325 17.1. Gen xác định protein qua phiên m và dịch m 17.2. Phiên m là quá trình tổng hợp ARN do ADN điểu khiển: Quan sát gần hơn 17.3. Các tế bào sinh vật nhân thật cải biến ARN sau phiên m 17.4. Dịch m là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit do ARN điều khiển: Quan sát gần hơn 17.5. Các đột biến điểm có thể ảnh hởng đến cấu trúc và chức năng protein 17.6. Mặc dù sự biểu hiện gen ở các liên giới sinh vật là khác nhau, nhng khái niệm gen là thống nhất ào năm 2006, hình ảnh một con hơu con bị bạch tạng đang nô đùa giữa đàn hơu nâu ở vùng núi miền đông nớc Đức đã gây nên một làn sóng phản ứng khác nhau trong cộng đồng (Hình 17.1). Một tổ chức săn bắn động vật ở địa phơng cho rằng: con hơu bạch tạng mắc bệnh di truyền và cần giết bỏ. Một số ngời khác thì cho rằng con hơu đó cần đợc bảo vệ bằng cách cho lai với những con hơu khác để bảo vệ vốn gen của quần thể. Trong khi, những ngời khác thì ủng hộ quan điểm cần chuyển con hơu đó vào vờn quốc gia để bảo vệ, vì trong môi trờng sống hoang dại, con hơu này dễ bị các loài động vật ăn thịt phát hiện. Một siêu sao nhạc rốc ngời Đức thậm chí đã tổ chức một buổi biểu diễn quyên góp tiền để làm việc di chuyển và bảo vệ con hơu này. Điều gì đã dẫn đến kiểu hình kỳ lạ của con hơu này, vốn là nguyên nhân dẫn đến những quan điểm tranh cãi khác nhau? ở Chơng 14, chúng ta đã biết rằng các tính trạng di truyền đợc qui định bởi các gen và tính trạng bạch tạng là do một alen lặn thuộc gen tổng hợp sắc tố gây nên. Các nội dung thông tin đợc mã hóa trong các gen biểu hiện ở dạng các trình tự nucleotit đặc thù trên phân tử ADN, tức là phân tử mang thông tin di truyền. Nhng bằng cách nào các thông tin này có thể qui định các tính trạng của một cơ thể sinh vật? Nói cách khác, bằng cách nào mỗi gen có thể truyền đạt đợc thông điệp của nó? Và bằng cách nào thông điệp của nó đợc tế bào dịch mã thành một tính trạng nhất định, chẳng hạn nh màu tóc nâu, hay nhóm máu A, hay nh trong trờng hợp con hơu bạch tạng ở trên là sự thiếu hụt hoạt toàn sắc tố da? Con hơu có kiểu hình bạch tạng ở trên là do một enzym thiết yếu cần cho sự tổng hợp sắc tố của nó bị sai hỏng; mà nguyên nhân dẫn đến protein này bị sai hỏng là do gen mã hóa enzym mang thông tin không chính xác. Ví dụ về hơu bạch tạng minh họa nội dung chính của chơng này, đó là: ADN mà mỗi cá thể đợc di truyền từ bố, mẹ qui định các tính trạng đặc thù của nó thông qua quá trình tổng hợp protein và các phân tử ARN liên quan đến sự tổng hợp protein. Nói cách khác protein là cầu nối giữa kiểu gen và kiểu hình. Sự biểu hiện của gen là quá trình ở đó ADN điều khiển sự tổng hợp protein (hoặc trong một số trờng hợp, sản phẩm cuối cùng là các ARN). Sự biểu hiện của một gen mã hóa protein luôn gồm hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã. Chơng này đề cập đến các bớc của dòng thông tin đi từ gen đến protein và giải thích tại sao các đột biến di truyền có thể ảnh hởng đến các cơ thể sinh vật thông qua các protein của chúng. Sự biểu hiện của các gen diễn ra thông qua các quá trình tơng đối giống nhau ở cả ba liên giới sinh vật là