Chương 2 HỆ GEN - ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA GEN
2.3. Hoạt động của gen
2.3.2. Quá trình phiên mã
Quá trình phiên mã (transcription) là quá trình tổng hợp phân tử Ribonucleic axit (RNA) từ khuôn là một mạch của phân tử Deoxyribonucleic acid (DNA)
Mặc dù bản chất hóa học của 2 quá trình sinh tổng hợp DNA và RNA rất giống nhau nhưng chúng lại mang những ý nghĩa sinh học chuyên biệt. Quá trình sinh tổng hợp DNA (sự sao chép) có tính ổn định cao, đảm bảo việc truyền đạt nguyên vẹn bộ gen. Trong khi đó, sự sinh tổng hợp RNA (sự phiên mã) lại liên quan đến tính đa dạng và biến động trong sự biểu hiện các tính trạng di truyền. Phần lớn biểu hiện của các gen được kiểm tra và điều hòa ở mức độ phiên mã và mọi giai đoạn của quá trình phiên mã đều có thể chịu sự biến đổi. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình này đã được thiết lập dựa vào nghiên cứu trên prokaryote nhưng dường như các nguyên tắc này phổ biến cho cả eukaryote. Tuy nhiên, do những khác biệt về cấu trúc (bộ gen của eukaryote được bao bọc trong nhân trong khi ở prokaryote bộ gen nằm tự do trong tế bào chất) và do những khác biệt về hệ enzyme nên sự phiên mã ở prokaryote và eukaryote cũng có những sai khác nhất định.
2.3.1.2. Phiên mã ở prokaryote a. Các thành phần tham gia:
- DNA khuôn (gen)
42 - NTP: 4 loại (ATP, GTP, CTP, UTP)
- RNA polymease: Chỉ có 1 loại RNA polymease tổng hợp cả 3 loại RNA:
mRNA, rRNA, tRNA. Có 5 tiểu đơn vị: β’, β, σ, α và ω trong đó 4 tiểu đơn vị β’, β , α ,ω tạo thành lõi enzyme cần thiết cho hoạt động của polymease. Lõi enzyme kết hợp với nhân tố σ tạo thành holoenzym.Ở E.coli,RNA-polymerasecó hệ số lắng 11S-13S và khối lượng phân tử 500.000 dalton
Hình 2.6 . Enzyme RNA- polymerase
Nhân tố σ đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp RNA, nó giúp cho enzyme lõi có thể khởi đầu tổng hợp RNA tại những điểm đặc thù - gọi là điểm khởi đầu (promotor), nếu thiếu nhân tố σ thì quá trình tổng hợp RNA sẽ xảy ra ở điểm ngẫu nhiên trên phân tử DNA.
Đoạn nhận biết (recognition sequence) gồm 35 cặp base nằm trước điểm khởi đầu promotor. Đoạn để RNA-polymerase nhận biết là đoạn gồm 7 nucleotide được gọi là hộp prinow, nằm cách điểm phiên mã 5 - 6 base.
b. Các giai đoạn của quá trình phiên mã
Quá trình phiên mã của Prokaryote bao gồm 3 bước: khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
Giai đoạn mở đầu: lõi enzyme RNA polymerase kết hợp với nhân tố σ hình thành holoenzyme gắn vào Promoter một cách lỏng lẻo, DNA tháo xoắn dần sợi đơn DNA “mở" dưới dạng tự do, làm khuôn để sinh tổng hợp RNA. 2 ribonucleotide tự do đầu tiên mang đến vị trí bắt đầu được hoạt hóa, chúng xếp hàng trên khuôn và liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester nhờ enzyme RNA polymerase, đầu 5’ của mRNA được giải phóng.
Giai đoạn kéo dài: Sau khi tổng hợp được 10Nu, nhân tố σ tách khỏi RNA polymerase. RNA polymerase di chuyển dọc sợi DNA khuôn để kéo dài chuỗi RNA theo chiều 5’3’. Enzyme chuyển dịch trên khuôn mở xoắn phía trước và tái xoắn phía sau, ribonucleotide nối tiếp, duy trì vùng mở xoắn khoảng 17 bp. Sợi RNA mới sẽ tách dần.
Giai đoạn kết thúc: Sự tổng hợp RNA tiếp tục cho đến khi polymerase gặp một tín hiệu kết thúc. Tại điểm kết thúc phiên mã, RNA được giải phóng khỏi polymerase, và enzyme dời khỏi khuôn DNA Kết thúc quá trình phiên mã.
Kết thúc phiên mã do hình thành cấu trúc kẹp tóc: Điểm kết thúc là những trình tự đặc biệt gồm: Hai trình tự đối xứng giàu GC và bổ sung cho nhau tạo cấu trúc kẹp tóc, phá vỡ phức hợp kéo dài, mở kênh thoát cho RNA khỏi phức hợp hoặc phá vỡ liên kết giữa RNA với khuôn mẫu DNA. Cuối là 8 A liên kết A – U (liên kết yếu giữa khuôn DNA và RNA)
RNA tách khỏi khuôn DNA, kết thúc phiên mã.
43 - Kết thúc phiên mã nhờ yếu tố Rho: Rho là protein hình nhẫn, gồm 5 tiểu đơn vị giống nhau. Rho chịu trách nhiệm dừng phản ứng tại những vị trí đặc hiệu có cấu trúc kẹp tóc nhưng sau đó không có chuỗi poly A. Rho có hoạt tính helicaza, làm cắt đứt liên kết giữa DNA và RNA làm dừng phản ứng tổng hợp RNA.
c. Đặc điểm
Sản phẩm của quá trình phiên mã là sợi đơn RNA.
