V. Chức năng của DNA
Cấu trỳc và Chức năng của cỏc RNA
Trờn nguyờn tắc, cỏc RNA được cấu tạo từ cỏc đơn phõn là cỏc
ribonucleotide; cỏc ribonucleotide này nối kết với nhau bằng cỏc liờn kết 3',5'-phosphodiester tạo thành cỏc chuỗi polyribonucleotide - cấu trỳc sơ cấp của cỏc phõn tử RNA (nhưđó đề cập ở chương 2). Đường pentose đặc trưng của RNA là ribose, cũn thành phần base, ngoài bốn loại cơ bản adenine (A), uracil (U), guanine (G) và cytosine (C), cũn phỏt hiện khỏ nhiều dạng base hiếm cú mặt chủ yếu trong cỏc tRNA (xem mục III).
Cú ba loại phõn tử RNA cơ bản tham gia vào quỏ trỡnh sinh tổng hợp protein của cỏc tế bào, đú là: RNA thụng tin (messenger RNA, viết tắt: mRNA), RNA vận chuyển (transfer RNA, viết tắt: tRNA), và RNA ribosome
(ribosomal RNA, viết tắt: rRNA).
Núi chung, cỏc phõn tử RNA cú kớch thước bộ hơn cỏc phõn tử DNA ở
bất kỳ sinh vật cụ thể nào. Cỏc phõn tử RNA cú thể là sợi đơn hoặc sợi kộp, mạch thẳng hoặc mạch vũng nhưng phổ biến là dạng sợi đơn, thẳng (nhưng khụng thấy cú cỏc phõn tử RNA sợi kộp, vũng nào được mụ tả). Loại RNA cú hàm lượng cao nhất trong cỏc tế bào là rRNA.
Ở Bảng 4.1 cho thấy hàm lượng tương đối (%) và kớch thước (trọng lượng phõn tử - TLPT và số nucleotide) của cỏc phõn tử RNA ở vi khuẩn
Escherichia coli (E. coli).
Bảng 4.1 Cỏc phõn tử RNA ở E. coli
Loại RNA Chức năng (%) TLPT Số nucleotide
mRNA Mó hoỏ cỏc protein 5 Biến thiờn Biến thiờn
tRNA Mang amino acid 15 2,5.101
~ 75
rRNA 5S Thành phần ribosome 80 3,6.101 120
16S Thành phần ribosome 0,55.103 1542
23S Thành phần ribosome 1,2.103 2904
Ngoài ba lớp RNA chớnh (rRNA, tRNA và mRNA) vốn cũng cú mặt trong cỏc prokaryote, cỏc tế bào eukaryote cũn cú cỏc lớp RNA khỏc, như: (i) RNA dị nhõn, hnRNA (heterogenous nuclear RNA), với kớch thước sai biệt nhau rất lớn, chỳng là tiền thõn của cỏc mRNA trưởng thành sau này; (ii) cỏc RNA nhõn kớch thước bộ, snRNA (small nuclear RNA), với cỏc loại như U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7,U8, U9, U10...trong đú sỏu loại đầu
cú vai trũ quan trọng trong xử lý pre-mRNA của cỏc gene phõn đoạn; và (iii) RNA tế bào chất, scRNA (small cytoplasmic RNA) 7SL cần cho tổng hợp cỏc protein chế tiết và bỏm vào màng; và một vài RNA khỏc nữa được giới thiệu ở Bảng 4.2. Cỏc enzyme chịu trỏch nhiệm cho tổng hợp cỏc RNA này sẽđược trỡnh bày ở chương 6.
Bảng 4.2 trỡnh bày khỏi quỏt về cỏc lớp RNA cú chức năng chớnh yếu và thứ yếu trong cỏc tế bào.