sinh vật nhân sơ (prokaryote), sinh vật nhân thật (eukaryote) và vi khuẩn cực đoan (archea). Những hiểu biết về những quá trình này sẽ cho phép chúng ta nhìn lại về khái niệm gen một cách thấu đáo hơn ở phần cuối của chơng này. Trớc khi tìm hiểu chi tiết bằng cách nào các gen có thể điều khiển sự tổng hợp protein, chúng ta hãy quay ngợc bánh xe lịch sử để xem gen và protein đợc phát hiện nh thế nào. Bằng chứng từ các nghiên cứu về sai hỏng chuyển hóa Vào năm 1909, bác sĩ ngời Anh Archibald Garrod là ngời đầu tiên cho rằng các gen qui định kiểu hình thông qua các V Các khái niệm chính Tổng quan Dòng thông tin di truyền Hình 17.1 Tại sao một gen sai hỏng duy nhất có thể dẫn đến kiểu hình khác biệt rõ rệt ở hơu bạch tạng? Từ Gen đến Protein 1 7 .1 Khái niệ m Gen xác định protein qua phiên m và dịch m 326 khối kiến thức 3 Di truyền học enzym xúc tác các phản ứng diễn ra trong tế bào. Garrod dự đoán rằng các triệu chứng của một bệnh di truyền là kết quả của việc mất khả năng tổng hợp một enzym nhất định nào đó ở ngời bệnh. Ông coi những bệnh nh vậy là những rối loạn trao đổi chất bẩm sinh. Garrod đã nêu ví dụ về một bệnh di truyền đợc gọi là alkapto niệu; ở những ngời mắc bệnh này, nớc tiểu có màu đen do trong thành phần có alkapton là một chất chuyển mầu sẫm khi tiếp xúc với không khí. Garrod cho rằng phần lớn mọi ngời đều có một enzym giúp chuyển hóa alkapton, nhng những ngời bị bệnh đã đợc di truyền gen mất khả năng tổng hợp enzym này. Garrod cũng có thể là một trong những ngời đầu tiên nhận ra các qui luật di truyền của Mendel có thể áp dụng cho ngời giống nh với cây đậu Hà lan. Có thể nói nhận thức của Garrod đã đi trớc thời đại, bởi vì các nghiên cứu đợc tiến hành sau đó hàng chục năm mới thực sự ủng hộ cho giả thiết của ông về việc mỗi gen điều khiển sự tổng hợp của một enzym đặc thù. Các nhà hóa sinh học ngày càng tích lũy đợc nhiều bằng chứng cho thấy tế bào tiến hành tổng hợp và phân hủy phần lớn các chất hữu cơ thông qua các con đờng chuyển hóa, ở đó mỗi phản ứng hóa học đều đợc xúc tác bởi một enzym đặc thù (xem trang 142). Một ví dụ về con đờng chuyển hóa nh vậy là sự tổng hợp các sắc tố quy định màu mắt ở ruồi Drosophila (xem Hình 15.3). Vào khoảng những năm 1930, George Beadle và Boris Ephrussi dự đoán rằng ở ruồi Drosophila, mỗi một thể đột biến màu mắt đều có quá trình tổng hợp sắc tố bị ức chế tại một bớc đặc thù nào đó, do thiếu sự tổng hợp enzym xúc tác bớc phản ứng đó. Tuy vậy, vào thời điểm đó không có phản ứng nào cũng nh enzym có liên quan đến sự tổng hợp sắc tố qui định màu mắt ở ruồi giấm đợc biết đến. Các thể đột biến khuyết dỡng ở Neurospora: Điều tra khoa học Một bớc ngoặt trong việc làm sáng tỏ mối quan hệ giữa gen và enzym đến sau đó vài năm khi Beadle và Edward Tatum nghiên cứu ở nấm men Neurospora crassa. Trên cơ sở các phơng pháp gây tạo đột biến đợc tìm ra từ những năm 1920, các nhà khoa học đã dùng tia X bắn phá các chủng Neurospora để tạo nên các chủng đột biến có nhu cầu dinh dỡng khác so với kiểu dại. Các chủng nấm men Neurospora kiểu dại có nhu cầu dinh dỡng đơn giản. Chúng có thể dễ dàng sống trong môi trờng thạch (agar) đợc bổ sung một số muối vô cơ, đờng glucose và vitamin biotin. Từ môi trờng tối thiểu này, các tế bào nấm men có thể dùng các con đờng chuyển hóa của chúng để tạo nên tất cả các phân tử cần cho sự sinh trởng và phát triển của mình. Beadle và Tatum đã xác định đợc nhiều chủng đột biến không có khả năng sống trên môi trờng tối thiểu do nguyên nhân mất khả năng tổng hợp một hợp chất thiết yếu nào đó. Những chủng đột biến nh vậy đợc gọi là đột biến khuyết dỡng. Để có thể nuôi các chủng đột biến này, Beadle và Tatum phải nuôi chúng trong môi trờng đủ, gồm các thành phần của môi trờng tối thiểu, ngoài ra bổ sung thêm 20 loại axit amin và một số chất dinh dỡng khác nữa. Trong môi trờng đủ, mọi thể đột biến đều có khả năng sống dù chúng không có khả năng tổng hợp một chất nào đó. Để phân tích đặc điểm của các dạng sai hỏng trao đổi chất ở các chủng đột biến khuyết dỡng, Beadle và Tatum đã tiến hành lấy mẫu bằng cách nuôi chúng trong môi trờng đủ, rồi phân phối chúng vào các ống đựng mẫu. Trong mỗi ống đựng mẫu, họ bổ sung môi trờng tối thiểu, ngoài ra chỉ bổ sung thêm một chất dinh dỡng nhất định (vốn khác nhau giữa môi trờng đủ và mối trờng tối thiểu). Chất bổ sung đặc thù cho phép nấm men đột biến có thể sinh trởng sẽ cung cấp thông tin về kiểu sai hỏng chuyển hóa ở chủng nấm men đột biến. Ví dụ, nếu chủng đột biến đợc tìm thấy có khả năng phát triển trong môi trờng bổ sung axit amin arginine, thì các nhà nghiên cứu kết luận rằng thể đột biến đó bị sai hỏng trong con đờng chuyển hóa tổng hợp arginine so với chủng kiểu dại. Beadle và Tatum sau đó tiếp tục xác định tính đặc thù của mỗi thể đột biến. Hình 17.2 minh họa cách họ dùng các phép thử tiếp theo để phân biệt ba thể đột biến khác nhau dù chúng đều là các đột biến khuyết dỡng về arginine. Mỗi thể đột biến này đều cần một nhóm chất khác nhau dọc theo con đờng sinh tổng hợp arginine gồm ba bớc. Từ kết quả thí nghiệm, các nhà nghiên cứu cho rằng các thể đột biến đã bị ức chế ở các bớc khác nhau của cùng con đờng chuyển hóa trong đó mỗi thể đột biến thiếu một enzym tơng ứng với bớc chuyển hóa bị ức chế. Do trong nghiên cứu của Beadle và Tatum, các sai hỏng ở các thể đột biến đều liên quan đến một gen duy nhất, nên kết quả nghiên cứu của họ đã ủng hộ cho Giả thiết một gen - một enzym mà chính hai nhà khoa học này đã đa ra. Giả thiết một gen - một enzym phát biểu rằng: chức năng của một gen là điều khiển sự tổng hợp một enzym đặc thù. Giả thiết này sau đó tiếp tục đợc củng cố khi ngày càng có nhiều thể đột biến đợc xác định thiếu một enzym đặc thù nào đó so với các dạng kiểu dại. Năm 1958, Beadle và Tatum đợc trao giải thởng Nobel về phát hiện của họ cho thấy các gen điều khiển các sự kiện hóa học xác định (Trích nguyên văn từ ủy ban Nobel). Sản phẩm biểu hiện của gen: Câu chuyện tiếp tục phát triển Khi các nhà nghiên cứu ngày càng hiểu rõ hơn về protein, họ bắt đầu xem lại giả thiết một gen - một enzym. Trớc hết, không phải mọi protein đều là enzym. Ví dụ nh, keratin là một protein cấu trúc có trong thành phần lông, tóc ở động vật; hay nh