DNA dãn xoắn cục bộ, chỉ có 1 sợi làm khuôn tổng hợp RNA và được gọi là sợi có ý nghĩa (DNA khuôn).
Nguyên liệu là các ribonucleotide triphotphas: ATP, GTP, CTP, UTP gọi chung là NTP, enzyme xúc tác là RNA-polymerase.
RNA được tổng hợp theo chiều 5'- 3', enzyme RNA – polymerase di chuyển theo chiều 3'-5' trên sợi DNA khuôn.
2.3.1.3. Phiên mã ở eukaryote a. Các loại RNA polymerase
- RNA-polymeraseI: enzyme không bị ức chế bởi a-amanitin (chất ức chế tổng hợp RNA), chuyên trách việc phiên mã các gen để tổng hợp rRNA (28S, 58S và 18S).
- RNA-polymerase II: enzyme bị ức chế bởi -amanitin, nó cần cho tổng hợp mRNA.
-RNA-polymeraseIII: enzyme bị ức chế bởi -amanitin ở nồng độ cao, phiên mã tổng hợp các tRNA4S, rRNA5S.
b. Các yếu tố phiên mã (TF)
+ Các factor kết hợp cùng RNA polymerase tạo phức nhận biết vị trí đầu tiên để phiên mã
+ Các factor bám vào vùng DNA điều khiển nằm trước vị trí đầu tiên được phiên mã.
+ Các factor làm nhiệm vụ điều khiển quá trình phiên mã.
c. Các giai đoạn của quá trình phiên mã tạo tiền mRNA (pre-mRNA) ở Eukaryote - Giai đoạn khởi động: Có sự tham gia của nhiều nhân tố khởi đầu phiên mã:
+ TFIID nhận biết và gắn vào trình tự TATAAAA (-25) trên promoter nhờ tiểu đơn vị TBP
+ TFIIA gắn vào tạo phức hợp TFIID-TFIIA
+ RNA polymerase liên kết với TFIIB và gắn vào phức hợp TFIID-TFIIA + 1ATP thủy phân giải phóng năng lượng -tách sợi DNA kép thành 2 sợi đơn + TFIIE cho phép khởi động phiên mã.
- Giai đoạn kéo dài: Được tiến hành bởi enzyme RNA polymerase II với sự tham gia của nhân tố TFIIS. RNA polymerase II đính từng nu một vào đầu OH của C3’ của đường ribose và chuỗi mRNA sẽ kéo dài từ đầu 5’ 3’.
- Giai đoạn kết thúc:Quá trình tổng hợp được dừng lại sau khi RNA polymerase vượt qua vị trí đặc biệt AATAAA (polyA: 0,5 - 2kb) mRNA lúc này là mRNA chưa hoàn thiện (pre - mRNA), cần có quá trình hoàn thiện trước khi ra tế bào chất để tham gia dịch mã.
44 d. Quá trình trưởng thành của pre - RNA
(1) Gắn chóp: khi pre mRNA đang tạo ra dài 20-30 base thì ở đầu 5'P nối thêm 7 – methyl guanosine. Bản phiên mã đầu tiên là tiền mRNA gồm cả exon và intron.
(2)Thêm đuôi poly A: một đoạn ngắn của mRNA bị cắt ra và các base adenine nối vào thành đuôi polyA.
(3) Quá trình ghép nối (Splicing): cắt rời các intron và nối các exon nhờ phức hợp ribonucleotide protein (SnRNP) của nhân, tạo cấu trúc không gian thuận tiện cho các đầu exon gần nhau và xúc tác phản ứng cắt nối hình thành RNA trưởng thành.
Quá trình cắt intron nối exon thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: RNAm được cắt chính xác tại điểm nối giữa exon 1 và đầu 5’ của intron (↓GT intron).
Bước 2: Hình thành nên liên kết 5’ 2’ phosphodiester giữa vị trí 5’ của G tại điểm cắt với nu A bảo thủ nằm gần đầu 3’ trong intron tạo cấu trúc “thòng lọng”.
Bước 3: Điểm nối giữa exon 2 và đầu 3’ của intron được cắt rời, Intron được loại ra. 2 exon nối lại với nhau bằng liên kết phosphodiester, dạng thòng lọng được giải phóng ra. Quá trình cắt nối theo đúng trật tự từ đầu 5’3’ tạo thành phân tử mRNA hoàn thiện. Từ 1 mRNA tiền thân có thể tạo ra nhiều mRNA hoàn thiện.
e. Đặc điểm của sự phiên mã ở Eukaryote
- Có 3 loại enzyme RNA polymerase tham gia tổng hợp 3 loại RNA - mRNA, rRNA và tRNA chứa thông tin ở dạng bản sao của một gen.
-Quá trình phiên mã phức tạp, ở đầu 5' của mRNA có gắn thêm1 "chóp"
(cap:chóp,chụp đèn) là 7-methyl guanosine, còn cuối mRNA có"đuôi" poliadenine dài 100-200A. Chóp – 7 methylguanosine tri photphas và đuôi poly A có tác dụng bảo vệ RNA, ngoài ra, đuôi poly A còn là tín hiệu nhận biết mã kết thúc trong quá trình dịch mã.
Bản phiên mã đầu tiên là tiền mRNA (premessage rRNA-Pre-RNA) bao gồm cả các đoạn intron và exon, sau đó các intron bị cắt bỏ tạo thành mRNA trưởng thành.