seminar di truyền học chủ đề điều hòa hoạt động gen sau phiên mã

Mỗi loại tế bào tuy đều chứa hệ gene giống nhau nhưng chúng biểu hiện các nhóm gene khác nhau.[2] Ngoài ra, việc điều hoà gene xuất hiện trong bất cứ giai đoạn nào của chu kỳ tế bào từ n

1

ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC NG DỨ ỤNGNGÀNH CÔNG NGH SINH H C Ệ Ọ

SEMINAR- DI TRUYỀN HỌC (Nhóm 5)

CHỦ ĐỀ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN SAU PHIÊN MÃ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Tài- 62101173

2

THÀNH PH HỐ Ồ CHÍ MINH NĂM 2022

3 MỤC LỤC

I Sơ lược về Điều hòa hoạt động gene sau phiên mã: 6 I Cơ chế điều hòa hoạ ột đ ng gen sau phiên mã 6 1 Hoàn thi n RNA 6 ệ2 Phân gi i mRNA 12 ả3 Khởi đầu d ch mã 15 ị4 Hoàn thi n và phân giệ ải protein 21 II Các nghiên cứu: 22

1 Hoàn thi n mRNA: 22 ệ1.1 Antisense hoạt động như thế nào? 22 1.2 Ứng d ng hoàn thi n RNA trong xét nghiụ ệ ệm: 23 1.3 RNA-seq và tương lai chữa ung thư: 24 2 Phân gi i mRNA: 26 ả2.1 Nghiên cứu Escgeriachia Coli v ề ảnh hưởng đến s phân rã RNA: 26 ự2.2 Thuốc acid Nucleic chữa ung thư: 27 2.3 S ự căng thẳng và quá trình dịch mã: 28 3 Khởi đầu d ch mã: 28 ị

3.1 D u hi u cho s kích hoấ ệ ự ạt, hoạt hóa tr lở ại của b ộ máy dịch mã: 28 3.2 Vai trò của d ch mã trong viị ệc chế ạ t o thu c kháng sinh: 29 ố4 T ng h p và phân gi i protein : Nh ng biổ ợ ả ữ ến đổi sau d ch mã c a protein:ị ủ 30 Danh sách nguồn tham kh o: 32ả

Hình 10: Cơ chế khởi đâu dịch mã Hình 11: Mã Shine Dalgarno Hình 12: Cấu trúc đoạn codon mở đầu Hình 13: Đuôi poly(A) của Eukaryotic d ch mã ịHình 14: Cơ chế phân hu protein ỷ

Hình 15: th i gian tích lu virus HIV ờ ỹHình 16: Hình bi u diể ễn tốc độ phiên mã

5 Danh m c t ụ ừ viế ắt t t

NST: Nhiễm sắc th ểDNA: deoxyribonucleic acid RNA: Ribonucleic Acid

snRNA: Small Nuclear Nucleic acid RNase P:

snRNA

protein SR: Protein c a acid amine serine và arginine ủSxl: sexual

Dsx: doublesex miRNA: microRNA

siRNA: Small Interfering RNA RISC: RNA- induced silencing complex ATP: adenosine triphosphate

NATs: Natural antisense transcrip

RNA-seq: advent of high-throughput transcriptome sequencing pDNA: Parental Plasmid DNA

6

I Sơ lược về Điều hòa hoạ ột đ ng gene sau phiên mã:

Trong sinh giới, gene là hạt nhân nghiên cứu của sinh học và bộ gene chứa thông tin di truyền chi phối mọi biểu hiện sống Những quy tắc đó nhằm mục đích cho thấy sự phát triển của cá thể phải đặt trong tiến trình Hoạt động sống diễn ra liên tục và cơ thể phải đổi mới thường xuyên.[1] Sự thay đổi đó làm cho sinh vật thích nghi với môi trường bên ngoài và điều đó được thông qua quá trình gọi là là điều hoà hoạt động của gene Việc điều hoà hoạt động của gene sẽ đáp ứng các quy tắc đặt ra ở trên Cả ở sinh vật nhân sơ và nhân thực đều đáp ứng được những thay đổi của điều kiện môi trường Các sinh vật nhân thực đa bào còn cần phải phát triển và duy trì nhiều loại tế bào khác nhau của chúng Mỗi loại tế bào tuy đều chứa hệ gene giống nhau nhưng chúng biểu hiện các nhóm gene khác nhau.[2]