Bảng 4.2 Cỏc lớp RNA chức năng chớnh và phụ Lớp RNA Chức năng
1. Cỏc lớp chớnh
mRNA RNA được phiờn mó từ cỏc gene mó hoỏ protein, mang
thụng tin cho dịch mó. Một số bản sao tương tự
mRNA khụng được dịch mó, vớ dụ XIST, H19 do cơ
chế in dấu bộ gene bố mẹ (parental imprinting).
hnRNA mRNA trước khi cắt-nối. Đú là cỏc bản sao chưa được (heterogenous nuclear RNA) sửa đổi của cỏc gene eukaryote; sở dĩ gọi như vậy bởi vỡ tớnh đa dạng lớn về kớch thước của nú so với tRNA và rRNA. tRNA Phõn tử thớch ứng (adaptor) thực hiện việc dịch mó.
tRNA cũng làm mồi cho tỏi bản DNA trong sự tỏi
bản của cỏc retrovirus.
rRNA Thành phần cấu trỳc chớnh của cỏc ribosome, cần cho quỏ trỡnh tổng hợp protein của tế bào.
2. Cỏc lớp phụ
iRNA
(initiator RNA) Cỏc trỡnh thợp DNA ự RNA ngở sợi ra chắn ậđượm (xem c dựng làm mtỏi bản, chồi cho sương 5). ự tổng
snRNA Cỏc phõn tử RNA trọng lượng phõn tử thấp phỏt hiện (small nuclear
RNA) hay U-RNA
(uridine-rich RNA)
được trong dịch nhõn, là thành phần của cỏc enzyme
cắt bỏ cỏc intron và cỏc phản ứng xử lý (processing)
khỏc; chỳng chứa nhiều gốc uridine được sửa đổi.
snoRNA
(small nucleolar RNA)
Cỏc phõn tử RNA trọng lượng phõn tử thấp phỏt hiện
được trong hạch nhõn, cú thể tham gia vào quỏ trỡnh
xử lý rRNA (RNA processing).
scRNA
(small cytoplasmic RNA)
Cỏc phõn tử RNA trọng lượng phõn tử thấp phỏt hiện
được trong tế bào chất với cỏc chức năng khỏc nhau.
Vớ dụđú là RNA 7S vốn là thành phần của tiểu phần
nhận biết tớn hiệu và pRNA (prosomal RNA), một
RNA bộ kết hợp với khoảng 20 protein và được bọc
(informosome) vốn cú tỏc dụng điều hoà sự biểu hiện của gene.
RNA telomerase Một RNA nhõn cú chứa khuụn cho cỏc đoạn lặp
telomere và là thành phần của enzyme telomerase
(xem chương 5).
gRNA (guide RNA) Một loại RNA được tổng hợp trong cỏc roi động
(kinetoplasts) ở Trypanosoma; nú cung cấp khuụn
cho biờn tập RNA (editing RNA).
antisense RNA RNA ngược nghĩa (antisense RNA) bổ sung với mRNA và cú thể tạo thành một sợi đụi với nú để kỡm hóm
việc tổng hợp protein. Loại RNA này thấy cú trong
nhiều hệ thống, nhưng rất phổ biến ở vi khuẩn; và
cũng được gọi là RNA bổ sung gõy nhiễu mRNA.
Cỏc Ribozyme Cỏc phõn tử RNA mà cú thể xỳc tỏc cho cỏc phản ứng
hoỏ học, cỏc enzyme chứa RNA (RNA enzymes).
Thụng thường nú cú hoạt tớnh tự xỳc tỏc (vớ dụ cỏc
intron tự cắt = self-splicing introns), nhưng một
ribonuclease P là một chất xỳc tỏc đớch thực (vớ dụ
xử lý tRNA: tRNA processing). Cỏc RNA khỏc hoạt
động hài hoà với cỏc protein, vớ dụ MRP
endonuclease trong tỏi bản DNA ty thể.
I. Cấu trỳc và chức năng của cỏc RNA thụng tin (mRNA)
Trong nhõn cỏc tế bào eukaryote cú cỏc RNA nhõn kớch thước lớn và sai khỏc nhau rất lớn gọi là hnRNA (heterogenous nuclear RNA) vốn là tiền thõn của cỏc mRNA, cỏc RNA nhõn kớch thước bộ snRNA (small nuclear RNA) cú mặt trong thành phần của cỏc enzyme splicing, và cỏc RNA tế bào chất kớch thước bộ scRNA (small cytoplasmic RNA).
