CÁC RIBÔNUCLÊIC AXIT (ARN)

Chia sẻ: Huỳnh Hữu Việt | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

329
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các phân tử ARN có cấu trúc nhiều điểm giống với ADN, nhưng làm chức năng trung gian trong sinh tổng hợp prôtêin với 3 loại khác nhau (rARN, tARN, mARN). Tuy nhiên, trong 2 thập niên gần đây nhiều loại ARN mới phát hiện cho thấy vai trò đa dạng và quan trọng của chúng trong tế bào. Những nghiên cứu của sinh học phân tử cho thấy, các phân tử ARN xuất hiện sớm hơn ADN và prôtêin trong lịch sử tiến hoá. Những phát hiện mới về các ARN không mã hóa (noncoding ARN) gây chấn động...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CÁC RIBÔNUCLÊIC AXIT (ARN)

CHƯƠNG III CÁC RIBÔNUCLÊIC AXIT (ARN) Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử Các loại ARN và và chức năng trong tế bào Tổng hợp các loại ARN Vai trò điều hòa của các ARN không mã hóa Các phân tử ARN có cấu trúc nhiều điểm giống với ADN, nhưng làm ch ức năng trung gian trong sinh tổng hợp prôtêin với 3 lo ại khác nhau (rARN, tARN, mARN). Tuy nhiên, trong 2 thập niên gần đây nhiều loại ARN mới phát hiện cho thấy vai trò đa dạng và quan tr ọng c ủa chúng trong tế bào. Những nghiên cứu của sinh học phân tử cho thấy, các phân tử ARN xuất hiện sớm hơn ADN và prôtêin trong lịch sử tiến hoá. Những phát hi ện m ới về các ARN không mã hóa (noncoding ARN) gây chấn động và cho thấy rõ hơn vai trò quan trọng của ARN trong tế bào. I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CẤU TRÚC PHÂN TỬ ARN 1. Thành phần hóa học Các ARN giống với ADN ở chỗ là pôlinuclêôtit gồm các đơn phân là các nuclêôtit nối nhau thành mạch thẳng. Nhưng có những khác biệt riêng : - Đơn phân của ARN là các ribônuclêôtit, mà đường 5 (pentôza) là ribôzơ. - Các ribônuclêôtit của ARN cũng gồm 4 loại bazơ nitơ là ađênine (A), guanine (G), xitôzin (X) Uraxin trong ARN Timin trong ADN và uraxin (U), thay cho timin (trên ADN) (hình 3.1). Như vậy, ARN là một pôliribônuclêôtit Hình 3.1. Uraxin (U) và timin (T) 2. Cấu trúc phân tử ARN Pôliribônuclêôtit ARN mạch thẳng giống với ADN, nhưng khác ở chỗ chỉ là một mạch đơn. Chiều dài ARN ngắn hơn rất nhiều so với ADN. Phân tử ADN trong nhiễm sắc thể người có chiều dài có thể tới 250 triệu cặp nuclêôtit; ngược lại, phần lớn các ARN không nhi ều h ơn vài nghìn nuclêôtit, và nhiều loại còn ngắn hơn. Tuy nhiên, chúng có thể hình thành cấu trúc không gian ba chiều khác nhau như kẹp tóc, thùy tròn,...(hình 3.2) Cấu hình m ạch kép do nh ững đo ạn nuclêôtit có trình tự bắt cặp bổ sung theo nguyên tắc G v ới X ( xitôzin theo kí hiệu quốc tế là C (Cytosine)) và A với U. Hình 3.2. Phân tử ARN có thể tạo cấu trúc không gian ba chiều. A. Cấu trúc phẳng cuộn lại với bắt cặp thông thường và B là khác thường. C. Cấu trúc ba chiều của một loại ARN. 1
Trong phiên mã, U bắt cặp bổ sung với A trên ADN bằng 2 liên k ết hidrô. C ác ARN có thể ở dạng tự do hoặc gắn với prôtêin thành các phức hợp nuclêôprôtêin giữ nhiều vai trò quan trọng trong hoạt động sống của tế bào. II. CHỨC NĂNG CÁC LOẠI ARN 1. Những bước tiến trong nghiên cứu ARN – Trong hai thập niên 1960 và 1970 là giai đoạn cổ điển với phát hi ện 3 loại ARN (rARN ribôxôm, tARN vận chuyển, mARN thông tin) và vai trò thụ động của chúng trong sinh tổng hợp prôtêin. – Thập niên 1980 : Phát hiện ribôzim (1981) là các ARN có khả năng xúc tác và quá trình splicing (cắt các intrôn, những trình tự nuclêotit không mã hóa prôtêin và n ối các êxôn, trình t ự mã hóa) trong phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn cho thấy sự biến động và vai trò tích cực của chúng. – Thập niên 1990 : Phát hiện các ARN mới như microARN và ARNi can thiệp (ARN interfering), mà được gọi là các ARN nhỏ không mã hóa (small noncoding ARN). Các chức năng đa dạng của ARN ngày càng rõ hơn, nhất là kiểm soát sau phiên mã (posttranscriptional regulation). – Từ năm 2000 đến nay : Xác định mạng lưới ARN trong tế bào. Nhiều phát hiện mới làm đảo lộn quan niệm về tầm quan trọng của ARN : không những làm trung gian chuyển thông tin từ ADN ra prôtêin, mà còn tham gia tích c ực trong điều hòa bi ểu hi ện gen. Do các ARN không mã hoá có kích thước nhỏ khó phân tích, nên m ới phát hi ện gần đây và phía trước còn nhiều bí ẩn cần làm sáng tỏ. 2. Các loại ARN và chức năng của chúng Các loại ARN chủ yếu được tạo ra trong tế bào và chức năng được nêu trên bảng 3.1. Bảng 3.1. Các loại ARN chủ yếu và chức năng Loại ARN Chức năng 1. mARN ARN thông tin, mã hóa cho prôtêin ARN ribôxôm, tạo cấu trúc căn bản của ribôxôm và xúc tác tổng hợp prôtêin 2. rARN ARN vận chuyển, làm cầu nối giữa mARN và axit amin 3. tARN snARN (small nuclear RNA) có chức năng trong các quá trình ở nhân t ế bào, g ồm 4.snARN(ARN nhỏ nhân ) splicing (cắt nối) các tiền mARN (pre-mRNA) ARN nhỏ hạch nhân (snoRNA – small nucleolar RNA) chế biến và biến đ ổi hóa h ọc 5. snoARN các rARN microARN, điều hòa biểu hiện gen, điển hình là ngăn dịch mã mARN theo chọn lựa 6. miARN ARN nhỏ can thiệp (small interfering siRNA), đóng (d ừng) sự bi ểu hi ện gen b ằng 7. siARN phân hủy định hướng các mARN theo chọn lọc và tạo cấu trúc chất nhiễm s ắc cu ộn 8.ARN không mã chặt Có nhiều chức năng khác nhau trong tế bào như tạo đầu mút nhiễm sắc thể (têlôme), hóa khác bất hoạt nhiễm sắc thể X, và sự vận chuyển các prôtêin vào lưới n ội chất Như vậy, các ARN không chỉ có 3 loại mã hóa cho prôtêin tham gia vào phiên mã và d ịch mã, mà còn có các ARN không mã hóa có vai trò điều hòa sự biểu hiện gen. 3. Các rARN ribôxôm rARN là thành phần cấu tạo, chiếm phân nửa khối lượng của ribôxôm. T ế bào có s ố lượng lớn ribôxôm, nên rARN chiếm tỉ lệ cao, có thể đến 75% của tổng ARN tế bào. Các lo ại phân tử ARN khác nhau được đánh giá và đặt tên theo hệ số lắng khi siêu li tâm là S (Svedberg - đơn vị đánh giá tốc độ lắng xuống đáy (Sedimentation) c ủa ống li tâm, S = 1 cm x 10-13 giây). S càng lớn ARN càng dài. 2
Các ribôxôm của lục lạp, ti thể và vi khuẩn có hệ số lắng khi li tâm là 70S, g ồm 2 ti ểu đ ơn vị : - Tiểu đơn vị lớn 50 S có 1 rARN 23S và 1 rARN 5S; - Tiểu đơn vị nhỏ 30S chỉ có 1 rARN 16S. Các ribôxôm của sinh vật nhân chuẩn thuộc loại 80S, gồm 2 tiểu đơn vị : - Tiểu đơn vị lớn 60 S có 1 rARN 28S, 1 rARN 5,8 S và 1 rARN 5S, - Tiểu đơn vị nhỏ 40S chỉ có 1 rARN 18S. Số lượng và trình tự các nuclêôtit của mỗi loại rARN hầu như đã biết. Vi ệc so sánh trình t ự các nuclêôtit của ARN 16S ở các loài vi khuẩn khác nhau được dùng trong phân loại phân tử. 4. Các tARN vận chuyển (transfer ARN) Năm 1955, F.Crick nêu ra giả thuyết về cầu nối (adapteur) cho rằng trước khi gắn thành pôlipeptit các axit amin phải gắn qua chất trung gian, chất này s ẽ b ắt c ặp đ ặc hi ệu v ới các baz ơ trên mARN. Vào năm 1957, M.Hoagland tìm ra tARN vận chuyển (transfer) và chứng minh rằng mỗi phân tử tARN gắn với một phân tử axit amin và mang đến ribôxôm. Hiện nay, biết rằng ít nhất mỗi loại tARN đặc hiệu cho 1 trong 20 axit amin. M ỗi t ế bào có khoảng 45 loại tARN. Tuy nhiên tất cả các tARN có m ột số đặc tính c ấu trúc chung : chi ều dài khoảng 73 đến 93 nuclêôtit, cấu trúc gồm một mạch cuộn lại như hình lá ch ẻ ba nh ờ b ắt c ặp bên trong phân tử, và đầu mút 3' có trình tự kết thúc XXA (CCA theo kí hiệu quốc tế, mà xitôzin là C (cytosine)). Axit amin luôn luôn gắn vào đầu 3’XXA. Hình 3.3 mô tả tARN vận chuyển của axit amin phêninalanin : đầu 3’ gắn axit amin và bộ ba đ ối mã (anticodon) là GAA s ẽ b ắt c ặp b ổ sung với bổ sung với bộ ba mã hóa trên mARN là CUU (XUU). Bằng cách đó tARN v ận chuy ển dịch ngôn ngữ (các codon) trên mARM thành chuỗi axit amin của mạch pôlipeptit. Hình 3.3 . tARN phêninalanin : A. Dạng phẳng cho thấy các đoạn bắt cặp bổ sung m ạch kép và các thùy tròn. tARN chứa một số