IV.1. Đặc điểm chung của quá trình phiên mã
Phiên mã là quá trình tổng hợp các ARN khác nhau từ thông tin di truyền chứa đựng trong AND. Trừ các gen mã hoá protein trong các operon ở vi khuẩn, nói chung, các ARN mới được tổng hợp chỉ là các bản sao sơ cấp gọi là các pre-ARN. Các pre-ARN này phải trải qua một quá trình sửa đổi để trở thành các ARN trưởng thành trước khi tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein.
Quá trình phiên mã có các đặc điểm chung sau:
- Phản ứng tổng hợp ARN xảy ra theo nguyên tắc bổ sung, dưới tác dụng của các enzyme ARN polymerase theo chiều 5’-3’, ngược với chiều sợi khuôn ADN 3’-5’.
- Vùng ADN chứa gen phiên mã được mở xoắn cục bộ, và chỉ một sợi đơn gọi là sợi có nghĩa được dùng làm khuôn cho tổng hợp ARN.
Nguyên liệu cho tổng hợp là 4 loại nucleotid triphosphat: ATP,UTP,GTP,CTP. - Sản phẩm của phiên mã là các ARN sợi đơn.
- Sự khởi đầu và kết thúc phiên mã phụ thuộc vào các tín hiệu kiểm soát, là những trình tự nucleotid đặc thù trên ADN nằm trước và sau gen (tức ở đầu 3’ và 5’).
- Quá trình phiên mã có thể chia làm 3 bước: Mở đầu là sự tương tác giữa ARN polymerase với vùng khởi động; Kéo dài là giai đoạn sinh trưởng của chuỗi ARN dọc theo sợi khuôn; Kết thúc phiên mã đặc trưng bằng sự giải phóng sợi ARN và ARN polymerase.
IV.2. Các ARN polymerase của prokaryote và eukaryote
Ở các prokaryote, ARN polymerase hoàn chỉnh (holoenzyme) là một phức hợp gồm 6 tiểu đơn vị, trong đó có một nhân tố σ giúp cho ARN polymerase nhận biết và bám chặt vào promotor để có thể bắt đầu phiên mã tại vị trí chính xác và lõi enzyme đóng vai trò chính trong tổng hợp sợi ARN.
Ở Eukaryote, có 3 loại ARN polymerase I, II, III với sự phân bố và chức năng chuyên hoá khác nhau.
+ ARN pol I phiên mã hầu hết các gen mã hoá rARN, nằm trong hạch nhân (nhân nhỏ). ARN pol I cũng có cấu trúc tương tự như các ARN pol khác, nhưng vắng mặt đuôi C, điều
này sẽ giúp giải thích tại sao sản phẩm phiên mã của nó không bao giờ gắn mũ hay có đuôi poly (A). Và sự khác biệt này sẽ giúp tế bào phân biệt giữa ARN không mã hoá và mARN.
+ ARN pol II phiên mã tất cả gen mã hoá protein và một số gen mã hoá snARN, nằm trong dịch nhân, sản phẩm là các hnARN (tiền chất của mARN). Tiền ARN phải được chế biến sau khi tổng hợp bởi việc hình thành mũ, gắn đuôi poly (A) và cắt intron ở trong nhân trước khi đi ra tế bào chất để tham gia tổng hợp protein.
+ ARN pol III nằm trong nhân có vai trò trong việc tổng hợp tARN, tiền 5S rARN, các snARN và các ARN nhỏ khác
Bên cạnh những enzym trong nhân, tế bào eukaryote chứa những polymerase bổ sung trong ty thể và lạp thể.
IV.3. Các promoter của prokaryote và eukaryote
Nói chung các vùng khởi động (promoter) nằm kề trước gen và có chứa các đoạn trình tự đặc thù cho phép ARN polymerase nhận biết và bám chặt vào để khởi đầu phiên mã tại vị trí chính xác trên sợi khuôn của gen. Vấn đề này tương đối phức tạp ở các eukaryote. Ở đây chỉ đề cập đến các promoter của các gen mã hoá protein. Các promoter của các gen mã hoá protein eukaryote và của operon vi khuẩn nói chung có cấu trúc khá tương đồng nhau. Đoạn trình tự quan trọng nhất của promoter là hộp TATA hay còn gọi là hợp pribnow. Ở vi khuẩn, trình tự này nằm ở đoạn trình tự -10, còn ở eukaryote, nó là đoạn trình tự TATAAA nằm ở đoạn trình tự -30 và mang nét đặc trưng riêng cho ARN polymerase II. Riêng ở vi khuẩn, trong cấu trúc của promoter còn có đoạn trình tự TTGACA ở gần vị trí -35 là đoạn nhận biết. Còn ở Eukaryote, ở gần vị trí -75 còn có một đoạn trình tự gọi là hộp CAT đóng vai trò điều hoà tốc độ phiên mã và một số các vùng khác được bảo tồn cao và đặc thù cho từng loại ARN polymerase nhất định gọi là các trình tự liên ứng.
