PHIÊM MÃ Ở EUKARYOTE

I. ĐẶC ĐIỂM PHIÊN MÃ Ở EUKARYOTE Quá trình phiên mã ở eukaryote cũng tương tự như quá trình phiên mã ở prokaryote. - Đều sử dụng một mạch DNA có chiều 3’ → 5’ làm khuôn để tổng hợp RNA. - Nguyên liệu dùng để trùng hợp RNA là các ribonucleotid triphosphat, gồm: ATP, UTP, GTP, CTP. - ARN polymerase tham gia xúc tác phản ứng trùng hợp RNA. - Quá trình phiên mã trải qua 3 giai đoạn: khởi sự, kéo dài và kết thúc. - Các nhân tố phiên mã tham gia giúp cho ARN polymerase tổng hợp chính xác hơn. - RNA được tổng hợp theo chiều 5’ → 3’ và theo nguyên tắc bổ sung. Tuy nhiên, quá trình phiên mã ở eukaryote phức tạp hơn quá trình phiên mã prokaryote ở các đặc điểm sau: - Ở prokaryote chỉ có 1 loại enzym RNA pol tham gia phiên mã để tổng hợp các loại RNA. Nhưng ở eukaryote có ba loại enzym ARN polymerase tham gia phiên mã tổng hợp các loại phân tử ARN khác nhau gồm enzym ARN polymerase I, enzym ARN polymerase II và enzym ARN polymerase III. - Ở pokaryote có yếu tố phiên mã là yếu tố sigma, ở eukaryote có nhiều yếu tố phiên mã và được chia thành yếu tố phiên mã chung và yếu tố phiên mã đặc hiệu. Các yếu tố phiên mã chung cần cho việc phiên mã tất cả các gene và thường được ký hiệu là TFI, TFII, TFIII đứng trước các chữ cái đơn. Số I, II, III chỉ sự tương ứng với các loại RNA pol. Các yếu tố phiên mã đặc hiệu cần cho việc phiên mã các gene nhất định trong hoàn cảnh nhất định. Ngoài ra sự kéo dài và kết thức phiên mã cũng có các yếu tố phiên mã tham gia. - Do các gen ở eukaryote phân mảnh nên mRNA vừa được phiên mã từ DNA không tham gia dịch mã ngay để hình thành protein như ở prokaryote. Các tiền mRNA được hình thành trong nhân phải chịu một số biến đổi về mặt hóa học trước khi xuất hiện trong tế bào chất dưới dạng hoạt động. Tương tự, các rRNA cũng được hình thành trong nhân dưới dạng một phân tử tiền thân 45S. Phân tử tiền thân 45S sau đó sẽ chịu nhiều biến đổi hóa học, được phân cắt thành 3 RNA hoạt động (18S, 28S, và 5,8S), rồi mới được chuyển ra tế bào chất. 1 - Do eukaryote là tế bào có nhân nên quá trình phiên mã tạo mRNA và quá trình dịch mã hình thành protein xảy ra không đồng thời như ở prokaryote. II. ENZYM RNA POLYMERASE, CÁC YẾU TỐ PHIÊN MÃ VÀ QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ Ở EUKARYOTE 1. Enzym RNA polymerse Thành phần cấu trúc enzym ARN polymerase ARN pol I ARN pol II ARN pol III RPA1 RPB1 RPC1 RPA2 RPB2 RPC2 RPC5 RPB3 RPC5 RPC9 RPB11 RPC9 RPB6 RPB6 RPB6 [+ 9 chuổi khác] [+ 7 chuổi khác] [+ 11 chuổi khác] Bảng 1. Thành phần các chuỗi polypeptide của các ARN polymerase (ARN pol) Hình 1. Mô hình cấu trúc các loại enzyme ARN polymerase Hình 1. Mô hình cấu trúc các loại enzyme ARN polymerase 2 Trong đó mỗi enzym ARN polymerase có vai trò và vị trí khác nhau trong nhân tế bào (Bảng 2) 3 loại RNA polimerase Vị trí Sản phẩm RNA polimerase I Hạch nhân rRNA18S, 28S, 5,8S RNA polimerase II Dịch nhân - mRNA - snRNA U1, U2, U3, U4, U5 RNA polimerase III Dịch nhân - tRNA, RNA 5S - snRNA U6, RNA 7S Bảng 2. Ba loại enzyme RNA polymerase, vị trí và sản phẩm 2. Các nhân tố phiên mã của RNA pol II và quá trình phiên mã các mRNA do RNA pol II xúc tác a. Cấu trúc gen mã hóa protein ở eukaryote. Gen mã hóa cho protein ở eukaryote bao