bazơ khác thường do biến đổi hóa học sau khi nó được tổng hợp (ψ là kí hiệu ch ỉ bazơ nitơ uriđin giả (pseudouridine), D là đihidrôuriđin). Anticodon (đối mã là bộ ba bắt cặp bổ sung với bộ ba mã hóa (codon) trên mARN). B và C là dạng cấu hình chữ L từ phân tích tán x ạ tia-X. D là trình t ự duỗi thẳng của tARN có anticodon ở giữa và CCA (XXA) ở đầu 3’ gắn với axit amin. Mặc dù sơ đồ chỉ tARN phêninalanin, tất cả các tARN có cấu trúc t ương t ự 5. mARN thông tin Các trình tự trên ADN mã hóa cho prôtêin được phiên mã qua tổng h ợp phân t ử mARN. Enzim ARN-pôlimêraza dựa vào mạch khuôn mã hóa (mang thông tin) của ADN pôlime hóa tạo phân tử 3
mARN. Bản phiên mã sơ cấp (Primary transcript) của mARN tế bào vi khuẩn và cả sinh vật nhân chuẩn chứa trình tự nuclêôtit nhiều hơn số dùng mã hóa prôtêin (hình 3.4). Hình 3.4. Sơ đồ mô tả mARN của tế bào nhân sơ và nhân chuẩn. Trình tự mã hóa màu đậm hơn. Sơ đồ cho thấy đặc điểm mang thông tin nhận từ ADN của 2 loại mARN như sau : - Ở trước vùng mã hóa prôtêin, cả 2 loại mARN đều có đoạn 5’ không mã hoá (5’-noncoding), mà trong đó có chứa các trình tự tín hiệu cần thiết cho dịch mã tiếp theo. - Ở đuôi 3’, sau dấu kết thúc (stop signal) có đoạn 3’ không mã hóa (3’-noncoding). - mARN vi khuẩn (nhân sơ) mang trình tự mã hóa nhiều gen nhiều gen (đa gen - polycistronic), mà đầu mỗi đoạn gen có trình tự điểm gắn với ribôxôm (ribôxôm binding site), còn g ọi là Shine- Dalgarno, để bắt cặp với trình tự bổ sung trên ARN 16S và ở cu ối sau d ấu d ừng (stop signal) có trình tự không mã hóa. - mARN trưởng thành của sinh vật nhân chuẩn có cấu trúc phức tạp hơn : đầu 5’ có chop (cap) mêtil-guanidin-triphốtphat, tiếp theo là đoạn mã hóa, mà sau dấu dừng là đo ạn 3’ không mã hóa, và cuối cùng là đuôi pôli-A (150 – 200 đơn phân ađênin). Cấu trúc phức tạp hơn của mARN nhân chuẩn có lẽ liên quan đến thời gian tồn tại ngắn hay dài để biểu hiện của gen. Các mARN của vi khuẩn có nửa thời gian (half time) tồn tại ngắn trung bình 2 phút, trong khi mARN nhân chuẩn khoảng 30 phút đến 24 giờ. III. TỔNG HỢP ARN Mạch khuôn của ADN mạch Các bản sao ARN Hình 3.5. Tổng hợp các phân tử ARN Tuy nhiên, sự phiên mã khác với nhân đôi (sao chép) ADN ở nhiều đi ểm. M ạch đ ơn ARN không gắn liên kết hidrô với mạch khuôn ADN. Phía sau vùng gắn thêm ribônuclêôtit, m ạch ARN tách ra và ADN xoắn kép tái lập. Do vậy, qua phiên mã các ARN mạch đơn được phóng thích. Tổng hợp ARN thực hiện theo những nguyên tắc giống nhau căn bản ở tất c ả các t ế bào: ch ỉ một trong 2 mạch ADN được dùng làm khuôn và mạch đơn ARN nối dài theo hướng 5' → 3' (hình 3.5). 4
2. Các ARN-pôlimêraza Các ARN-pôlimêraza là những enzim tổng hợp ARN dựa vào m ạch khuôn mã hóa c ủa ADN. Mặc dù ARN pôlimêraza về căn bản xúc tác chính phản ứng hóa h ọc như ADN pôlimêraza, nhưng giữa hai enzim này có vài khác biệt quan trọng thể hiện ở chỗ ARN-pôlimêraza nối các ribônuclêôtit, khởi sự không cần mồi (primer) và tổng hợp nhiều lỗi hơn (1/104). – Ở tế bào nhân sơ, chỉ một loại ARN-pôlimêraza tổng hợp tất cả các loại ARN. – Trong khi đó, tế bào nhân chuẩn có 3 lo ại ARN-pôlimêraza (I, II và III), mà ch ức năng c ụ th ể được nêu trên bảng 3.2. Bảng 3.2. Ba loại ARN-pôlimêraza của tế bào nhân chuẩn Kiểu ARN-pôlimêraza Các gen được phiên mã ARN-pôlimêraza I Các gen 5,8S. 18S và 28S rARN ribôxôm Tất cả các gen mã hóa prôtêin, các gen ARN-pôlimêraza II snoARN, các gen miARN, siARN và phần lớn snARN ARN-pôlimêraza III Các gen tARN, các gen 5S rARN, một số gen snARN và các gen cho những ARN nhỏ khác. 3. Tổng hợp rARN và tARN Đối với nhiều gen, ARN là sản phẩm cuối. Phần lớn các gen mã hóa prôtêin qua t ổng h ợp mARN, nhưng phân tích hoàn toàn bộ gen nấm men S. cerevisiae đã phát hiện hơn 750 gen (hơn 10% tổng các gen nấm men) tạo ra ARN là sản phẩm cuối. Các ARN d ồi dào nh ất trong các t ế bào là rARN, có thể đạt gần 80% ARN