セレノシステイン

はじめに

セレノシステイン（Selenocysteine, 略称SecまたはU）は、タンパク質を構成するアミノ酸の一つです。標準的な20種類のアミノ酸には含まれない特殊なアミノ酸として知られています。化学的には、広く存在するアミノ酸であるシステインに構造が類似しており、システインの持つ硫黄原子（S）がセレン原子（Se）に置き換わった形をしています。このセレノシステインを含むタンパク質は、「セレノプロテイン」と呼ばれています。

生体における役割

セレノシステインは、特に生体内の酸化還元反応に関与するいくつかの酵素の機能にとって不可欠な成分です。具体的には、グルタチオンペルオキシダーゼ、チオレドキシン還元酵素、テトラヨードチロニン-5'-脱ヨウ素化酵素、ギ酸デヒドロゲナーゼ、グリシン還元酵素、そして一部のヒドロゲナーゼなど、幅広い種類のセレノプロテインにおいて、その活性中心として重要な役割を果たしています。これらの酵素は、細胞の酸化ストレス防御や代謝において中心的な働きをしています。

特殊な遺伝コード

セレノシステインが持つ最もユニークな特徴の一つは、その遺伝情報のコード化方法です。通常のタンパク質を構成するアミノ酸は、特定のコドン（mRNA上の3つの連続したヌクレオチド配列）によって直接的に指定されています。しかし、セレノシステインは、通常はタンパク質合成の終止コドンとして機能するUGAコドンによってコードされます。

UGAコドンがセレノシステインをコードするためには、特別な機構が必要です。これは、mRNA上に存在する「セレノシステイン挿入配列（SecIS: Selenocysteine Insertion Sequence）」と呼ばれる特定のヌクレオチド配列と、それが形成する特徴的な二次構造（特定の塩基対パターン）によって制御されています。SecISが存在する場合にのみ、UGAコドンは終止ではなくセレノシステインとして読み替えられます。

SecISの位置と生物種による違い

SecISの存在位置は、生物の系統によって異なります。

真正細菌では、SecISはセレノシステインをコードするUGAコドンのすぐ下流、つまりmRNAの翻訳領域内に位置しています。
古細菌や真核生物では、主にmRNAの3'非翻訳領域にSecISが存在します。この位置にあるSecISは、そのmRNA内に複数存在するUGAコドンに対してセレノシステインの挿入を指示することができます。
* 古細菌においては、少なくとも一つの例として、5'非翻訳領域にSecISが存在する場合も知られています。

この特殊な機構は、生体内に十分なセレンが存在しない場合には正常に機能しません。セレンが不足すると、SecISがあってもUGAコドンは終止コドンとして認識されてしまい、結果として途中で翻訳が終了した、短く機能を持たないセレノプロテインが生成されてしまいます。

合成とタンパク質への組み込み機構

セレノシステインがタンパク質合成に組み込まれる過程もまた、他のアミノ酸とは異なります。

1. 特有のtRNA: セレノシステインには、専用の転移RNA（tRNA）である「セレノシステインtRNA（tRNA(Sec)）」が存在します。しかし、tRNA(Sec)は標準的なtRNAとはいくつかの点で構造が異なっており、例えば、アクセプターステムの長さや可変領域アーム、さらによく保存されているいくつかの塩基の置換などが見られます。
2. セリンからの変換: まず、通常のセリルtRNA合成酵素によって、このtRNA(Sec)にアミノ酸のセリンが結合されます（Ser-tRNA(Sec)）。しかし、このSer-tRNA(Sec)は、通常の翻訳伸長因子（細菌のEF-Tuや真核生物のEF1α）には認識されないため、そのまま翻訳に利用されることはありません。
3. セレノシステインの生成: 代わりに、tRNAに結合したセリン残基は、「セレノシステイン合成酵素」と呼ばれる酵素（ピリドキサールリン酸を補酵素として含む）の働きによって、セレノシステイン残基へと化学的に変換されます。
4. リボソームへの輸送: こうして生成されたSec-tRNA(Sec)は、特殊な翻訳伸長因子と特異的に結合します。細菌ではSelB、真核生物ではmSelBと呼ばれるこの因子は、セレノプロテインのmRNAを翻訳中のリボソームへとSec-tRNA(Sec)を正確に運びます。この輸送は、mRNA上のSecISが形成するRNA二次構造を認識する特殊なタンパク質ドメイン（細菌のSelB）やサブユニット（真核生物mSelBのSBP-2）の働きによって誘導されます。

このように、セレノシステインは、その生合成からタンパク質への組み込みに至るまで、他のアミノ酸には見られない独特かつ複雑な機構を経て、生体内で重要な役割を果たすセレノプロテインとして機能しているのです。

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