insulin là một protein có chức năng điều hòa (hoocmôn), đều là các protein nhng không phải là enzym. Do có nhiều protein không phải là enzym nhng vẫn là các sản phẩm của gen, nên các nhà sinh học phân tử bắt đầu nghĩ về khái niệm một gen - một protein. Tuy vậy, rất nhiều protein đợc cấu tạo nên từ hai hay nhiều chuỗi polypeptit khác nhau, mà mỗi chuỗi polypeptit lại đợc mã hóa bởi một gen riêng. Ví dụ nh, protein vận chuyển ôxy trong máu của động vật có xơng sống là hemoglobin đợc cấu tạo nên từ hai loại polypeptit đợc mã hóa tơng ứng bởi hai gen khác nhau (xem Hình 5.21). Vì vậy, ý tởng của Beadle và Tatum đã đợc phát biểu lại là Giả thiết một gen - một chuỗi polypeptit. Mặc dù vậy, khái niệm này cũng không hoàn toàn chính xác. Thứ nhất, nhiều gen ở sinh vật nhân thật có thể đồng thời mã hóa cho nhiều chuỗi polypeptit khác nhau nhng có quan hệ với nhau thông qua cách hoàn thiện các sản phẩm phiên mã và dịch mã khác nhau mà chúng ta sẽ đề cập đến ở phần sau của chơng này. Thứ hai, một số gen mã hóa cho các phân tử ARN có chức năng quan trọng trong tế bào, mặc dù chúng không bao giờ đợc dịch mã thành protein. Tuy vậy, hiện nay chúng ta chủ yếu tập trung vào các gen mã hóa cho các chuỗi polypeptit. (Trong thực tế hiện nay sản phẩm của các gen thờng đợc hiểu với nghĩa phổ biến là protein, chứ không phải chính xác hơn là các chuỗi polypeptit - một thực tế bạn cũng sẽ gặp trong cuốn sách này). Chơng 17 Từ gen đến protein 327 Có phải các gen quy định các enzym biểu hiện chức năng trong các con đờng hóa sinh? G.W. Beadle and E.L. Tatum, Genetic control of biochemical reactions in Neurospora, Proceedings of the National Academy of Science 27: 499 - 506 (1941). Giả sử kết quả thí nghiệm là: các thể đột biến nhóm I chỉ sinh trởng đợc trên môi trờng MM bổ sung thêm hoặc ornithine hoặc arginine và các đột biến nhóm II sinh trởng đợc trên môi trờng MM đợc bổ sung thêm hoặc citruline, ornithine hay arginine. Beadle và Tatum sẽ rút ra những kết luận gì về con đờng chuyển hóa và những sải hỏng ở các thể đột biến thuộc nhóm I và II? Hình 1 7 . 2 Nghiên cứu phát hiện Thí nghiệm Kết quả Kết luận Nguồn Nếu thì sao ? Khi nghiên cứu ở Neurospora crassa , George Beadle và Edward Tatum tại Đại học Stanford đã phân lập đợc các thể đột biến cần bổ sung arginine vào môi trờng sinh trởng của chúng. Các nhà nghiên cứu thấy rằng các thể đột biến này chia làm ba nhóm, mỗi nhóm bị sai hỏng một gen khác nhau. Cân nhắc trên các dữ liệu thí nghiệm, họ dự đoán con đờng sinh tổng hợp arginine liên quan đến một tiền chất trong môi trờng dinh dỡng và các phân tử trung gian là ornithine và citruline. Thí nghiệm nổi tiếng nhất của họ đợc minh họa ở đây vừa chứng minh giả thiết một gen - một enzym vừa xác nhận con đờng tổng hợp arginine mà họ đã dự đoán. Trong thí nghiệm này, họ đã nuôi ba nhóm nấm men đột biến trong 4 điều kiện môi trờng khác nhau nh đợc minh họa ở phần Kết quả dới đây. ở đây, họ đã dùng môi trờng tối thiểu (MM) làm đối chứng do trong môi trờng này các tế bào kiểu dại có thể sinh trởng, trong khi các tế bào đột biến thì không. (Xem hình minh