Bảng 4.3 Độ phức tạp của cỏc lớp mRNA trong tế bào động vật cú vỳ Lớp phong phỳ Độ phong phỳ (số bản sao/ tế bào) Số lượng mRNA khỏc nhau Tổng cao 12.000 9 108.000 trung gian 300 700 210.000 thấp (hiếm) 15 11.500 172.500 Cộng 12.209 490.500
Một tế bào eukaryote điển hỡnh chứa chừng ba lớp mRNA phong phỳ
được trỡnh bày ở Bảng 4.3. Thật vậy, trong cỏc tế bào động vật cú vỳ, một vài loại mRNA thỡ hết sức phong phỳ, trong khi đú hầu như mức độ phức
tạp của mRNA (số lượng loại mRNA khỏc nhau) được đại diện bởi cỏc mRNA hiếm. Một điểm cần chỳ ý là sự biểu hiện của một gene là tỷ lệ với
độ phong phỳ của loại RNA tương ứng (một gene biểu hiện càng mạnh khi số bản sao của nú trong tế bào càng lớn).
1. Chức năng của cỏc mRNA
Cỏc mRNA là loại RNA quan trọng nhất được dựng làm khuụn trực tiếp cho quỏ trỡnh tổng hợp cỏc chuỗi polypeptide trong tế bào chất.
2. Cấu trỳc của cỏc mRNA
Nhỡn chung, cỏc mRNA cú cấu trỳc mạch thẳng, với kớch thước khỏc nhau và đều cú ba phần chớnh như sau:
5'-UTR ׀← vựng mó húa → ׀3'-UTR
(i) Vựng dẫn đầu (5'UTR) khụng được dịch mó nhưng cú cấu trỳc cần thiết cho sự bỏm vào của tiểu đơn vị ribosome bộ (Hỡnh 4.1).
[A] 5’ 5’ 3’ PuPuPuPuPuPuPuPu Trỡnh tựShine-Dalgarno (SD) AUG codon khởiđầu AAU codon kết thỳc gđược dịch mó vựn [B] m7Gppp Chúp 5’ 5’ UTR AUG codon khởiđầu vựngđược dịch mó (AAAA)n đuụi poly(A) 3’ UTR UGA codon kết thỳc 3’ AAUAAA
Hỡnh 4.1 Cấu trỳc của mRNA prokaryote (A) và mRNA eukaryote (B). Ở cấu trỳc mRNA prokaryote cho thấy: (i) vựng 5'-UTR chứa trỡnh tự Shine- Dalgarno (SD, gồm 8 base purine), vị trớ tương tỏc với vựng đặc thự giàu pyrimidine của rRNA 16S trong tiểu đơn vị ribosome bộ để khởi đầu tổng hợp protein; (ii) vựng được dịch mó được giới hạn bởi codon khởi đầu và codon kết thỳc; và (iii) vựng 3'-UTR nằm sau codon kết thỳc. Ở cấu trỳc mRNA eukaryote cho thấy rừ "mũ" m7Gppp ởđầu mỳt 5' và đuụi poly(A) ởđầu 3'.
(ii) Vựng mó hoỏ (coding region) nằm kề sau vựng 5'-UTR; nú mang thụng tin cấu trỳc của một chuỗi polypeptide, nếu là mRNA của eukaryote (monocistronic mRNA) hoặc mang thụng tin của nhiều polypeptide khỏc nhau và cỏch nhau bởi cỏc đoạn đệm khụng được dịch mó, nếu là mRNA prokaryote (polycistronic mRNA).
(iii) Vựng kộo sau (3'-UTR) nằm ởđuụi mRNA, khụng được dịch mó.
Ở hỡnh 4.1 cho thấy những điểm khỏc nhau trong cấu trỳc của cỏc mRNA ở prokaryote và eukaryote, và hỡnh 4.2 cho thấy cấu trỳc "mũ" đặc trưng cú mặt ởđầu 5' của tất cả cỏc mRNA trưởng thành ở eukaryote .