Ngoài ra, việc điều hoà gene xuất hiện trong bất cứ giai đoạn nào của chu kỳ tế bào từ nhân đôi NST cho đến khi tạo ra protein Sau phiên mã, cũng thực hiện các quá trình điều hoà như việc hoàn thiện RNA, phân giải mRNA, điều hoà ở giai đoạn đầu của quá trình dịch mã, điều hoà bằng cách phân huỷ protein

II Cơ chế điều hòa hoạ ột đ ng gen sau phiên mã 1 Hoàn thiện RNA

Sau khi phiên mã, DNA sẽ tạo ra RNA, ở sinh vật nhân sơ thì nó sẽ đi tiếp bước tiếp theo của quá trình biểu hiện tính trạng, thực hiện chức năng của DNA Còn ở sinh vật nhân thực thì DNA sẽ tạo ra RNA sơ khai gọi là tiền RNA, nó có thể tạo ra một số loại phân tử mRNA khác nhau dựa vào việc giữ lại hoặc loại bỏ các trình tự nào gọi là exon hoặc intron Các protein điều hoà đặc thù với mỗi loại tế bào sẽ điều khiển việc lựa chọn exon và intron dựa trên khả năng liên kết vào các trình tự điều hoà trong phân tử tiền RNA.[1]

Vào năm 1977, một nhà khoa học nghiên cứu một đề tài tên là “An amazing sequence arrangement at the 5’ end of adenovirus 2 messenger RNA” ( tạm dịch: Sự sắp xếp trình tự tuyệt vời tại đầu 5’ của 2 mRNA của adenovirus) Qua đó, Richard

7

Roberts và Phillip Sharp đã độc lập phát hiện ra rằng thông tin mã hoá bởi các gen của sinh vật nhân chuẩn (trường hợp họ nghiên cứu là gen của virus lây sang tế bào nhân thực) có thể phân mảnh thành 2 loại là exon và intron Và các intron được loại bỏ khỏi RNA khi đang phiên mã

Sau khi các nhà khoa học phát hiện ra exon và intron, họ chú ý nghiên cứu đến cơ chế ghép nối RNA Vì intron phải được loại bỏ và exon phải được kết hợp một cách chính xác

Hình 1: Trình t b o tự ả ồn liên quan đến n i intron ố

Đầu tiên phải so sánh trình tự của mRNA để tìm hiểu cách nhận biết exon và intron Như hình trên, các điểm nối của tiền mRNA Các điểm nối này là nơi diễn ra các phản ứng nối Tại các điểm nối này, một số nucleotide cụ thể được tìm thấy và nhận ra rằng chúng gần giống nhau giữa các gen ở các loài Cho thấy cấu trúc nối này được bảo toàn

Vào năm 1981, Tom Cech và các đồng nghiệp đã nghiên cứu ra rằng trong một ống nghiệm, bản phiên mã chính của rRNA từ Tetrahymena, đơn bào ciliate có thể tự loại bỏ intron (413 Nucleotide) mà không cần bổ sung bất kỳ protein nào Vài năm trước khi nghiên cứu này diễn ra, Sidney Altman đã xác định một ribonucleoprotein (RNase P) chịu trách nhiệm cắt phân tử tiền tRNA ở một vị trí cụ thể và họ xác định rằng hoạt động xúc tác của Rnase P nằm trong thành phần RNA của enzyme chứ không phải protein Có thể nói Tom Cech đã làm tăng tính đúng cho thí nghiệm của Altman Các nghiên cứu gần đây cho thấy intron được loại bỏ nhờ chất xúc tác là snRNA chứ không phải thành phần protein [1]

8 Hình 2: Cơ chế ủ c a ph n ng cả ứ ắt

Spliceosome gồm một số snRNP gắn tuần tự vào RNA, chiếm các vị trí như hình Sự căn chỉnh của snRNP là kết quả của liên kết hydro của các phân tử snRNA của chúng với trình tự bổ sung của intron Bằng cách này các chất phản ứng được sắp xếp phù hợp và hai phản ứng ghép nối có thể diễn ra bằng các phản ứng hoá học

9

Hình 3: Ph n ng hoá hả ứ ọc diễn ra trong vi c cệ ắt intronVí dụ: Trong việc thay thế gen kháng nguyên T của virus SV40 ở động vật có vú có đầy đủ biểu hiện sự hoàn thiện RNA Gen này có khả năng mã hoá tạo thành 2 loại khác nguyên khác nhau là T và t