họa các ống nghiêm bên phải.) Chủng kiểu dại có khả năng sinh tr ởng trong tất cả các điều kiện thí nghiệm khác nhau, chỉ đòi hỏi môi trờng tối thiểu. Trong khi đó, ba nhóm đột biến đều cần bổ sung những chất dinh dỡng đặc thù cho mỗi nhóm. Ví dụ: các đột biến nhóm II không sinh trởng đợc trong môi trờng chỉ bổ sun g ornithrine, mà chỉ sinh trởng trong các môi trờng hoặc bổ sung citruline hay arginine. Từ những yêu cầu về nguồn dinh dỡng của các thể đột biến, Beadle và Tatum đã suy luận ra rằng mỗi nhóm đột biến không thể thực hiện một bớc trong con đờng sinh t ổng hợp arginine, mà theo giả thiết là do chúng thiếu những enzym đặc thù. Do mỗi nhóm đột biến bị đột biến ở một gen duy nhất, họ kết luận rằng mỗi gen bình thờng qui định việc tế bào sản xuất một enzym. Kết quả nghiên cứu này ủng hộ cho giả thiết một gen - một enzym của họ và đồng thời cũng xác nhận con đờng chuyển hóa tổng hợp arginine. (Chú ý trong phần Kết quả là các thể đột biến chỉ sinh trởng đợc trong các môi trờng bổ sung một hợp chất hình thành sau bớc sai hỏng của quá trình chuyển hóa, vì điều này mới có thể giúp khắc phục sai hỏng.) Sinh trởng: Các tế bào kiểu dại sinh trởng và phân chia Không sinh trởng: Các tế bào đột biến không sinh trởng và phân chia Môi trờng tối thiểu Các nhóm Neurospora crassa Kiểu dại Nhóm đột biến I Nhóm đột biến II Nhóm đột biến III Điều kiện môi trờng Môi trờng tối thiểu (MM) (Đối chứng) MM + ornithine MM + citruline MM + argini ne (Đối chứng) Sinh trởng trong mọi điều kiện thí nghiệm Sinh trởng khi có ornithine, citruline hoặc arginine Chỉ sinh trởng khi có citruline hoặc arginine Nhất thiết phải có arginine mới có thể sinh trởng Tiền chất Tiền chất Tiền chất Tiền chất Enzym A Enzym B Enzym C Enzym B Enzym B Enzym C Enzym C Enzym A Enzym A Gen A Gen B Gen C Kiểu dại Nhóm đột biến I (đột biến ở gen A) Nhóm đột biến II (đột biến ở gen B) Nhóm đột biến III (đột biến ở gen C) 328 khối kiến thức 3 Di truyền học Các nguyên lý cơ bản của phiên m và dịch m Gen cung cấp bản hớng dẫn để tế bào tổng hợp nên các protein đặc thù. Tuy vậy, gen không trực tiếp tạo nên protein. Cầu nối giữa ADN và sự tổng hợp protein là axit nucleic ARN. Từ Chơng 5, chúng ta đã biết ARN có cấu trúc hóa học giống ADN, trừ hai đặc điểm: i) nó chứa đờng ribose thay cho đờng deoxyribose, và ii) nó mang bazơ nitơ loại uracil chứ không phải loại thymine (xem Hình 5.27). Vì vậy, nếu nh các loại nucleotit chạy dọc mạch ADN có các bazơ thuộc các loại A, G, C và T, thì mỗi nucleotit của ARN có các bazơ điển hình là A, G, C và U. Một phân tử ARN thờng tồn tại ở dạng mạch đơn. Nh một thông lệ, dòng thông tin từ gen đến protein thờng đợc mô tả nh sự truyền tải của các dạng ngôn ngữ bởi vì các loại axit nucleic cũng nh protein đều là các đa phân tử (polyme) truyền tải thông tin trên cơ sở trình tự đặc thù của các đơn phân (monome), cũng giống nh cách chúng ta dùng Tiếng Việt hay Tiếng Anh là trình tự đặc thù của các chữ cái để trao đổi thông tin. Trong phân tử ADN và ARN, các monome là bốn loại nucleotit khác nhau về thành phần bazơ. Các gen điển hình có chiều dài hàng trăm hoặc hàng nghìn nucleotit, mỗi gen có một trình tự bazơ đặc thù. Mỗi chuỗi polypeptit của một phân tử protein cũng có các monome sắp xếp thành một chuỗi thẳng hàng có trình tự nhất định (cấu trúc bậc 1 của protein); nhng các monome của chúng là các axit amin. Nh vậy, các axit nucleic và protein mang thông tin đợc viết bằng hai ngôn ngữ hóa học khác nhau. Sự truyền tải thông tin từ ADN tới protein cần qua hai giai đoạn chính: phiên mã và dịch mã. Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN dới sự chỉ dẫn của ADN. Cả hai loại axit nucleic này đều dùng ngôn ngữ hóa học giống nhau; vì vậy, thông tin đợc phiên mã đơn giản, hoặc đợc sao chép, từ phân tử này thành phân tử khác. Cụ thể, mạch ADN có thể đợc dùng làm khuôn để tổng hợp một mạch bổ sung mới trong sao chép ADN, cũng nh nó có thể làm khuôn để lắp ráp một trình tự bổ sung của các nuleotit ARN trong phiên mã. Đối với các gen mã hóa protein, các phân tử ARN thu đợc là bản phiên mã trung thực từ bản hớng dẫn tổng hợp protein đợc mã hóa trong gen. Nó không khác mấy bản sao bảng điểm học tập của bạn; và cũng giống một bản phiên mã, nó có thể đợc gửi đi dới dạng nhiều bản sao khác nhau. Loại phân tử ARN nh vậy đợc gọi là ARN thông tin (mARN) bởi vì nó mang thông điệp di truyền từ ADN tới bộ máy tổng hợp protein của tế bào. (Phiên mã là thuật ngữ chung cho quá trình tổng hợp mọi loại ARN trên cơ sở mạch khuôn ADN. ở phần sau của chơng này, chúng ta sẽ đề cập đến các loại ARN khác cũng đợc tạo ra từ phiên mã.) Dịch mã là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit diễn ra dới sự chỉ dẫn của ARN. Trong giai đoạn này, có một sự thay đổi ngôn ngữ: Tế bào phải phiên dịch trình tự các bazơ của một phân tử mARN thành trình tự các axit amin của một chuỗi polypeptit. Vị trí diễn ra sự dịch mã là các ribosome; đó là phức hệ dạng hạt tạo điều kiện thuận lợi cho sự kết nối các axit amin theo một trật tự nhất định để hình thành nên các chuỗi polypeptit. Phiên mã và dịch mã là các quá trình có ở mọi cơ thể sống. Từ Chơng 1, chúng ta biết rằng sinh giới gồm ba liên giới: Vi khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cực đoan (Archaea) và Sinh vật nhân thật (Eukarya). Hai liên giới đầu đợc gọi chung là các sinh vật nhân sơ (prokaryote) bởi vì tế bào của chúng không có cấu trúc nhân đợc bao bọc bởi màng - vốn là đặc điểm rõ rệt của các tế bào sinh vật nhân thật. Phần lớn các nghiên cứu về phiên mã và dịch mã đến nay đợc thực hiện ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật; và vì vậy, đó cũng là những nội dung chính đợc tập trung đề cập ở chơng này. Mặc dù những hiểu biết về những quá trình này ở liên giới vi khuẩn cực đoan còn hạn chế, nhng ở phần cuối chơng chúng ta cũng sẽ thảo luận về một số khía cạnh của sự biểu hiện gen ở liên giới sinh vật này. Các nguyên lý động học cơ bản của phiên mã và dịch mã là giống nhau ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật, nhng có một đặc điểm khác biệt quan trọng trong dòng thông tin di truyền ở trong các tế bào. Do vi khuẩn không có nhân, nên ADN của vi khuẩn không bị tách biệt hoàn toàn