gồm 3vùng: vùng 5’ kiểm soát biểu hiện gen Hình 2. Cấu trúc của gen mã hóa cho protein ở eukaryote 3  Vùng 5’ kiểm soát biểu hiện gen. Vùng này bao gồm các trình tự nucleotide điều hòa biểu hiện gen và hoạt hóa sự phiên mã, bao gồm: promoter và trình tự tăng cường(enhancer) + Promoter: là những trình tự định vị ở đầu 5’ không dịch mã của gen có chức năng xác định vị trí bắt đầu phiên mã, kiểm soát số lượng mRNA. Promoter của phần lớn gen mã hóa protein thường gồm khoảng 200 bp (đôi khi dài hơn) nằm ngược dòng kể từ vị trí bắt đầu phiên mã (+1) và mang một số trình tự (còn gọi là yếu tố trình tự). Promoter được chia làm 2 vùng chính: vùng lõi promoter và vùng biên promoter. - Vùng lõi promoter gồm các yếu tố trình tự tác động gần, điều khiển việc bắt đầu phiên mã đúng vị trí của RNA pol. Vùng này thường có kích thước khoảng 50 bp nằm ngược dòng và sát điểm bắt đầu phiên mã. Vùng lõi promoter điển hình gồm có 2 trình tự: trình tự ngắn kí hiệu là Inr, nằm ngược dòng vùng mã hóa của gen và mở rộng tới vị trí bắt đầu phiên mã; hộp TATA thường nằm ở vị trí -30, có một trình tự liên ứng điển hình gồm 7 nucleotid là [5’-TATAAAA-3’]. Các yếu tố trình tự Inr và TATA có vai trò giúp RNA nhận ra promoter và bắt đầu phiên mã chính xác (tại đúng vị trí +1). - Các yếu tố vùng biên promoter thường nằm ngược dòng hợp TATA, trong khoảng từ vị trí -50 đến -200 (kể từ vị trí +1). Trong nhóm này có thể có hộp CAAT có trình tự liên ứng [CAAT] thường ở vị trí -75, và hộp GC có trình tự liên ứng [GGGCGG] thường ở vị trí -90. Cả 2 hộp CAAT và GC đều có thể biểu hiện chức năng theo cả 2 4 chiều (nghĩa là dù nó cùng chiều phiên mã hay ngược lại nhưng RNA pol đều nhận ra). Ngoài ra còn có vùng AP1 và Octamer là những trình tự trước gen (thuộc vùng biên) + Trình tự tăng cường phiên mã (enhancer) cần thiết để gen được biểu hiện ở mức tối đa. Các enhancer có thể nằm ngược dòng, xuôi dòng thậm chí nằm trong trình tự mã hóa của gen, nhưng vị trí phổ biến là nằm ngược dòng gen. Các enhancer thường mang một chuỗi các đoạn DNA ngắn, trong đó có một số giống với các yếu tố trình tự của promoter. Trong quá trình phiên mã, các yếu tố phiên mã chung cho RNA pol II (TFII factors) bám vào vùng promoter. Vài yếu tố phiên mã đặc hiệu cũng bám vào vùng promoter, số khác bám vào vùng tăng cường.  Vùng được phiên mã Bao gồm các exon và intron nằm xen kẽ. Đây là một đặc điểm để phân biệt với gen của prokaryote. Các exon và intron đều được phiên mã nhưng chỉ có các exon là được dịch mã. Các intron được bắt đầu bằng GT và kết thúc bằng AG. Các intron chiếm phần lớn trong mỗi gen và chúng sẽ được loại bỏ khỏi RNA mới được tổng hợp, còn các exon được nối với nhau để tạo nên mRNA hoàn chỉnh (mature mRNA). Ở hai đầu của vùng được phiên mã (coding region) còn có vùng 5’ không dịch mã (5’ untranslation region) và vùng 3’ không dịch mã (3’ untranslation region). Vùng 5’ không dịch mã được tính từ vị trí bắt đầu phiên mã cho đến codon khởi đầu ATG. Vùng 3’ không dịch mã bắt đầu từ codon kết thúc đến vị trí gắn đuôi poly(A).  Vùng 3’ không dịch mã Chức năng chưa rõ, ở một số gen vùng này mang các trình tự điều hòa chuyên biệt. b. Các nhân tố phiên mã của RNA pol II 5 ● Các nhân tố khởi đầu - TFIID (TBP và các TFA) yếu tố vị trí nhận biết và gắn vào trình tự TATA. - TFIIA nhân tố gắn kết và ổn định TFIID trên DNA. - TFIIB nhân tố gắn kết và ổn định TFIID trên DNA. - TFIIF yếu tố liên kết với enzym ARN polymerase II và hoạt động helicase và do đó có vai trò vào sự duỗi xoắn của DNA ở các Promoter để lộ ra sợi mẫu. - TFIIH có một số hoạt động, bao gồm một ATPase, helicase, và kinase hoạt động mà có thể phosphorylate và kích hoạt PoII RNA, nó cũng tham gia vào sửa chữa DNA bị hư hại. - TFIIE nhân tố cảm ứng TFIIH vào phức hợp khởi đầu phiên mã Và các nhân tố khác SRB-Mediator , SRB10-CDK, SWI/SNF COMPLEX và SAGA có nhiệm vụ phép bắt đầu phiên mã ● Các nhân tố kéo dài - CTD (carboxy terminal domain) là nhân tố liên kết với tiểu đơn vị lớn nhất của enzym ARN polymerase II, kích hoạt enzym ARN polymerase II chuyển dịch qua promoter và phiên mã. CTD bao gồm 52 lần lặp đi lặp lại của chuỗi axit amin Y-S-P-T-S- P-S. Ser5 là vị trí phosphoryl hóa bởi hoạt động kinase của TFIIH - DSIF là nhân tố kéo dài phiên mã tạm dừng - NELF cũng là một nhân tố khác kéo dài phiên mã tạm dừng, cho phép các enzym capping tham gia và sửa đổi đầu 5 'của chuổi ARN đang tổng hợp. 6 - P-TEFb (một kinase) một yếu tố kéo dài thứ ba tham gia, có vai trò phosphoryl CTD và NELF, trung hòa chúng. P-TEFb phosphoryl CTD tại Ser2 - TFIIS nhân tố phiên mã bổ sung, tham gia kéo dài phiên mã. ● Các nhân tố kết thúc - Nhân tố TTF1 liên kết và gấp khúc vị trí kết thúc đầu 3’ của chuỗi sao chép. - Nhân tố PTRF giải phóng bản sao chép. c. Quá trình phiên mã các mRNA do RNA pol II xúc tác. ● Khởi sự RNA pol II bắt đầu phiên mã nhờ các nhân tố phiên mã có bản chất protein. Trước tiên nhân tố TFIID nhận biết và gắn vào trình tự TATA. Tiếp theo là việc gắn thêm nhân tố TFIIA. Lúc đó, RNA pol II liên kết với TFIIB, gắn vào phức hợp TFIID – TFIIA. Một phân tử ATP được thủy giải tạo năng lượng dùng để tách 2 mạch DNA, phức hợp được “mở”. Nhân tố TFIIE liên kết vào phức hợp khởi động phiên mã. Và cuối cùng các nhân tố SRB-Mediator , SRB10-CDK, SWI/SNF COMPLEX và SAGA liên kết vào phức hợp và cho phép bắt đầu phiên mã. 7 Các vùng trước gene (vùng biên) là các vị trí nhận biết cho các yếu tố phiên mã đặc hiệu. Những yếu tố này thường tiếp xúc với bộ máy phiên mã thông qua TFIID, TFIIB hay TFIIA, mà không trực tiếp chạm vào RNA pol II. Phổ biến nhất là việc bám vào TFIID. Việc bám vào các yếu tố phiên mã đặc hiệu giúp lắp ráp bộ máy phiên mã và do đó tăng tần suất khởi đầu phiên mã. Các trình tự tăng cường thực hiện chức năng đúng như tên của chúng – chúng tăng cường khởi đầu phiên mã khi bám vào các yếu tố phiên mã đặc thù. 8 ● Giai đoạn kéo dài Việc giải phóng RNA pol II khỏi promoter và kéo dài RNA cần có sự hỗ trợ của TFIIS. Đặc biệt TFIIH phải được phosphoryl hoá phần đuôi của RNA pol II trước khi nó có thể di chuyển. Phần đuôi, hay CTD (carboxy-terminal domain), gồm một trình tự 7 amino acid (Tyr Ser Pro Thr Ser Pro Ser) lặp lại khoảng 52 lần. Trình tự này có thể được phosphoril hoá ở các đuôi serine hay threonine. Tất cả phức hệ TFII (trừ TFIIH) được bỏ lại phía sau khi RNA pol II di chuyển đi. Các NTP bổ sung toàn bộ gen tạo tiền mRNA. RNA polymerase II nối các ribonucleotide vào đầu 3’của sợi RNA đang được hình