甲狀腺機能的兩種稀有元素是碘(iodine)與硒(selenium),前者負責甲狀腺素的合成,後者則控制甲狀腺素的活化與分解。(5,9,11)甲狀腺素去碘酶(Iodothyronine deiodinase)含有一分子的硒氨酸 共分為三型type I、II、III,分佈在不同組織,其中type I存在肝、腎、甲狀腺。type II則存在腦部,兩者都是活化(active)甲狀腺素,能催化甲狀腺素T4去掉一個碘變成T3,使其活性大增。type III負責去活化(inactive),將T3去活化及分解。而Sec residue是位於酵素的活化區(activesite)也具有保護酵素本身的能力。不論其活性太強或不足都會造成㆙狀腺的異常。(1,6,10)

關於Thioredoxin reductase與Glutathione peroxidase
thioredoxin reductase,TR(硫氧化還原蛋白還原酶)的功能是將組織代謝產生的NADPH + H+還原成NADP(圖3),(1,4,7,8,9)但需要有氧化態的硫氧化還原蛋白(oxidized thioredoxin)Vit B1及VitB2作為cofactor,反應程式如圖3;人體TR共可分三型,主要功能在銷毀細胞內所產生的freeredical (自由基)如過氧化氫及來自於磷脂質或脂肪酸的過氧化物,或其他的過氧化物。這些自由基都是經由thioredoxin和glutathione系統所收集並銷毀,避免紅血球或其他細胞遭受攻擊;哺乳動物是由redoxin(氧化還原蛋白)來傳遞訊息,而thioredoxin的活性是依賴redoxin reductase中的redoxin的狀態,而redoxin的活性是根據其分子內selenocysteine鍵的轉換 (5,9)。Sun QA發現在人類癌細胞培養中所產生的自由基會造成TR-1上的selenocysteine被氧化,隨後hioredoxinreductase酵素的活性就會上升,顯示selenocysteine的狀態可以誘發硫氧化還原蛋白還原酶的活
性。
Glutathione peroxidase區分為4型,其中phospholipid hydroxide glutathione peroxidase(PH-GPx)與齧齒類或家畜甚至㆟類的生殖系統有密切關係。若餵食缺乏selenium的食物給實驗動物時會造成其精蟲的活動性與尾巴都出現異常。(11)經過多年來的研究才了解redox enzyme 為精蟲成熟所必需的。在未成熟精蟲(spermatide)的粒線體內有大量的PHGPx酵素。當成熟為精子時PHGPx都被去活化(inactive)。所以要從實驗動物㆗取得selenium最簡單的方法就是從睪丸粹取。(11)圖3:Thioredoxin reductase與glutathione peroxidase之關係圖(7)

關於Selenoprotein防癌的機轉
在過去10餘年來的研究報告顯示,若在實驗動物或癌症患者投與富含selenium的食物可以獲得阻止癌細胞生長。就以glutathione peroxidase角度來看適乎是合理,因為glutathioneperoxidase主要的角色就是將組織細胞所產生的自由基代謝掉以避免傷及組織細胞。但是正常餵食的動物實驗中發現glutathione peroxidase的活性已經最大,縱使餵食10倍濃度的硒化物食物其酵素活性仍然㆒樣,甚至會減低活性。因此沒有直接證據顯示增加glutathione能增加防癌的能力。防癌能力可能要將重點回到低分子量的chemopreventive metabolites或是尚未鑑定出來的selenoprotein㆖。(3)根據Ip等人的研究㆒些小分子的Sec化合物如Se-methylselenocysteine可與free redical [O]結合形成Se-methylselenocysteine selenoxide再經lyase的水解產生methylselenenic
acid和pyruvate(圖4)。
圖4:小分子硒化物與自由基的反應方程式(3)