trong những tế bào phân chia nhanh. Ở t ế bào nhân chuẩn, các gen này thường phiên mã bởi ARN pôlimêraza I hay ARN pôlimêraza III. rARN đ ược tổng hợp thông qua phân tử lớn là tiền chất rARN45S , sau đó phân tử qua biến đổi hóa học, bị cắt mới tạo ra các rARN18S, rARN5S rARN5,8S và rARN28S (hình 3.6). Các rARN5S rARN5,8S và rARN28S ráp lại tạo tiểu đơn vị lớn và rARN18S tạo đ ơn v ị nh ỏ c ủa ribôxôm trong hạch nhân (nucleolus), một cấu trúc tách biệt trong nhân tế bào. Hạch nhân (nucleolus) giúp hỗ trợ hình thành các ribôxôm và các phức hợp nhỏ ARN-prôtêin trong tế bào. Để đảm bảo cho việc sản xuất một số lượng lớn phân tử prôtêin, m ỗi phân tử mARN phải qua nhiều vòng dịch mã. Nhiều prôtêin số lượng rất lớn trong tế bào lại được tổng h ợp t ừ các gen chỉ có một bản sao duy nhất cho một hệ gen đơn bội (single copy per haploid genome). Trong khi đó, các thành phần rARN của ribôxôm là sản phẩm cuối, và t ế bào đ ộng v ật có vú đang tăng trưởng phải tổng hợp gần 10 triệu bản sao (copies) c ủa m ỗi lo ại rARN ribôxôm trong m ỗi th ế hệ tế bào để tạo 10 triệu ribôxôm của nó. Sở dĩ điều đó thực hiện đ ược nhờ có nhi ều b ản sao của các gen rARN (rARN genes) mã hóa các rARN. Thậm chí tế bào vi khuẩn E. coli cần 7 bảo sao các gen rARN của chúng để đáp ứng nhu cầu tạo ribôxôm của tế bào. Tế bào người chứa khoảng 200 gen rARN/1 hệ gen đơn bội, phân bố thành nhiều cụm nhỏ trên 5 nhiễm sắc thể (NST) khác nhau. Đặc biệt, các tế bào của ếch Xenopus chứa khoảng 600 bản sao gen rARN/hệ gen đơn bội chỉ trong một cụm trên một NTS. 5
Hình 3.6. Tổng hợp rARN : từ tiền chất rARN45S tạo ra các rARN18S, rARN5S rARN5,8S và rARN28S 4. Tổng hợp mARN Các ARN chỉ chiếm vài phần trăm trọng lượng khô c ủa tế bào đ ộng vật có vú, mà ch ỉ kho ảng 3–5% là mARN. Trong quá trình phiên mã ở tế bào nhân chuẩn, ARN pôlimêraza II tổng hợp các mARN, mà phân tử tiền-ARN (pre-ARN) này vừa được tạo ra phải trãi qua 3 bước chế biến mới trưởng thành : một nuclêôtit đặc biệt gắn thêm vào đầu 5’ tạo chóp (capping), các trình tự intrôn bị cắt bỏ và nối các êxôn ( splicing), và đầu 3’ được hình thành (cắt bớt và gắn đuôi pôli-ađênin). Bản phiên mã đầu tiên tiền mARN chứa đủ trình tự nuclêôtit của gen, cả các đoạn intrôn. – Gắn chóp : khi mạch mARN đang được tạo ra dài độ 20 - 30 nuclêôtit thì ở đầu 5’P enzim nối thêm vào chất 7-mêtil- guanilat (7-methyl-Guanylate) tạo chop (cap). Chóp này gắn vào đầu 5’P một cách đặc biệt là tạo liên kết 5’P-5’P. – Thêm đuôi poly-A : một đoạn ngắn của mARN bị cắt và các ađênin đưọc nối vào thành đuôi poliađênin (pol-A = 150 – 200A). – Splicing : cắt rời các intrôn và nối các êxôn lại với nhau. Quá trình được thực hiện nhờ các phức hợp ribônuclêôprôtêin nhỏ (snRNP) của nhân tế bào tạo cấu trúc không gian thuận tiện cho các đầu exon gần nhau và xúc tác phản ứng cắt nối (hình 3.7). Sau splicing, mARN mới trưởng thành (mature mRNA) không còn các intrôn và qua lỗ nhân vào tế bào chất để dịch mã. Hình 3.7. Phản ứng cắt tiền-ARN (pre-mRNA) : đầu tiên A (ađênin) đặc hiệu tấn công điểm cắt 5’ và cắt khung đường-phốtphat ở ngay điểm đó. Đầu 5’ của intrôn bị cắt gắn cộng hóa trị vào A t ạo Hình 3.7. Phản ứng cắt tiền-ARN vòng trên phân tử ARN. Đầu 3’-OH của trình tự êxôn tác đ ộng v ới điểm đầu của êxôn tiếp theo, nối lại và phóng thích intrôn ở dạng 6