IV.4. Các giai đoạn của quá trình phiên mã (Xét ở E.coli)
Hình 2.6. Các giai đoạn chính của quá trình phiên mã
- Giai đoạn bám và khởi đầu (binding and intiation): nhân tố σ kết hợp vào lõi ARN polymerase giúp phức hệ holoenzyme nhận biết và bám vào vùng khởi động, làm tháo xoắn một đoạn chừng 12bp và bắt đầu tổng hợp độ vài nucleotid tại vị trí chính xác. Sau đó nhân tố σ tách ra để đi vào một chu kỳ phiên mã khác.
- Giai đoạn kéo dài (elongation): Lõi ARN polymerase thực hiện việc trùng hợp hoá kéo dài sợi ARN dọc theo sợi khuôn 3’-5’ được mở lộ ra. Vùng ADN đã được phiên mã đóng xoắn trở lại như ban đầu.
- Giai đoạn kết thúc(termination): Khi quá trình phiên mã đạt tới điểm cuối của gen, nhân tố protein nusA cùng với lõi enzym phiên mã đoạn tín hiệu kết thúc. Phản ứng kết thúc xảy ra khi vùng giàu cặp GC và AT của phần đuôi ARN hình thành cấu trúc nút cài tóc. Sau đó dưới tác dụng của nhân tố protein rho(ρ), sợi ARN và enzym lõi được phóng thích ra khỏi ADN khuôn.
Ngoại trừ các mARN của prokaryote, tất cả các ARN còn lại đều phải trải qua giai đoạn sửa đổi sau phiên mã để tạo ra các ARN trưởng thành tham gia vào quá trình dịch mã. Ở eukaryote, quá trình này xảy ra trong nhân. Để trở thành phân tử mARN trưởng thành trước khi đi ra tế bào chất làm khuôn cho dịch mã, tất cả các pre-mARN của các gen mã hoá cho protein khác nhau ở tế bào eukaryote đều được gắn mũ là 7-metylguanosinetriphosphate (m7Gppp) vào đầu mút 5’ và đuôi poly (A) vào đầu mút 3’. Đối với các gen phân đoạn còn có thêm quá trình xử lý ARN gồm quá trình cắt và nối các đoạn intron (đoạn không mang trình tự mã hoá protein) – exon ( đoạn mang trình tự mã hoá protein) dưới tác dụng của enzyme splicing.
IV.4.1. Gắn mũ m7Gppp vào đầu 5’
Khi ARN được tổng hợp khoảng 20-30 nucleotide, đầu 5’ rời khỏi ADN với một đầu triphotphat, (là một dãy ba nhóm photphat liên kết với nhau) sẽ được nối thêm một “cái mũ”
7-methyl-guanin . Cấu trúc mũ có thể là m7GpppNpN, trong đó m chỉ nhóm methyl, 7 là vị trí nhóm methyl trên bazơ G, ppp chỉ nhóm triphotphat, NpN là các nucleotid ở đầu của ARN.
IV.4.2. Hình thành đuôi poly (A)
Ở đầu 3’ của hầu hết các gen mã hoá protein eukaryote có chứa trình tự AATAAA là tín hiệu cho việc gắn đuôi poly (A) vào đầu 3’ của mARN.
IV.4.3. Sự cắt nối pre-mARN của các gen phân đoạn
Con đường cắt-nối các gen phân đoạn mang tính đặc thù cho từng mô ở các eukaryote bậc cao. Phản ứng cắt bỏ intron ra khỏi mARN đòi hỏi sự tham gia của một số phân tử snARN và protein khác nhau, trong đó snARN liên kết với protein tạo một phức hợp ribonucleoprotein (snRNP). Các phực hợp này tham gia vào việc cắt rời các intron và nối các exon lại với nhau.
Quá trình này được minh hoạ như sau:
Hình 2.7: Sơ đồ minh hoạ quá trình cắt nối sau phiên mã ở eukaryote