về không gian với ribosome cũng nh với các thành phần khác của bộ máy tổng hợp protein (Hình 17.3a). Nh bạn sẽ thấy ở phần sau, do không có sự tách biệt rõ ràng về không gian, nên ở vi khuẩn quá trình dịch mã một phân tử mARN có thể bắt đầu ngay cả khi sự phiên mã tổng hợp phân tử mARN đó vẫn đang diễn ra. Ngợc lại, ở các tế bào sinh vật nhân thật, màng nhân tách biệt hoàn toàn hai quá trình phiên mã và dịch mã về không gian và thời gian (Hình 17.3b). Cụ thể, phiên mã diễn ra trong nhân, rồi mARN đợc chuyển ra tế bào chất; ở đó nó đợc dùng làm khuôn để dịch mã. Tuy vậy, trớc khi mARN rời khỏi nhân, bản phiên mã ARN ở sinh vật nhân thật từ các gen mã hóa protein thờng đợc biến đổi qua một số bớc để hình thành nên phân tử mARN cuối cùng hoàn thiện về chức năng. Sự phiên mã một gen mã hóa protein ở sinh vật nhân thật ban đầu tạo ra một phân tử tiền-mARN; phân tử này trải qua quá trình hoàn thiện để hình thành nên phân tử mARN cuối cùng. Các bản phiên mã ARN đầu tiên đợc hình thành từ mỗi gen, bao gồm cả các gen chỉ mã hóa cho các loại ARN mà không đợc dịch mã thành protein, đợc gọi chung là các bản phiên mã sơ cấp. Có thể tóm tắt sự phiên mã và dịch mã nh sau: các gen lập trình sự tổng hợp protein thông qua các thông điệp di truyền ở dạng ARN thông tin. Có thể hiểu theo cách khác là các tế bào đợc chi phối bởi một chuỗi lệch ở cấp phân tử theo dòng thông tin di truyền có hớng là: ADN ARN protein. Khái niệm này đợc Francis Crick đa ra lần đầu tiên vào năm 1956 và đợc gọi là nguyên lý trung tâm. Khái niệm này đã tồn tại nh thế nào qua thời gian? Vào những năm 1970, các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng một số phân tử ARN có thể làm khuôn để tổng hợp ADN thông qua một quá trình mà chúng ta sẽ đề cập đến ở Chơng 19. Tuy vậy, cơ chế ngoại lệ này không hề phủ nhận khái niệm chung là dòng thông tin di truyền chủ yếu đi từ ADN tới ARN rồi tới protein. ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận về nội dung bằng cách nào bản hớng dẫn cách lắp ráp các axit amin theo một trật tự đặc thù trong chuỗi polypeptit đợc mã hóa trong các axit nucleic. M di truyền Khi các nhà sinh học bắt đầu nghi ngờ rằng bản hớng dẫn tổng hợp protein đợc ghi trong các phân tử ADN, họ nhận ra một vấn đề: Chỉ có 4 loại bazơ trong các nucleotit để xác định cho 20 loại axit amin. Do đó, mã di truyền không thể ở dạng ngôn ngữ kiểu tợng hình nh Tiếng Trung quốc đợc, nghĩa là mỗi ký tự tơng ứng với một từ riêng. Vậy, bao nhiêu bazơ trong các nucleotit thì tơng ứng với một axit amin? Chơng 17 Từ gen đến protein 329 Codon: Mã bộ ba của các bazơ Nếu mỗi bazơ nucleotit đợc dịch mã thành một axit amin, thì chỉ có nhiều nhất 4 axit amin đợc xác định. Thế còn nếu mã di truyền là mã bộ hai thì sao? Chẳng hạn, trình tự hai bazơ AG xác định một axit amin, còn trình tự bazơ GT xác định một axit amin khác. Do ở mỗi vị trí, có 4 khả năng lựa chọn các bazơ nucleotit khác nhau, nên chúng ta sẽ có tối đa 16 (tức là 4 2 ) khả năng tổ hợp; điều này cho thấy mã bộ hai không đủ để mã hóa cho tất cả 20 axit amin. Bộ ba các bazơ nucleotit là số nguyên