dây thong lọng. Hai êxôn nối nhau liên tục và intrôn tách rời bị phân hủy. Mặc dù đa phần mARN của sinh vật nhân chuẩn cần gắn chóp, đuôi và splicing, nh ưng không phải tất cả chúng đều được chế biến như vậy. 4. Ribôzim Trong một số trường hợp, ARN bên trong intrôn tự cắt rời ra mà không c ần s ự xúc tác c ủa prôtêin. Nhiều nghiên cứu khác phát hiện khả năng xúc tác của một số ARN và chúng được gọi là ribôzim. Ribôzim là các phân tử ARN có khả năng xúc tác tự nhiên (các enzim ARN). Chúng có các vùng xúc tác và vùng gắn cơ chất (substrate-binding domain) tách rời nhau. Trình tự gắn c ơ chất kết hợp với trình tự mục tiêu bằng bắt c ặp b ổ sung nuclêôtit. Ph ần xúc tác c ắt ARN m ục tiêu ở điểm đặc hiệu. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng việc tìm hiểu cơ chế tổng hợp ARN và là cơ sở để nêu ra giả thuyết về nguồn gốc sự sống từ ARN. Cho đến nay, phát hiện nhiều phản ứng sinh hóa có thể được xúc tác bởi ribôzim (bảng 3.3). Bảng 3.3. Một số phản ứng sinh hóa có thể được xúc tác bởi ribôzim Hoạt tính Các ribôzim 1. Hình thành liên kết peptit trong tổng hợp ARN ribôxôm Tự-splicing ARN; ARN P; in vitro ARN lựa prôtêin 2. Cắt ARN, nối ARN chọn Các ARN tự-splicing (self-splicing RNAs) 3. Cắt ADN Các ARN tự-splicing, có thể ARN của spliceosome (phức RNA với prôtêin) 4 Splicing ARN (RNA splicing) Bằng cách thay đổi vùng gắn cơ chất có thể cải biến di truyền tạo ra ribôzim cắt một cách đặc hiệu bất kì mARN nào. Các ribôzim này có nhiều triển vọng trong chữa trị ung th ư và các b ệnh do virút mà chưa có vắcxin hay thuốc hoá chất cho đi ều tr ị. Ngoài ra, trong b ối c ảnh nhi ều vi khuẩn đề kháng thuốc gia tăng nhanh thì liệu pháp dùng ribôzim đáng được quan tâm. 5. Một gen có thể tạo một dòng mARN với nhiều biến dạng Khi biết toàn bộ hệ gen người và nhiều sinh vật nhân chuẩn khác, việc so sánh tổng số các lo ại prôtêin với tổng số gen thì số prôtêin nhiều hơn gấp vài ba lần. Điều đó cho thấy m ột gen có th ể tạo ra nhiều hơn một loại prôtêin. Việc cắt bỏ intrôn và n ối các êxôn (splicing) theo các ki ểu khác nhau là cơ chế chủ yếu tạo ra các mARN khác nhau, nhưng từ m ột gen có nhiều đo ạn tương tự, nên coi như một dòng mARN biến dạng . Sự dịch mã các mARN này tạo ra một dòng các prôtêin biến dạng. 7
Hình 3.8. Splicing khác nhau của gen α-tropomyosin tạo ra các mARN với nhiều t ổ h ợp êxôn khác nhau Các đầu mũi tên chỉ các điểm, nơi cắt và thêm poli-A trên ARN đầu 3’ của mARN trưởng thành . Ví dụ điển hình sau đây minh họa rõ về cơ chế đó. Alpha-tropomyosin là prôtêin đi ều hòa s ự co trong các tế bào cơ ở chuột. Bản phiên mã sơ c ấp (primary transcript) có th ể c ắt các intrôn n ối các êxôn hình thành dòng các mARN khác nhau tùy lo ại t ế bào (hình 3.8). M ột s ố đ ặc tính splicing là đặc trưng cho một số kiểu tế bào nhất định. Ví d ụ, α-tropomyosin t ạo ra trong c ơ vân khác với nó được sản sinh bởi cùng một gen trong tế bào cơ trơn hay tế bào não. Trong một số trường hợp, splicing khác nhau là cơ cấu (constitutive); có nghĩa là mARN qua c ắt nối (spliced ARN) được các tế bào của một sinh vật sản sinh ra liên tục. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp tế bào điều hòa sao cho các dạng khác nhau của prôtêin đ ược t ạo ra đúng vào nh ững thời điểm khác nhau và ở các mô khác nhau. IV. VAI TRÒ ĐIỀU HÒA CỦA CÁC ARN NHỎ KHÔNG MÃ HÓA Hàng loạt các nghiên cứu trong 2 thập niên gần đây, nhất là các phát minh gây ấn t ượng m ạnh cho thấy rằng các như microARN, ARNi can thiệp, được gọi là ARN không mã hóa (noncoding ARNs) hiện diện trong tế bào nhiều hơn như tưởng tượng trước đây và đóng vai trò mà tr ước đây chưa tiên đoán được, nhưng rất phổ biến trong điều hòa biểu hiện gen. Giải Nobel sinh lí học và y học năm 2006 đã xác nhận tầm quan trọng của các loại ARN này. 1. Phản-ARN (Antisense-ARN) Năm 1981, Tomizawa phát hiện ra hiện tượng phản-ARN , những ARN được sao chép từ mạch bổ sung với mạch mã gốc tạo ra mARN có trình tự nuclêôtit ngược chiều (do đó gọi là đối hướng - antisense). Các phản-ARN này có thể kìm hãm tổng h ợp prôtêin c ủa gen t ương ứng bằng bắt cặp bổ sung với mARN của nó (hình 3.9). Hơn n ữa, việc làm “ im lặng” gen không đòi hỏi cả phân tử phản ARN mà chỉ cần 1 đoạn ngắn oligônuclêôtit ngược chiều làm ngưng hoạt động của bất kì gen nào gọi là “ hạ đo ván ” (gene knock-out gen ). Quá trình từ ADN đến prôtêin có thể kìm hãm ở nhiều chỗ do oligônuclêôtit ngược chiều gắn vào như ức chế