23

Trong quá trình biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn, chúng được kiểm soát bởi miRNA và antisense tự nhiên (NATs: Natural antisense transcrip) Thông qua phân tích và giải trình tự RNA cho thấy cis NATs của gen miRNA trong Arabidopsis -và Brassica Ở Arabidopsis thì chúng thúc đẩy quá trình xử lý của miR398 dẫn đến khả năng chịu nhiệt của thực vật mạnh hơn do làm silencing các gen nhắm vào miR398 Ngược lại, khi miR398 biểu hiện quá mức chúng sẽ kích hoạt NAT398b và NAT398c, gây ra khả năng chịu nhiệt kém hơn, điều hoà sự hoạt động miR398

MiRNA là các RNA nhỏ ngăn chặn sự biểu hiện gen mục tiêu của chúng sau phiên mã Ở thực vật sự tích luỹ miRNA thích hợp phụ thuộc vào hoạt động của các protein nhân Các protein này hoạt động cùng nhau để xúc tác quá trình xử lý các pre-miRNA (tiền miRNA) Phiên mã và antisense tự nhiên (NATs: Natural antisense transcrip, một lớp RNA chứa các trình tư bổ sung cho mRNA cảm nhận, bao gồm một tập hợp các RNA điều hoà phức tạp và đặc hiệu NATs được phiên mã từ các locus gen riêng biệt, NAT chia ra làm 3 loại là hội tụ (chồng chéo 3 đầu), phân kỳ (chồng chéo 5 đầu) và kèm theo (đoạn này kèm với đoạn kia) Các nghiên cứu cho thấy cis-NAT có thể tham gia vào một loạt các sự kiện quy định Bằng chứng là việc phát hiện cis NAT trong quá trình bắt đầu dịch mã, hoàn thiện mRNA, kết thúc phiên -mã, nối hay thay thế, chỉnh sửa RNA, methyl hoá DNA, methyl hoá histone…[4]

1.2 Ứng dụng hoàn thiện RNA trong xét nghiệm:

Để nhận biết bệnh AIDS là mất tế bào T CD4, kà mục tiêu chỉnh dẫn đến việc nhiễm virus gây suy giảm miễn dịch ở người (HIV 1) Tế bào T CD4 bị nhiễm bệnh -trải qua những thay đổi cơ bản cuối cùng dẫn đến chết tế bào và giải phóng các virus mới Các phân tích microarray đã chỉ ra rằng các tế bào bị nhiễm bệnh phản ứng với những cuộc tấn công này bằng những thay đổi biểu hiện gen trong một số con đường, bao gồm quá trình apoptosis, chu kỳ tế bào, sinh tổng hợp cholesterol và viêm Trong nghiên cứu này, sử dụng phương phái giải trình tự ở thế hệ kế tiếp (NSG: next-generation sequencing) để kiểm tra những thay đổi trong nhóm phiên mã của tế bào T bị nhiễm HIV có khả năng sao chép

24 Hình 15: th gian tích lu virus HIV ời ỹ

Trên cơ sở những quan sát này, chúng tôi chọn hai mốc thời gian để phân tích bằng NGS Tại điển 12 và 24 hpi (hours post infection) là thời điểm bắt đầu tích luỹ -RNA của virus và sự xuất hiện của RNA gần cực đại trước khi chết Qua phân tích cho thấy trung bình hơn 21 triệu lần đọc 75 nucleotide (nt) ánh xạ tới HIV hoặc bộ gen người 2 hpi, lượt đọc virus chiếm ~ 18% tổng số lượt đọc được lập bản đồ và đến 24 hpi, tỷ lệ này tăng lên ~ 38% Các bản đồ đọc đối với bộ gen của virus cho thấy sự hiện diện của các sự kiện nối RNA Ngoài các sự kiện nối liên quan đến các vị trí mối nối đã biết, chúng tôi cũng quan sát bằng chứng về năm sự kiện nối liên quan đến một hoặc nhiều vị trí mối nối chưa được quan sát trước đó [9]

Từ đây cho thấy rằng ứng dụng của việc hoàn thiện RNA được dùng trong xét nghiệm

1.3 RNA-seq và tương lai chữa ung thư:

Ngày càng có nhiều nghiên cứu quy mô lớn về gen đã phát hiện ra các đột biến dẫn đến ung thư bằng cách xáo trộn điều hòa biểu hiện gen sau phiên mã và phiên mã Chúng bao gồm những thay đổi ảnh hưởng đến từng giai đoạn xử lý RNA, bao gồm nối, vận chuyển, chỉnh sửa và phân rã RNA thông tin Việc phát hiện ra những sự kiện này làm sáng tỏ một số lỗ hổng điều trị mới được tạo ra bởi quá trình xử lý