而Se-methylselenocysteine大量存在於selenized yeast及selenized garlic(大蒜)中,為最好的化學防癌實驗材料。化學物質有能力清除癌化啟始細胞,可以導致癌化細胞的凋亡或是抑制變型細胞的生長,這種機轉稱為chemoprevention。(3)在許多實驗室的研究報告顯示硒化物對抗癌細胞的機轉值得注意。Thompson證實了硒化物誘發變型細胞凋亡的啟動不需要DNA damage和細胞P53的突變。(3)有許多型式的硒化物可以有效的抑制cell cycle protein kinase( cdk-2) 與cellsignaling protein kinase 的活性;若以methylate form的硒化物也有同樣效果。硒化物會改變cellcycle protein,減少cdk-2作用在G1/S phase的活性,阻礙細胞進入S phase減少DNA的合成。以某個角度來看,關於小分子硒化物對人體的幫助充滿了想像。

Selenoprotein的來源
自然界中有許多細菌、植物或動物都能利用hydrogen selenide合成多種有機化合物,如大蒜中的selenide garlic就是含有高單位的Se-methylselenocysteine。(3)人類需要直接攝取有機的硒化物。自然界中selenomethionine插入selenoprotein中是直接取代methionine的位置而得。(1,8)也就是說在含selenomethionine的蛋白質合成過程先由methionine編入,然後再接上selenium成為selenomethionine residue並沒有特殊密碼。(1,3,8)人類再利用selenomethionine釋出的selenium,先合成selenophosphate再生成selenocysteine(Sec)或其他小分子,再利用UGA的密碼將Sec編入人體的特殊蛋白selenoprotein。人體selenium的儲存者可能是selenoprotein P,在已被發現的14種selenoprotein中只有selenoprotein P含有10到12個Sec,其Sec數可以隨血中selenium的濃度而改變。其他的selenoprotein都只有單一個Sec。所以selenoprotein P可能是人類selenium
的儲存池,當食物中selenium供應不足時selenoprotein P就會釋出selenium供人體利用,但是至今仍無法證實其功能。(1,3,8)

Selenium的分佈
Selenium 硒為人體必需的微量元素,總量約14.6mg,主要見於肝臟、腎臟、甲狀腺及其他組織。(1)其中又以甲狀腺的單位濃度最高。(5)在地表上約0.05ppm、海水中約0.09ppm、人體血液正常值為95~160ng/mL(0.15ppm),高出周圍環境許多。自然界存在的型式可分為無機硒化物與有機硒化物,hydrogen selenide可為細菌與動植物所利用,為無機型態轉有機型態反應的起點。(3,8)缺乏症只在少數土壤缺乏selenium的地區才會發生如中國黑龍江省keshan地區及少數非洲地區。(1)

結語
自從健康食品流行以來硒化物就無法置身事外,由於其消滅體內自由基活性氧的功能是早有共識,然而大量的硒化物不但無法增加glutathione peroxidase的活性反而會抑制,這點已是事實。然而小分子的硒化物如selenotrisulfide bonds(S-Se-S),selenenylsulfide bonds(Se-S)或Se-Se在減少ribonuclease的反應以及抑制protein kinase C的功能㆖各有表現,這神秘的稀有元素日後仍然會受到學界的關注的。

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Selenocysteine--the 21st amino acid
Gong-Ning Zhang, and Hsin-Tsung Ho
Department of Laboratory Medicine, Mackay Memorial Hospital
ABSTRACT
In the mammalian selenium-containing proteins identified,selenium initially forms a
selenocysteine residue encoded by UGA before incorporating into the protein sequence.
Selenocysteine is recognized as the 21st amino acid in ribosome-mediated protein synthesis. These
proteins lack common amino acid sequence motif, but the 3'-untranslated region of selenoprotein gene
contains a common stem-loop structure, called selenocysteine insertion sequence(SECIS) element. The
SECIS element is necessary for decoding UGA as selenocysteine rather than a stop signal. The
selenocysteine utilizes unique tRNAs containing complementary UCA anticodon which can be
aminoacrylated with serine to form Ser-tRNA. Most selenoproteins are involved in redox reactions in
which selenocysteine residue located at the active site of enzymes play a central role in catalysis.
Selenoproteins are quite common in mammalians, so far, fourteen selenoproteins have been
discovered . The distribution and properties of selenoproteins will be further discussed.
Key word: selenium/ selenocysteine/ SECIS element/ 21st amino acid/ free radical/ thyroid
hormone



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