Structure of the 5’ cap
7mG = 7-methyl guanosine Triphosphate linkage 2’ ribose methylations Cấu trỳc của mũ 5' (7-methyl guanosine = 7mG) Liờn kết triphosphate
Methyl hoỏ 2'-ribose Methyl hoỏ cap 1
Methyl hoỏ cap 0
Methyl hoỏ cap 2
Hỡnh 4.2 Cấu trỳc của "mũ" (5' cap) cú mặt ở tất cả cỏc mRNA eukaryote.
3. Sơ lược cấu trỳc gene phõn đoạn eukaryote và sự sửa đổi sau phiờn mó
Như đó đề cập, trừ mRNA prokaryote ra, tất cả cỏc RNA cũn lại dự ở
pro- hay eukaryote đều phải trải qua quỏ trỡnh sửa đổi sau phiờn mó với rất nhiều cơ chế tinh vi và phức tạp khỏc nhau để tạo ra cỏc RNA trưởng thành tham gia vào quỏ trỡnh dịch mó. Để cú cỏi nhỡn hệ thống, ởđõy ta hóy tỡm hiểu đụi nột về cấu trỳc gene quan trọng nhất ở cỏc eukaryote, cỏc gene mó hoỏ protein và sự xử lý sau phiờn mó cỏc bản sao sơ cấp của chỳng. Vấn đề
này sẽđược đề cập chi tiết hơn ở chương 6.
* Về cấu trỳc của cỏc gene mó hoỏ protein ở eukaryote
Hầu hết cỏc gene mó hoỏ protein ở eukaryote là cỏc gene phõn đoạn
(split genes), nghĩa là trong vựng mó hoỏ protein của chỳng bao gồm cỏc
là cỏc intron). Sau khi phiờn mó, cỏc intron trong bản sao pre-mRNA của cỏc gene này phải được loại bỏ ngay trong nhõn cựng với một số sự kiện quan trọng khỏc. Hỡnh 4.3 cho thấy cấu trỳc của một gene điển hỡnh ở
eukaryote và một số vớ dụ về cỏc gene mó hoỏ protein trong bộ gene người.
5’ 3’
vựng khởiđộng (promoter)
cỏc exon (cỏc vựng trong hộp)
cỏc intron (giữa cỏc exon) vựngđược phiờn mó
vựngđược dịch mó mRNA trưởng thành
+1
(A) cấu trỳc gene phõnđoạn
(B) cấu trỳc của cỏc gene phõnđoạn khỏc nhau β-globin HGPRT (HPRT) toàn bộ= 1.660 bp; cỏc exon = 990 bp histone nhõn tốVIII toàn bộ= 400 bp; exon = 400 bp toàn bộ= 42.830 bp; cỏc exon = 1263 bp toàn bộ= ~186.000 bp; cỏc exon = ~9,000 bp
Hỡnh 4.3 (A) Cấu trỳc của một gene mó hoỏ protein điển hỡnh ở eukaryote và mRNA tương ứng của nú. (B) Minh hoạ cấu trỳc một số gene mó hoỏ protein trong bộ gene người. Ởđõy cho thấy một vài gene như gene histone chẳng hạn là khụng cú cỏc intron; cũn đại bộ phận gene đều cú chứa intron, vớ dụ: gene -globin cú ba exon và hai intron; gene mó hoỏ hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT hoặc HPRT) cú chớn exon và lớn hơn gene histone trờn 100 lần, tuy nhiờn mRNA của nú chỉ lớn gấp chừng ba lần mRNA histone (chiều dài toàn bộ cỏc exon là 1.263 bp); và gene của nhõn tố VIII gõy đụng mỏu cú quỏ nhiều intron (được biểu thị bằng cỏc đường kẻđứng mảnh).
* Gắn thờm "mũ" m7Gppp và đuụi poly(A)
Để trở thành mRNA trưởng thành trước khi đi ra tế bào chất làm khuụn cho dịch mó, tất cả cỏc pre-mRNA của cỏc gene mó húa protein của eukaryote đều trải qua hai sự kiện chớnh yếu trong nhõn: (i) Lắp thờm vào
đầu 5' một cỏi "mũ" 7-methylguanosinetriphosphate (m7Gppp cap; Hỡnh 4.2); và (ii) gắn thờm một cỏi đuụi poly(A) dài khoảng 150 - 200 base ởđầu 3'; ngoại trừ cỏc mRNA của histone là khụng cú đuụi poly(A). Đuụi poly(A)-3' và cả "mũ"-5' cú chức năng bảo vệ mRNA khỏi bị sớm thoỏi hoỏ, và trong nhiều trường hợp đuụi poly(A) cũn kớch thớch sự dịch mó. Đối với cỏc gene mó húa protein khụng cú cỏc intron, vớ dụ cỏc gene histone, quỏ trỡnh hoàn thiện mRNA kết thỳc tại đõy.
(a) (b)
(c)
Hỡnh 4.4 (a-b) Vi ảnh điện tử và sơ đồ minh hoạ sự lai hoỏ giữa mRNA ovalbumin trưởng thành được đỏnh dấu với sợi khuụn của gene ovalbumin thuộc DNA bị biến tớnh. Sự kết cặp bổ sung tạo thành chuỗi xoắn kộp lai RNA- DNA được biểu thị bằng cỏc đoạn mó hoỏ L và 1-7. Cỏc vựng ký hiệu A -G là cỏc intron của sợi khuụn gene, do khụng cú vựng bổ sung tương ứng trờn mRNA để kết cặp nờn chỳng xuất hiện dưới dạng cỏc vũng. (c) Cấu trỳc của gene ovalbumin, gồm đoạn mó hoỏ "leader" (L) với cỏc exon 1-7 (hàng trờn) và số lượng cặp base tương ứng (hàng dưới); xen kẽ giữa chỳng là cỏc intron.
* Loại bỏ cỏc intron và nối cỏc exon
Đối với sản phẩm phiờn mó sơ cấp của cỏc gene phõn đoạn (pre- mRNA), ngoài hai sự kiện chung núi trờn cũn cú cỏc quỏ trỡnh loại bỏ cỏc intron và nối cỏc exon với nhau gọi là splicing hay xử lý RNA (RNA processing). Vớ dụ, gene ovalbumin gồm bảy intron xen kẻ giữa tỏm exon cú độ dài 7.700 cặp base đó được E. Chambon phõn tớch trỡnh tựđầy đủ
tất cả cỏc exon trong một quỏ trỡnh gọi là xử lý RNA (RNA processing) thỡ mRNA trưởng thành cú vựng mó húa protein dài 1.872 base (hỡnh 4.5).
(d)
Hỡnh 4.5 Phiờn mó gene ovalbumin và sự tạo thành mRNA trưởng thành.
Hỡnh 4.6 Một mụ hỡnh về cơ chế cắt-nối trong quỏ trỡnh xử lý pre-mRNA.
Cú hai sự kiện chớnh liờn quan cơ chếcắt-nối (splicing) trong quỏ trỡnh xử lý pre-mRNA được túm tắt như sau (về chi tiết, xem chương 6): (1) Ở
hai đầu mỳt của mỗi intron cú hai nucleotide rất ổn định, đú là 5'- GU...AG-3'; và (2) Ở một số snRNA cú mặt trong thành phần của phức hợp enzyme cắt-nối (spliceosome) cũng cú cỏc trỡnh tự dinucleotide bổ
sung với cỏc trỡnh tự chuẩn trong intron. Cỏc trỡnh tự này của snRNA tương tỏc với cỏc đầu mỳt intron, kộo chỳng xớch lại gần nhau tạo ra cấu trỳc hỡnh vũng. Nhờ đú enzyme tiến hành loại bỏ intron và nối cỏc exon lại với nhau; và cuối cựng, tạo ra phõn tử mRNA trưởng thành (Hỡnh 4.6).
II. Cấu trỳc và chức năng của cỏc RNA vận chuyển (tRNA)
1. Chức năng của cỏc tRNA
Mỗi phõn tử tRNA cú hai chức năng chớnh là mang amino acid đó
được hoạt hoỏ và đi đến phức hệ "ribosome-mRNA" để tiến hành việc đọc dịch mó cho một codon cụ thể của mRNA.
2. Thành phần hoỏ học của cỏc tRNA
Trong thành phần nucleotide của cỏc tRNA cú khỏ nhiều base chuẩn bị
biến đổi thành cỏc base sửa đổi nhờ hoạt động xỳc tỏc của cỏc enzyme sau phiờn mó. Cỏc base này (cũn gọi là cỏc base hiếm) tập trung chủ yếu ở cỏc
vũng thõn (stem loops) như: 5',6'-dihydrouridine (DHU), inosine (I), ribothymidine (T), pseudouridine (Ψ) v.v. (Hỡnh 4.7A).
Hỡnh 4.7A Cỏc base hiếm cú mặt trong RNA, chủ yếu là cỏc tRNA.
3. Cấu trỳc của cỏc tRNA
Cú 86 tRNA ởE. coli. Hầu hết cỏc tRNA cú khoảng 75-80 nucleotide và cú cấu trỳc bậc hai mở rộng do cỏc tương tỏc cặp base (A-U và G-C) ở
một số đoạn của chỳng (Hỡnh 4.8) cũng nhưcấu trỳc bậc ba (khụng phải dạng siờu xoắn, mà nú cú kiểu uốn gập thờm nữa trong khụng gian ba
chiều). Đõy là kiểu cấu trỳc "lỏ ba thuỳ" gọn nhẹ và vững chắc phự hợp với cỏc chức năng khỏc nhau của cỏc tRNA.
Núi chung, cỏc phõn tử tRNA thường rất giống nhau ở nhiều đoạn và khỏc nhau chủ yếu ởbộ ba đối mó (anticodon). Cần lưu ý rằng, base hiếm Inosine (I) cú mặt ở vị trớ 5' của anticodon trong một số phõn tử tRNA cú thể kết cặp linh hoạt với một trong cỏc base ở vị trớ 3' (C, U hoặc A) của cỏc codon đồng nghĩa trong mRNA (Hỡnh 4.7B).
Hỡnh 4.7B Base hiếm Inosine ở vị trớ 5' của anticodon trong một số tRNA cú thể kết cặp với một trong cỏc base (C, U hoặc A) ở vị trớ 3' của cỏc codon đồng nghĩa trong mRNA.
Mỗi tRNA thường cú 3-4 vũng trờn thõn (tớnh từđầu 5') với chức năng khỏc nhau như sau:
(i) vũng DHU nhận biết aminoacyl-tRNA synthetase;
(ii) vũng anticodon đọc mó trờn mRNA bằng sự kết cặp anticodon- codon (theo nguyờn tắc bổ sung nhưng cú sự linh hoạt; xem chương 6); (iii) vũng "phụ" (extra loop) cú thể khụng cú ở một số tRNA; và
(iv) vũng TΨC nhận biết ribosome để đi vào đỳng vị trớ tiếp nhận aminoacyl-tRNA (vị trớ A).
Và cuối cựng, đoạn mạch thẳng -CCA ở đầu 3' là vị trớ gắn vào của amino acid đó được hoạt hoỏ để tạo thành cỏc aminoacyl-tRNA.
Hỡnh 4.8 Cấu trỳc bậc ba (trỏi) và bậc hai của một phõn tử tRNA.
III. Cấu trỳc và chức năng của cỏc RNA ribosome (rRNA)
1. Chức năng của cỏc rRNA
Cỏc rRNA cựng với cỏc protein đặc thự là những thành phần cấu trỳc nờn cỏc ribosome -"nhà mỏy" tổng hợp protein của tế bào (Hỡnh 4.9).
2. Cấu trỳc của cỏc rRNA và ribosome
Ở vi khuẩn cú 3 loại rRNA cú cỏc hệ số lắng là 23S, 16S và 5S, với số
lượng nucleotide tương ứng là 2904, 1542 và 120 (xem Bảng 4.1). Ở tế