(RNA-Nối RNA là một quá trình enzym hạt nhân được thực hiện bởi một bộ máy đại phân tử bao gồm một cụm lớn các protein liên kết RNA (RNA binding proteins:RBP) và các protein nối bổ sung kết hợp với năm miRNA trong các phức hợp được gọi là ribonucleoprotein Cặp cơ sở snRNAs với các trình tự bên trong pre-mRNA rất quan trọng trong việc phân định exon từ intron Chúng bao gồm các dinucleotide ở hai vị trí đầu tiên và hai vị trí cuối cùng của một intron [được gọi là các vị trí nối 5 ′ và 3 ′, tương ứng] và một trình tự được bảo tồn kém trong intron được gọi là điểm nhánh Điểm nhánh thường gần với 3 ′ ss và thường là một nucleotide adenosine Một đoạn các nucleotide pyrimidine (đường polypyrimidine) thường tiếp giáp với điểm nhánh và thúc đẩy sự nhận biết điểm nhánh của spliceosome Việc xóa hoặc đột biến các chuỗi nội tâm này thường làm giảm đáng kể việc sử dụng nối tại các đoạn này Ngoài ra, các trình tự trong suốt exon và intron, được gọi là chất tăng cường liên kết và bộ giảm thanh, bị ràng buộc bởi các RBP có chức năng tuyển dụng hoặc đẩy lùi quá trình lắp ráp spliceosome để thúc đẩy hoặc ức chế quá trình nối, tương ứng

Trước khi RNA seq ra đời, việc đánh giá trình tự được biểu hiện từ các tế bào ung thư ở người và các loại mô khác cho thấy rằng các tế bào ung thư có tỷ lệ codon dừng tăng cao so với các tế bào không ung thư Tuy nhiên, trong 10 năm qua, vô số dữ liệu giải trình tự DNA và RNA từ các khối u và các mô bình thường được ghép nối như một phần của nỗ lực Bản đồ bộ gen ung thư , cũng như phân biệt các mô bình thường của người khỏi Chương trình biểu hiện kiểu gen mô, đã cho phép thẩm vấn -có hệ thống về sự liên kết giữa các bệnh ung thư và đánh giá cơ sở di truyền tiềm năng cho các thay đổi liên kết trong ung thư.[3]

-26 2 Phân giải mRNA:

2.1 Nghiên cứu Escgeriachia Coli về ảnh hưởng đến sự phân rã RNA: Escgeriachia Coli từng được nghiên cứu về sự suy thoái mRNA, bằng cách sử dụng RNA seq và các chất phân rã RNA, khi dùng chất ức chế rifampicin để làm cho -việc tổng hợp RNA bởi các ribonucleotide bổ sung bị chậm lại và ngăn chăn sự phân rã Điều này làm cho thời gian tồn tại của RNA được kéo dài

Hình 16: Hình biểu di n tễ ốc độ phiên mã

Chất ức chế khởi đầu RNAP, rifampicin, đã được sử dụng trong các nghiên cứu trên toàn bộ bộ gen về sự thoái hóa RNA Sự phân huỷ RNA được quan sát và đo lường sau khi quá trình tổng hợp bị ức chế Trong khi rifampicin liên kết với tất cả các RNAP tự do, nó không ảnh hưởng đến các RNAP đã được liên kết và phiên mã trên DNA, dẫn đến tổng hợp RNA còn lại Ảnh hưởng của quá trình tổng hợp RNA còn sót lại như vậy đối với sự phân rã RNA đã được suy ra gián tiếp từ sự chậm trễ quan sát được trong quá trình phân rã RNA.[6]

Từ thí nghiệm trên cho thấy được, các tác nhân bên ngoài có thể làm ảnh hưởng đến quá trình điều hoà sau phiên mã

27 2.2 Thuốc acid Nucleic chữa ung thư:

Nhiều nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các dược phẩm sinh học thế hệ mới Trong số các ứng cử viên, thuốc axit nucleic đã nhận được nhiều sự chú ý do tiềm năng điều trị của chúng trong các lĩnh vực liệu pháp gen và y học tái tạo Thuốc axit nucleic nhằm mục đích điều trị hoặc ngăn ngừa các bệnh khó chữa khác nhau, chẳng hạn như ung thư, tim mạch, thoái hóa thần kinh và các bệnh truyền nhiễm do vi rút gây ra bằng cách chỉnh sửa, thay thế, thêm hoặc ức chế các gen đích cụ thể