các nhân tố phiên mã gắn vào ADN, ngăn trở giai đoạn tạo mARN trưởng thành đ ể ra ngoài nhân và d ịch mã ở tế bào chất. Hình 3.9. Phản ARN bắt cặp bổ sung với một đoạn mARN làm dừng dịch mã Từ đầu thập niên 1980, các oligônuclêôtit ngược chiều (oligonuclêôtit antisense) được tổng hợp để ức chế các gen gây bệnh ung thư, tim mạch,... Tuy nhiên kết quả chưa như mong đ ợi, vì các enzim cơ thể cắt bỏ các oligo-ngược chiều. Các thuốc oligô-ngược chiều đã được cải biến đến thế hệ thứ ba và đang trở thành “có nghĩa” (sense) do tốt hơn nhi ều về tính b ền v ững, tính đ ặc hiệu, hiệu quả và giá thành thấp. 2. microARN Năm 1993, nhiều nghiên cứu đã phát hiện ra các phân tử ARN nhỏ mạch kép, gọi là microARN (miARN), có khả năng gắn bổ sung với mARN. Đến nay biết rõ hơn rằng kiểu ARN ngắn không mã hóa này đặc biệt quan trọng đối với động vật và thực vật. Ví d ụ, các t ế bào ng ười bi ểu hi ện hơn 400 loại miARN khác nhau, và chúng góp phần điều hòa ít nhất một phần ba của tất cả các gen người mã hóa prôtêin. Khi được tạo ra, các miARN bắt cặp-bazơ (base-pair) với các mARN 8
đặc hiệu và điều hòa sự ổn định và dịch mã của chúng. Các ti ền chất c ủa miARN đ ược t ổng hợp bởi ARN pôlimêraza II và được gắn chóp (cap) và n ối đuôi pôli-A. Sau đó chúng trãi qua quá trình chế biến đặc biệt, mà theo đó miARN ráp với một loạt prôtêin để tạo ra phức hợp cảm ứng-ARN im lặng hay RISC (ARN-induced silencing complex or RISC). Một khi đã hình thành, RISC dò các mARN mục tiêu của chúng bằng cách tìm các trình tự nuclêôtit bổ sung (hình 3.10). Hình 3.10. Tổng hợp miARN và tác động của chúng. Dicer là tên enzim cắt rời thùy tròn. Vài đặc tính làm các miARN thành các chất đi ều hòa (regulators) h ữu ích đ ặc bi ệt cho s ự bi ểu hiện gen. Trên thực tế, kích thước nhỏ của chúng là một lí do vì sao miARN m ới ch ỉ đ ược phát hiện gần đây. Mặc dù chúng ta mới bắt đầu hiểu toàn bộ đóng góp c ủa miARN, nh ưng đã rõ rằng chúng thể hiện một phần rất quan trọng trong bộ công cụ tế bào dành cho nhi ều ki ểu đi ều hòa biểu hiện các gen của chúng. 3. siARN nhỏ can thiệp (Small Interfering ARN – siARN) Sự gia tăng hiểu biết về miARN và nghiên cứu thực nghi ệm sâu hơn v ề vai trò c ủa chúng đã dẫn đến phát minh ARNi : khi thêm ARN mạch kép (double strand ARN – dsARN) vào tế bào động vật thì gây hậu quả giảm sự biểu hiện gen. Việc “làm gen im lặng” (“gene silencing”) này, mà đặc biệt làm giảm nồng độ mARN mục tiêu đến 90%, là thuận ngh ịch vì không bi ến đ ổi ADN tế bào. Hiện tượng này được gọi là sự can thiệp ARN (ARN interference) và chúng xảy ra một cách tự nhiên ở ruồi giấm, giun đất, thuỷ tức, cá vàng và chu ột. Nó liên quan đ ến m ột lo ại ARN nhỏ can thiệp siARN (small interfering ARN - siARN). Các nghiên cứu tiếp theo cho thấy cũng chính cùng một bộ máy tế bào sản sinh ra c ả miARN và siARN, mà cả hai loại đều thu hút phức hợp prôtêin chứa enzim dicer , chính enzim tham gia tạo miARN. Phức hợp prôtêin này cắt ARN mạch kép thành các đoạn ngắn (kho ảng 20 c ặp baz ơ) thành siARN can thiệp nhỏ. Sự khác nhau giữa 2 loại ARN nhỏ này là ở đặc điểm của tiền chất (precursor) tạo ra chúng. Trong khi miARN thường tạo ra t ừ m ột d ạng k ẹp tóc trong ti ền ch ất 9
ARN (xem hình 3.10), siARN được hình thành từ các phân tử ARN mạch kép dài h ơn nhi ều, mà mỗi phân tử bị cắt tạo ra nhiều siARN (hình 3.11). Hình 3.11. Sự tạo thành siARN và vai trò của chúng Các miARN và siARN cung cấp cho các nhà nghiên cứu một phương tiện có hiệu quả để đóng hay “làm im lặng” sự biểu hiện của một gen và như vậy nó trở thành công cụ đơn giản và thuận tiện cho xác định chức năng gen và các tương tác sinh học giữa các gen. Về mặt ứng dụng th ực tiễn, các tập đoàn dược phẩm đổ xô chế tạo các siARN nhỏ (small interfering ARN) dùng cho trị liệu như làm im lặng gen gây ung thư. Công nghệ gen đã tìm ra phương pháp đơn giản sản xuất siARN, được gọi là