nhỏ nhất, đồng đều có thể mã hóa cho tất cả các axit amin. Nếu mỗi cách sắp xếp cứ 3 bazơ kế tiếp nhau xác định một axit amin, thì chúng ta sẽ có 64 (tức là 4 3 ) khả năng mã hóa; số lợng này thừa đủ để xác định tất cả các axit amin. Trên cơ sở đó, các số liệu thí nghiệm sau này cũng đã xác nhận rằng: dòng thông tin đi từ gen đến protein dựa trên mã bộ ba; nói cách khác, bản hớng dẫn tổng hợp một chuỗi polypeptit đợc viết trên ADN là một chuỗi những từ gồm 3 nucleotit và có đặc điểm không gối lên nhau. Ví dụ, bộ ba các bazơ AGT tại một vị trí nhất định (trong vùng mã hóa) trên mạch ADN sẽ dẫn đến sự lắp ráp một axit amin Serine tại vị trí tơng ứng trên chuỗi polypeptit đợc tạo ra. Trong quá trình phiên mã, các gen xác định trình tự các bazơ nằm dọc chiều dài phân tử mARN (Hình 17.4). Trong phạm vi mỗi gen, chỉ một trong hai mạch ADN đợc phiên mã. Mạch này đợc gọi là mạch khuôn bởi vì nó cung cấp kiểu mẫu, hay khuôn mẫu, cho sự lắp ráp các nucleotit trên bản phiên mã ARN. Một mạch ADN thờng làm khuôn cho một số hoặc nhiều gen nằm dọc theo phân tử ADN; trong khi đó, mạch bổ sung với nó có thể làm khuôn cho sự phiên mã của những Hình 17.3 Tổng quan: vai trò c a phiên mã và dịch mã trong dòng thông tin di truyền. Trong tế bào, dòng thông tin di truyền đi từ ADN đến ARN rồi đến protein. Hai giai đoạn chính của dòng thông tin này là Phiên mã và Dịch mã. Hai hình ảnh thu gọn ở trên, (a) và (b), phản ánh một số đặc điểm của các quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra ở vi khu ẩn và sinh vật nhân thật đợc đề cập trong chơng này. (a) Tế bào vi khuẩn. Trong tế bào vi khuẩn, do thiếu nhân, mARN đợc tạo ra từ phiên mã đợc dùng ngay để dịch mã mà không cần biến đổi gì thêm. ADN Phiên mã Màng nhân Hoàn thiện ARN Dịch mã Phiên mã Dịch mã mARN Ribosome Polypeptide (b) Tế bào sinh vật nhân thật. Nhân tạo thành không gian tách biệt cho phiên mã. Bản phiên mã ARN đầu tiên, gọi là tiền- ARN, đợc biến đổi qua một số bớc trớc khi rời nhân ở dạng mARN hoàn thiện. Ribosome Po lypeptide ADN mARN Tiền - mARN Hình 17.4 Mã bộ ba. Với mỗi gen, chỉ một trong hai mạch ADN đợc dùng làm khuôn để phiên mã. Giống nh trong sao chép ADN, nguyên tắc kết cặp giữa các bazơ nucleotit cũng đợc dùng trong phiên mã, chỉ thay thế thymin e (T) trong ADN bằng uracil (U) trong ARN. Mỗi codon (mã bộ ba) xác định một axit amin đợc bổ sung vào chuỗi polypeptit đang kéo dài. Phân tử mARN đợc dịch mã theo chiều 5' 3'. Phân tử ADN mARN Gen 1 Mạch ADN khuôn Codon Gen 2 Gen 3 Protein Ph iên mã dịch mã Axit amin . di truyền Hình 17 .1 Tại sao một gen sai hỏng duy nhất có thể dẫn đến kiểu hình khác biệt rõ rệt ở hơu bạch tạng? Từ Gen đến Protein 1 7 .1 Khái niệ m Gen xác định protein qua phiên. phiên m 17 .4. Dịch m là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit do ARN điều khiển: Quan sát gần hơn 17 .5. Các đột biến điểm có thể ảnh hởng đến cấu trúc và chức năng protein 17 .6. Mặc dù. 325 17 .1. Gen xác định protein qua phiên m và dịch m 17 .2. Phiên m là quá trình tổng hợp ARN do ADN điểu khiển: Quan sát gần hơn 17 .3. Các tế bào sinh vật nhân thật