thành. Chuỗi DNA ở vùng phiên mã sau khi tháo xoắn, tách hai mạch, phơi đoạn DNA khuôn ra để phiên mã, được đóng xoắn trở lại. - DSIF và NELF tạm dừng này cho phép các enzym capping tham gia và sửa đổi các đầu 5 'của chuổi ARN đang tổng hợp. - P-TEFb (một kinase) một yếu tố kéo dài thứ ba tham gia, có vai trò phosphoryl CTD và NELF, trung hòa chúng. P-TEFb phosphoryl CTD tại Ser2 9 ● Giai đoạn kết thúc Khi gặp ở trình tự kết thúc thường có RNA mới được tổng hợp hình thành cấu trúc chân vòng hay cấu trúc kẹp tóc. Nhờ nhân tố TTF1 liên kết và gấp khúc vị trí kết thúc đầu 3’ của chuổi sao chép, RNA polymerase ngừng lại, kết thúc quá trình phiên mã. Đầu 3’ của tiền mRNA sẽ kết thúc bởi một trình tự (trailer), tương ứng với phần không được dịch mã của phiên mã của exon 3’. Nhân tố PTRF giải phóng tiền mRNA. 3. Các nhân tố phiên mã của RNA pol I và quá trình phiên mã các mRNA do RNA pol I xúc tác a. Gen mã hóa cho rARN lớn ở eukaryote Các gene cho hai phân tử rRNA lớn có nhiều bản sao, ở sinh vật nhân chuẩn chúng tạo thành cụm các trình tự lặp liên tiếp. Ở người, có các cụm gene rRNA trên 5 nhiễm sắc thể riêng biệt. rRNA 18S, 5.8S và 28S được phiên mã cùng nhau thành một phân tử RNA đơn (45S RNA) trước khi được cắt ra thành ba phân tử rRNA. Giữa các đơn vị phiên mã này là vùng đệm không được phiên mã. Ở các tế bào nhân chuẩn, gene rRNA có RNA pol riêng để phiên mã ra chúng, RNA pol I. b. Các nhân tố phiên mã của enzym ARN polymerase I ● Các nhân tố khởi đầu - Nhân tố UBF1 (upstream binding factor 1) là một polypeptide đơn, có vai trò là nhân tố kết nối ngược dòng. - Nhân tố SL1 chọn lọc, gồm 4 polypeptide: + Một trong số đó là TBA (TATA binding protein), TBA cũng cần cho enzym ARN polymerase II và enzym ARN polymerase III. 10 [...]... giống với tố phiên mã của enzym ARN polymerase I và tố phiên mã của enzym ARN polymerase II) b Quá trình phiên mã các rARN do enzym ARN polymerase III xúc tác Gồm 3 loại: ● Loại 1: Phiên mã tạo rRNA 5S - Các trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) trên gene Vùng khởi động của rRNA 5S gồm hộp C cách điểm khởi đầu phiên mã 81 – 99 bp và hộp A (5’-TGGCNNAGTGG- 3’) cách điểm bắt đầu phiên mã khoảng 50 – 65... 3’), mã hóa cho vòng D và TῳC 15 - Lắp ráp phức hợp khởi đầu phiên mã - TFIIIC liên kết với cả hộp A và hộp B trên vùng khởi động, là yếu tố xác định vị trí bắt đầu liên kết TFIIIB - TFIIIB liên kết với 50 bp trước hộp A, cho phép enzyme RNA polymerase III liên kết và dịch mã c Dạng 3: phiên mã tạo snRNA - Các trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) trên gene + Vùng khởi động phía trước vị trí khởi sự... hợp khởi đầu phiên mã + TFIIIA liên kết với hộp C + TFIIIC liên kết với hộp A và bao trùm cả yếu tố TFIIIA + Tiếp đến TFIIIB tiến vào và liên kết với AND trước vị trí bắt đầu phiên mã + Sau đó enzym ARN polymerase III liên kết vào vị trí bắt đầu phiên 14 ● loại 2: phiên mã tạo tRNA - Các trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) trên gene Vùng khởi động phiên mã tARN nằm sau vị trí bắt đầu phiên mã là... sự phiên mã + TATA là trình tự chủ yếu cần cho sự phiên mã, + TBP và các protein nối với nó xác định vị trí chính xác cho enzyme RNA polymerase III ở điểm khởi sự phiên mã Oct và PSE làm