ARNi định hướng ADN (ADN directed ARN interfering – ddARNi) . Trong tương lai gần, các công cụ ARNi sẽ có những ứng dụng r ộng rãi h ơn nghiên c ứu s ự s ống và có sự bùng nổ các ứng dụng ở lĩnh vực này. TÓM TẮT CHƯƠNG Chương này dành riêng cho ARN để nói lên tầm quan trọng của các phân t ử này trong s ự sống của tế bào. Các ARN là những pôliribônuclêôtit được tạo ra t ừ 4 đ ơn phân A, G, X và U. Chúng cũng hình thành cấu trúc không gian 3 chiều. Tế bào có nhiều loại ARN với chức năng đa dạng : các rARN, tARN và mARN tham gia phiên mã và d ịch mã đ ể t ổng h ợp prôtêin; các ARN không mã hóa như miARN, siARN có nhi ều vai trò trong đi ều hòa bi ểu hi ện gen. T ất c ả các ARN đều được tổng hợp từ các gen trên ADN nhờ các enzim ARN pôlimêraza. Các phân tử mARN tế bào nhân chuẩn trãi qua quá trình chế bi ến phức tạp, có th ể t ạo ra dòng ARN với nhiều biến dạng, được dịch mã thành dòng các prôtêin bi ến d ạng t ừ m ột gen gián đoạn hay phân mãnh ban đầu. Trong hai thập niên gần đây, những phát hiện mới về ARN gây chấn đ ộng, nhưng nhi ều bí ẩn vẫn còn ở phía trước. Những thành tựu mới góp phần tích c ực để hi ểu sâu h ơn bản ch ất sự sống. Đồng thời, chúng nhanh chóng được ứng dụng vào thực ti ễn và Công ngh ệ ARN đang hình thành và phát triển. NHỮNG ĐIỂM CẦN NHỚ 1. ARN là các pôliribônuclêôtit tạo ra từ 4 đơn phân A, G, X và đặc biệt là Uraxin. 2. Các loại ARN và chức năng. 3. Các loại và tính chất của rARN và tARN. 4. Các mARN : tính chất và các đặc điểm. 5. Quá trình chế biến mARN ở sinh vật nhân chuẩn. 6. mARN và splicing khác nhau. 7. Tổng hợp các ARN và các loại ARN pôlimêraza 8. Các ARN không mã hóa và vai trò điều hòa biểu hiện gen của chúng. 10
CÂU HỎI ÔN TẬP 1. ARN giống và khác ADN ở những điểm nào ? 2. Theo học thuyết trung tâm, ARN giữ vai trò gì và những loại ARN nào trực tiếp tham gia ? 3. Loại ARN nào có tỉ lệ nhiều nhất và nó có vai trò gì trong tế bào ? 4. Các tARN có những đặc điểm gì và lien quan đến chức năng nào? 5. mARN có những đặc điểm gì và mARN c ủa vi khu ẩn và c ủa sinh v ật nhân chu ẩn gi ống và khác nhau ở những điểm nào ? 6. Các enzim nào tham gia tổng hợp ARN và chức năng mỗi loại ? 7. Vì sao một gen có thể tạo ra một dòng mARN với các biến dạng ? 8. Các ARN nào được gọi là không mã hóa và vì sao mới phát hiện gần đây ? 9. Giữa miARN và siARN có sự khác nhau như thế nào ? 10. Các ARN không mã hóa có vai trò quan trọng đối với tế bào như thế nào ? CÂU HỎI THUỘC BÀI CHƯƠNG III . ARN 3.A. Kiểm tra trí nhớ : xác định các câu sau đúng hay sai, nếu sai thì giải thích. Các ARN có thể hình thành cấu trúc không gian ba chiều như kẹp tóc, thùy tròn,... 1. snARN có chức năng trong các quá trình ở ngoài nhân tế bào. 2. Đối với một số gen, ARN là sản phẩm cuối. 3. ARN nhỏ hạch nhân (snoARN) chế biến và biến đổi hóa học các rARN 4. Trong quá trình phiên mã ở tế bào nhân chuẩn, ARN pôlimêraza I tổng hợp các mARN 5. ARN không mã hóa khác có nhiều chức năng khác nhau trong t ế bào nh ư t ạo đ ầu mút 6. nhiễm sắc thể (têlôme), bất hoạt NST X, và sự vận chuyển các prôtêin vào lưới nội chất 7. Các rARN ráp lại tạo các tiểu đơn vị của ribôxôm ở tế bào chất. 8. Phức hợp prôtêin chứa enzim dicer chỉ tham gia tạo miARN. 9. rARN được tổng hợp thông qua phân tử lớn là tiền-rARN, sau đó phân tử qua biến đ ổi hóa, bị cắt mới tạo ra các loại rARN khác nhau. 10. Các tế bào người biểu hiện hơn 200 loại miARN khác nhau. Đáp án 3.A. Kiểm tra trí nhớ : 1đ, 2s (ở trong nhân tế bào), 3đ, 4đ, 5s (ARN pôlimêraza II tổng hợp các mARN), 6đ, 7s (ở nhân tế bào), 8s (tạo cả miARN và siARN), 9đ, 10s (400 loại miARN), 3B. Kiểm tra hiểu bài : chọn câu trả lời đúng nhất trong các câu gợi ý E3.1. ARN chứ không phải ADN chứa: a) Adenine c) Thymine e) Uracil b) Guanine d) Cytosine a3.15. Tiểu đơn vị nào của ribôxôm chứa ARN16S ? a) đơn vị 30S b) đơn vị 40S c) đơn vị 50S d) đơn vị 60S d3.16. Tiểu đơn vị nào của ribôxôm chứa 3 loại rARN ? a) Tiểu đơn vị 30S b) Tiểu đơn vị 40S c) Tiểu đơn vị 50S d) Tiểu đơn vị 60S a3.17. Loại ARN nào chiếm tỉ lệ cao nhất trong tổng ARN của tế bào ? d) như nhau a) rARN b) mARN c) tARN 11