Khái niệm ban đầu của liệu pháp gen là thêm một gen mới hoặc thay thế một gen bị lỗi bằng cách cung cấp vật liệu di truyền một cách an toàn đến các tế bào đích Sau khi cung cấp vật liệu di truyền, các protein bị thiếu hoặc bị lỗi có thể được sản xuất trong các tế bào đích Các protein khác nhau có thể được bổ sung bởi quá trình dịch mã của tế bào để tái tạo các mô bị đào thải mRNA là một vật liệu di truyền thay thế thay thế việc sử dụng pDNA thông thường Khi tổng hợp mRNA bằng phiên mã in vitro , một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của mRNA Tùy thuộc vào thiết kế và độ ổn định của mRNA được tổng hợp, quá trình dịch mã bị ảnh hưởng đáng kể Do đó, thường cần tối ưu hóa các yếu tố cấu trúc trong mRNA IVT để biểu hiện ổn định các protein đích.Thuốc tái tạo nhằm mục đích bổ sung sự mất mát của các tế bào hoặc mô chức năng bằng cách khôi phục trạng thái sinh lý bình thường của chúng Để đạt được điều này, liệu pháp tế bào và các phương pháp tiếp cận kỹ thuật mô đã được nghiên cứu Trong quá trình tái tạo, protein là các phân tử tín hiệu quan trọng kiểm soát các hành vi của tế bào như phân chia, di chuyển và biệt hóa tế bào Các protein chức năng này bao gồm các yếu tố tăng trưởng, cytokine và các yếu tố phiên mã Từ đó mở ra con đường mới cho việc dùng bio medicine có lợi thế rõ ràng so với chemical medicine nhỏ thông thường bằng cách cho phép điều chỉnh chính xác các quá trình sinh học khác nhau mà thuốc hóa học nhỏ thường khó đạt được [12]

28 2.3 Sự căng thẳng và quá trình dịch mã:

Protein hạt căng thẳng Axonal G3BP1 hạn chế quá trình dịch mã mRNA theo trục và tái tạo dây thần kinh sự cắt trục của tế bào thần kinh của động vật có vú tạo ra sự dịch mã của mRNA sợi trục dự trữ thông qua sự điều chỉnh của protein hạt căng thẳng G3BP1, để hỗ trợ tái tạo các dây thần kinh ngoại vi G3BP1 tập hợp bên trong các sợi trục thần kinh ngoại vi trong các cấu trúc giống như hạt căng thẳng giảm trong quá trình tái tạo, với sự gia tăng tương xứng của G3BP1 được phosphoryl hóa Vị trí của G3BP1 với các mRNA dọc trục cũng tương quan với trạng thái phát triển của tế bào thần kinh Phá vỡ các chức năng của G3BP bằng cách biểu hiện quá mức một protein âm tính trội sẽ kích hoạt quá trình dịch mã mRNA trong sợi trục, làm tăng sự phát triển sợi trục trong các tế bào thần kinh được nuôi cấy, tháo rời các cấu trúc giống như hạt căng thẳng trục và tăng tốc độ tái tạo dây thần kinh của chuột in vivo.[13]

3 Khởi đầu dịch mã:

3.1 Dấu hiệu cho sự kích hoạt, hoạt hóa trở lại của bộ máy dịch mã: Sự khởi đầu dịch mã hoàn toàn có thể bị ngăn cản bởi một số protein điều hòa liên kết vào các trình tự đặc thù trong vùng 5’ không được dịch mã (5’UTR) trê phân tử mRNA; điều này làm cản trở sự liên kết của các ribosome vào mRNA Ngoài ra một cơ chế ngắn cản sự dịch mã khác được tìm thấy ở nhiều loại mRNA khác nhau trong tế bào trứng của nhiều loài: Đầu tiên, các phân tử mRNA được tích lũy không có đuôi poly A đủ dài để có thể khởi đầu phiên mã Tuy vậy, vào một thời điểm phù hợp trong quá trình phát triển phôi, một enzyme ở tế bào chất bổ sung thêm đuôi poly A vào đầu 5’ của những phân tử mRNA này và thúc đẩy sự khởi đầu phiên mã

Theo một cách nào đó, sự dịch mã tất cả các phân tử mRNA trong một tế bào có thể được điều hòa cùng lúc Trong tế bào sinh vật nhân thực, kiểu điều khiển “chung” như vậy liên quan đến sự hoạt hóa hay bất hoạt một hoặc nhiều yếu tố protein khác nhau cần cho sự khởi đầu dịch mã Cơ chế này giữ vai trò khởi đầu dịch mã các phân tử mRNA được tích lũy sẵn trong tế bào trứng Ngay sau khi thụ tinh, sự dich