tăng hiệu quả phiên mã 16 - Lắp ráp phức hợp khởi đầu phiên mã + SNAPc (snRNA Activating Protein complex) (cũng gọi là PBP và PTF) liên kết với các PSE ( Proximal Sequence Element) cách vị trí bắt đầu phiên mã khoảng... tốc độ quá trình phiên mã và ngăn chặn tạm dừng của enzym ARN polymerase I - Nhân tố Topl cũng là nhân tố kéo dài quá trình phiên mã ● Các nhân tố kết thúc - Nhân tố TTF1 liên kết và gấp khúc vị trí kết thúc đầu 3’ của chuổi sao chép - Nhân tố PTRF giải phóng bản sao chép c Quá trình phiên mã các rARN do enzym ARN polymerase I xúc tác ● Khởi đầu - Các trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) trên gene... Vùng trung tâm (lõi) khởi đầu phiên mã (core) chứa cả điểm bắt đầu phiên mã có vị trí từ -31 đến +6 + Vùng điều khiển ngược dòng hay yếu tố kiểm soát trước gene UCE (upstream control element) có vị trí từ -180 đến -107 và cách điểm bắt đầu phiên mã khoảng 100 bp Hai vùng này giống nhau khoảng 80% - 90% về trình tự và đều giàu GC Nhìn chung các vị trí xung quanh điểm bắt đầu phiên mã có xu hướng giàu AT... chép - Nhân tố PTRF giải phóng bản sao chép 12 13 5 Các nhân tố phiên mã của enzym ARN polymerase III và quá trình phiên mã các mRNA do enzym ARN polymerase III xúc tác a Các nhân tố phiên mã của enzym ARN polymerase III ● Các nhân tố khởi đầu - TFIIIA là nhân tố lắp ráp nối vào hộp A Nhân tố này là cần thiết chỉ dành cho các gen phiên mã các rRNA 5S - TFIIIB nhân tố này có ba tiểu đơn vị, trong đó có... và kích thích các yếu tố phiên mã Pol II Oct1 và STAF liên kết với yếu tố kiểm soát thượng nguồn DSE ( Distal Sequence Element) ít nhất 200 bp phía trước vị trí bắt đầu phiên mã Những yếu tố này và các promoter được sử dụng cho enzym ARN polymerase II và enzym ARN polymerase III phiên mã gen snRNA + SNAPc lắp ráp TFIIIB tại hộp TATA cách vị trí phía trước bắt đầu phiên mã 26 Sự hiện diện của một hộp... trí phía trước bắt đầu phiên mã 26 Sự hiện diện của một hộp TATA cho phép các gene được phiên mã snRNA bởi enzym ARN polymerase III hơn là enzym ARN polymerase II + Các TFIIIB phiên mã U6 snRNA chứa một paralogue nhỏ Brf1, Brf2 + TFIIIB là yếu tố liên kết enzym ARN polymerase III tại vị trí bắt đầu phiên mã ● Kéo dài Tương tự như giai đoạn kéo dài của enzym ARN polymerase I và enzym ARN polymerase... đầu 3’ tự do được gắn đuôi poliA bởi hoạt động của PAP * Chức năng của các đuôi poliA • Tăng thời gian tồn tại, tính ổn định của mARN • Tăng khả năng dịch mã của mARN • Bảo vệ đầu 3’ của mARN khỏi exonuclease c Cắt bỏ các intron và nối các exon * Gồm 2 giai đoạn: - Giai đoạn 1: nhóm 2’OH của nucleotit A ở trình tự điểm phân nhánh tương tác với liên kết photphodieste ở đầu 5’ của G thuộc trình tự GU . trình phiên mã ở eukaryote phức tạp hơn quá trình phiên mã prokaryote ở các đặc điểm sau: - Ở prokaryote chỉ có 1 loại enzym RNA pol tham gia phiên mã để tổng hợp các loại RNA. Nhưng ở eukaryote. I. ĐẶC ĐIỂM PHIÊN MÃ Ở EUKARYOTE Quá trình phiên mã ở eukaryote cũng tương tự như quá trình phiên mã ở prokaryote. - Đều sử dụng một mạch DNA có chiều 3’. phẩm 2. Các nhân tố phiên mã của RNA pol II và quá trình phiên mã các mRNA do RNA pol II xúc tác a. Cấu trúc gen mã hóa protein ở eukaryote. Gen mã hóa cho protein ở eukaryote bao gồm 3vùng: