M ột vớ dụ tuyệt vời cho trường hợp này là bệnh hồng cầu hỡnh liềm
Sinh tổng hợp RNA và Protein
Cỏc quỏ trỡnh tỏi bản DNA và phiờn mó ngược ở bộ gene RNA của một số virus đó được xem xột ở chương trước. Trong chương này, chỳng ta sẽ lần lượt tỡm hiểu về protein và cỏc quỏ trỡnh biểu hiện gene nhằm hoàn tất những hiểu biết cơ bản về cỏc nguyờn lý di truyền ở cấp độ phõn tửđược nờu ra ở sơđồ bờn dưới, đú là: (i) sinh tổng hợp RNA hay phiờn mó (transcription) và sơ lược về sửa đổi sau phiờn mó; (ii) cấu trỳc và chức năng của protein; (iii) bản chất của mó di truyền; (iv) sinh tổng hợp protein hay dịch mó; và (v) sựđiều hoà sinh tổng hợp protein ở vi khuẩn.
I. Sinh tổng hợp RNA (Phiờn mó)
1. Đặc điểm chung của phiờn mó
Phiờn mó (transcription) là quỏ trỡnh tổng hợp cỏc RNA khỏc nhau từ
thụng tin di truyền chứa đựng trong DNA. Trừ cỏc gene mó húa protein trong cỏc operon ở vi khuẩn, núi chung, cỏc RNA mới được tổng hợp chỉ là cỏc bản sao sơ cấp (primary transcript) gọi là cỏc pre-RNA. Cỏc pre-RNA này phải trải qua một quỏ trỡnh sửa đổi để trở thành cỏc RNA trưởng thành (mature) trước khi tham gia vào quỏ trỡnh sinh tổng hợp protein của tế bào.
Hỡnh 6.1 Sự tổng hợp RNA trờn một sợi khuụn của gene (DNA) dưới tỏc dụng của RNA polymerase.
Quỏ trỡnh phiờn mó DNA cỏc đặc điểm chung sau đõy (hỡnh 6.1). (i) Diễn ra dưới tỏc dụng của cỏc enzyme RNA polymerase.
(ii) Vựng DNA chứa gene được mở xoắn cục bộ, và chỉ một sợi đơn gọi là sợi cú nghĩa (sense strand) được dựng làm khuụn (template) cho tổng hợp RNA.
(iii) Phản ứng tổng hợp RNA diễn ra theo nguyờn tắc bổ sung và được kộo dài theo chiều 5'→3', ngược với chiều của sợi khuụn như sau:
Sợi khuụn: 3'-A-T-G-C-5' Sợi RNA: 5'-U-A-C-G-3'
(iv) Nguyờn liệu cho tổng hợp là bốn loại ribonucleoside triphosphate: ATP, UTP, GTP và CTP.
(v) Sản phẩm của phiờn mó là cỏc RNA sợi đơn (single RNAs).
(vi) Sự khởi đầu và kết thỳc phiờn mó phụ thuộc vào cỏc tớn hiệu điều hoà là cỏc trỡnh tự DNA đặc thự nằm trước và sau gene được phiờn mó. (vii) Quỏ trỡnh phiờn mó cú thể chia làm ba bước: Mởđầu (initiation) là sự tương tỏc giữa RNA polymerase với vựng promoter nhằm xỏc định sợi khuụn của gene và tổng hợp vài nucleotide; Kộo dài (elongation) là giai đọan sinh trưởng tiếp tục của chuỗi RNA dọc theo sợi khuụn cho đến cuối gene; và Kết thỳc phiờn mó (termination) đặc trưng bằng sự giải phúng sợi RNA và RNA polymerase ra khỏi khuụn DNA.
2. Cỏc RNA polymerase ở prokaryote và eukaryote
Bảng 6.1 Cỏc thành phần cấu trỳc của RNA polymerase prokaryote Tiểu đơn vị Số lượng Vai trũ
α 2 chưa rừ
β 1 hỡnh thành liờn kết phosphodiester
β' 1 bỏm khuụn DNA
σ 1 nhận biết promoter và xỳc tiến khởi đầu phiờn mó
α2ββ'σ ↔ α2ββ' + σ
Holoenzyme Lừi enzyme Yếu tố sigma
Ở cỏc prokaryote, đại diện là E. coli, RNA polymerase hoàn chỉnh
(holoenzyme) là một protein nhiều tiểu đơn vị, gồm hai phần chớnh là yếu tố sigma (σ) và lừi enzyme. Yếu tố sigma (sigma factor) giỳp cho RNA polymerase nhận biết và bỏm chặt vào promoter để cú thể bắt đầu phiờn mó tại vị trớ chớnh xỏc, và lừi enzyme (polymerase core) đúng vai trũ chớnh
trong tổng hợp sợi RNA. Tất cả cỏc lớp RNA ở E. coliđều được phiờn mó bởi chỉ một RNA polymerase (Bảng 6.1).
Ở cỏc eukaryote, cú ba loại RNA polymerase I, II và III với sự phõn bố
và chức năng chuyờn húa khỏc nhau đối với bộ gene trong nhõn, như sau:
RNA polymerase I ở trong hạch nhõn (nucleolus) phiờn mó phức hợp gene rRNA cho sản phẩm gồm cỏc rRNA 18S, 28S và 5,8S; RNA polymerase II
cú trong dịch nhõn (nucleoplasm) phiờn mó cỏc gene mó húa protein cho sản phẩm là cỏc hRNA - tiền chất của cỏc mRNA và cả gene cho cỏc kiểu snRNA; RNA polymerase III cú trong dịch nhõn phiờn mó cỏc gene tRNA, rRNA 5S, và cả snRNA U6. Ngoài ra, RNA polymerase ty thể ở trong ty thể và chịu trỏch nhiệm tổng hợp tất cả cỏc RNA của ty thể (Bảng 6.2).
Bảng 6.2 Cỏc RNA polymerase của người
Polymerase Định khu Sản phẩm
RNA polymerase I hạch nhõn cỏc rRNA 18S, 28S và 5,8S
RNA polymerase II dịch nhõn cỏc hnARNA/mRNA,
cỏc snRNA U1, U2, U3, U4, U5
RNA polymerase III dịch nhõn cỏc tRNA, RNA 5S,
snRNA U6, RNA 7S (hay 7SL)
RNA polymerase ty thể ty thể tất cả cỏc RNA của ty thể
Độ mẫn cảm của cỏc RNA polymerase nhõn với α-amanitin* (* Đõy là một octapeptide vũng từ nấm độc Amanita phalloides)
RNA polymerase I khỏng
RNA polymerase II độ mẫn cảm cao (bỏm với K = 10-8M)
RNA polymerase III độ mẫn cảm thấp (bỏm với K = 10-6M)
3. Cơ chế phiờn mó ở prokaryote và eukaryote
3.1. Cỏc promoter ở cỏc prokaryote và eukaryote
Cỏc vựng khởi động (promoter) núi chung nằm kề trước gene và cú chứa cỏc đoạn trỡnh tựđặc thự cho phộp RNA polymerase nhận biết và bỏm chặt vào để khởi đầu phiờn mó tại vị trớ chớnh xỏc trờn sợi khuụn của gene. Vấn
đề này tương đối phức tạp ở cỏc eukaryote, vỡ vậy ở đõy ta chỉ xột cỏc promoter của cỏc gene mó húa protein mà khụng đề cập cỏc loại promoter của cỏc gene mó húa cỏc RNA khỏc. Cỏc promoter của cỏc gene mó húa protein eukaryote và của operon vi khuẩn núi chung cú cấu trỳc khỏ tương
TATA (TATA box) hay hộp Pribnow (Pribnow box). Đối với vi khuẩn, đú là trỡnh tự TATAAT (hoặc tương tự như thế) nằm ở vị trớ "-10'' (hỡnh 6.2a); cũn đối với cỏc gene mó húa protein của eukaryote, đú là trỡnh tự TATAAA nằm gần vị trớ "-30" và nú đặc trưng riờng cho cỏc RNA polymerase II. * Lưu ý: Tất cả cỏc trỡnh tự tớn hiệu đều được quy ước trờn sợi đối khuụn của gene, vỡ cú trỡnh tự giống với RNA được tổng hợp (chỉ khỏc là base T trong gene được thay bởi U trong RNA). Cỏc ký hiệu dấu '−' và '+' chỉ cỏc vị trớ nằm trước và sau vị trớ bắt đầu phiờn mó, hay cũn gọi là cỏc yếu tố ngược dũng (upstream) và xuụi dũng (downstream).
Ngoài ra, trong cỏc promoter vi khuẩn cũn cú trỡnh tự TTGACA ở gần vị trớ ''-30'', gọi là đoạn nhận biết (recognition sequence). Đối với cỏc gene mó húa protein eukaryote, nằm phớa trước điểm bắt đầu phiờn mó chừng 75 nucleotide cú trỡnh tự GGCCAAATCT, thường được gọi là hộp CCAAT
(CCAAT box) - đọc là "hộp cat"; nú đúng vai trũ điều hũa tốc độ phiờn mó.
(a) Cấu trỳc promoter của prokaryote
5’ PuPuPuPuPuPuPuPu AUG Vựng khởiđộng (promoter) +1 +20 -7 -12 -31 -36 5’ mRNA mRNA TTGACA AACTGT vù ng - 35 TATAAT ATATTA vù ng -10 84 79 53 45% 82 T T G 64 A C A 79 T 44 T 96% T 95 A 59 A 51 A ---Trình tự điều hoà--- -30 -10 vịtríbắt đầu phiê n mã Hộp Pribnow +1 [ ] (b) Cấu trỳc promoter của eukaryote Promoter eukaryote Cỏc nhõn tố phiờn mó đặc thự - DNA TBP (protein bỏm-TATA)
Hỡnh 6.2 Cấu trỳc cỏc promoter của prokaryote (a) và eukaryote (b).
RNA polymerase nhất định, được gọi là cỏc trỡnh tự điều hũa (consensus sequences). Cỏc đột biến thay thế base tại cỏc hộp TATA, nghĩa là làm cho nú bớt giống với trỡnh tựđược bảo tồn (vớ dụ, TATAAT → TGTAAT) do
đú sẽ làm yếu khả năng phiờn mó của promoter (down mutation). Ngược lại, cỏc đột biến làm cho cỏc trỡnh tự promoter trở nờn giống với cỏc trỡnh tự điều hũa (vớ dụ, TATCTT→ TATAAT), sẽ làm mạnh khả năng phiờn mó của promoter (up mutation).
3.2. Cỏc giai đoạn của quỏ trỡnh phiờn mó
Ởđõy chỉđề cập một mụ hỡnh đơn giản về quỏ trỡnh phiờn mó ởE. coli. - Giai đoạn bỏm và khởi đầu: Trước tiờn, enzyme RNA polymerase hoàn chỉnh (holoenzyme) nhận biết và bỏm chặt vào promoter sẽ thỏo xoắn một vựng cú kớch thước khoảng 12 cặp base. Sau khi RNA polymerase hoàn chỉnh tổng hợp được một vài nucleotide, nhõn tố sigma tỏch ra để đi vào một chu kỳ phiờn mó khỏc, gọi là chu kỳ sigma (sigma cycle).