c3.18. Điểm nào không thuộc đặc tính của tARN ? a) Nhiều đoạn mạch kép b) Anticodon c) Một loại phân tử chung cho tất cả các loại axit amin d) Đầu XXA (CCA) d3.19. mARN của Eukaryota có trình tự nuclêôtit: a) Vừa đủ cho mã hóa phân tử prôtêin b) Ngoài phần mã hóa prôtêin có thêm đầu 5’ không mã hóa c) Ngoài phần mã hóa prôtêin có thêm đuôi 3’ không mã hóa d) b và c. d3.2. Một mạch ADN có trình tự 3’ T A C C T T C A G C G T 5’, mARN đ ược t ổng h ợp t ừ mạch gốc trên sẽ như thế nào? a) 5’ A T G G A A G T C G C A 3’ b) 3’ A T G G A A G T C G C A 5’ c) 3’ A U G G A A G U C G C A 5’ d) 5’ A U G G A A G U C G C A 3’ c3.3. Tên của bào quan nơi xảy ra tổng hợp mARN ? b) Lưới nội chất c) Nhân tế bào d) Hạch nhân a) Ribôxôm a3.4. Tên của bào quan nơi codon và anticodon bắt cặp với nhau ? b) Lưới nội chất trơn c) Tế bào chất. a) Ribôxôm d) Không mục nào kể trên. A3.5. Nếu mARN được phiên mã từ mạch ADN có trình tự base 3’ C A T T A G, thì mARN có trình tự (đầu 5’ nằm phía bên trái): a) G U A A U C b) T G C C G A c) G T U U T C d) G T A A T C e3.6. tARN hoạt động: a) Mang ARN từ ribôxôm tới mARN b) Gắn ARN vào các ribôxôm. c) Gắn các prôtêin tạo nên ribôxôm d) Mang mARN từ nhân đến tế bào chất e) Mang các axit amin đến vị trí chính xác trên mARN b3.7. Intrôn là: a) Trình tự ARN lạ được gắn vào mARN bình thường của prôtêin b) Trình tự ARN được cắt ra khỏi bản phiên mã trước khi dịch mã c) Trình tự ADN được sử dụng để gắn plasmid với ADN lạ. d) Trình tự ADN mã hóa cho sản phẩm prôtêin của gen. e) Trình tự ADN không được phiên mã. D3.8. Êxôn là: a) Trình tự ARN lạ được gắn vào mARN bình thường của prôtêin. b) Trình tự ARN được cắt ra khỏi bản phiên mã trước khi dịch mã. c) Trình tự ADN được sử dụng để gắn plasmid với ADN lạ. d) Trình tự ADN mã hóa cho sản phẩm prôtêin của gen. e) Trình tự ADN không được phiên mã. a3.9. Chóp 7-Guanôsin-PPP có ở loại ARN nào? a) mARN của sinh vật nhân chuẩn b) mARN của vi khuẩn. d) mARN của tất cả các loại tế bào c) Ribôzim c3.10. Đuôi poly-A có ở loại ARN nào? c) mARN của sinh vật nhân chuẩn a) Ribôzim b) mARN của vi khuẩn d) mARN của vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn c3.11. Splicing là quá trình được thực hiện trong phiên mã ở các tế bào nào ? a) Các tế bào động vật và thực vật. c) sinh vật nhân chuẩn b) Vi khuẩn cổ d) Vi khuẩn thực d3.12. Ribôzim là : a) Các enzim nối các axit amin 12
b) Các enzim gắn các đơn vị ribôxôm cho dịch mã c) Các enzim giúp mARN gắn vào ribôxôm để dịch mã d) Các ARN có khả năng xúc tác a4.32. Các phân tử ARN có khả năng xúc tác tự nhiên được gọi là gì ? a. Ribôzim b. miRNA c. siRNA d. a và b e. b và c d18. Loại ARN nào sau đây thuộc spliceomics ? a. mARN trưởng thành b. mARN có đuôi pôli-A c. Bản phiên mã RNA sơ cấp d. RNA sau khi cắt bỏ intrôn c19. Phản ARN (Antisense RNA) là gì ? a. Một loại ôligônuclêôtit b. mRNA được tổng hợp từ mạch không mã hóa cho protein c. RNA có trình tự nuclêôtit ngược chiều với 1 loại mRNA d. a và b e. b và c d20. siARN có tính chất nào ? a. ARN mạch kép. b. ARN mạch đơn. c. Dài khoảng 20 nuclêôtit. d. a và c e. b và c d21. Các ARN nào có thể làm gen im lặng ? b. Phản ARN a. RNAi. c. Ribôzim d. a và b e. b và c C. CÂU HỎI ĐỘNG NÃO 1. Vì sao phân tử ADN chứa T và ARN chứa U mà không ngược lại, khi c ả hai đ ều b ắt c ặp b ổ sung với A bằng 2 liên kết hidrô ? 2. Vì sao phân tử ADN dài, mà các phân tử ARN thì ngắn ? 3. Tại sao phân tử mARN sinh vật nhân chuẩn phải trãi qua quá trình chế biến phức tạp ? 4. Vì sao các mARN nhân chuẩn trưởng thành có thời gian t ồn t ại lâu h ơn so v ới mARN vi khuẩn ? 5. Splicing theo các kiểu khác nhau có ý nghĩa gì ? 13