Từ gen đến Protein

Tõ Gen ®Õn Protein

(cid:1) H×nh 17.1 T¹i sao mét gen sai háng duy nhÊt cã thÓ

dÉn ®Õn kiÓu h×nh kh¸c biÖt râ rÖt ë h−¬u b¹ch t¹ng?

17.1. Gen x¸c ®Þnh protein qua phiªn m(cid:24) vµ dÞch m(cid:24)

17.2. Phiªn m(cid:24) lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN do ADN

®iÓu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n

17.3. C¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt c¶i biÕn ARN sau

phiªn m(cid:24)

17.4. DÞch m(cid:24) lµ qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit

do ARN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n

nã? Vµ b»ng c¸ch nµo th«ng ®iÖp cña nã ®−îc tÕ bµo dÞch m· thµnh mét tÝnh tr¹ng nhÊt ®Þnh, ch¼ng h¹n nh− mµu tãc n©u, hay nhãm m¸u A, hay nh− trong tr−êng hîp con h−¬u b¹ch t¹ng ë trªn lµ sù thiÕu hôt ho¹t toµn s¾c tè da? Con h−¬u cã kiÓu h×nh b¹ch t¹ng ë trªn lµ do mét enzym thiÕt yÕu cÇn cho sù tæng hîp s¾c tè cña nã bÞ sai háng; mµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn protein nµy bÞ sai háng lµ do gen m· hãa enzym mang th«ng tin kh«ng chÝnh x¸c.

17.5. C¸c ®ét biÕn ®iÓm cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn cÊu

tróc vµ chøc n¨ng protein

17.6. MÆc dï sù biÓu hiÖn gen ë c¸c liªn giíi sinh vËt lµ

kh¸c nhau, nh−ng kh¸i niÖm gen lµ thèng nhÊt

Dßng th«ng tin di truyÒn

Tæng quan

C¸c kh¸i niÖm chÝnh

V

VÝ dô vÒ h−¬u b¹ch t¹ng minh häa néi dung chÝnh cña ch−¬ng nµy, ®ã lµ: ADN mµ mçi c¸ thÓ ®−îc di truyÒn tõ bè, mÑ qui ®Þnh c¸c tÝnh tr¹ng ®Æc thï cña nã th«ng qua qu¸ tr×nh tæng hîp protein vµ c¸c ph©n tö ARN liªn quan ®Õn sù tæng hîp protein. Nãi c¸ch kh¸c protein lµ cÇu nèi gi÷a kiÓu gen vµ kiÓu h×nh. Sù biÓu hiÖn cña gen lµ qu¸ tr×nh ë ®ã ADN ®iÒu khiÓn sù tæng hîp protein (hoÆc trong mét sè tr−êng hîp, s¶n phÈm cuèi cïng lµ c¸c ARN). Sù biÓu hiÖn cña mét gen m· hãa protein lu«n gåm hai giai ®o¹n: phiªn m· vµ dÞch m·. Ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn c¸c b−íc cña dßng th«ng tin ®i tõ gen ®Õn protein vµ gi¶i thÝch t¹i sao c¸c ®ét biÕn di truyÒn cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn c¸c c¬ thÓ sinh vËt th«ng qua c¸c protein cña chóng. Sù biÓu hiÖn cña c¸c gen diÔn ra th«ng qua c¸c qu¸ tr×nh t−¬ng ®èi gièng nhau ë c¶ ba liªn giíi sinh vËt lµ sinh vËt nh©n s¬ (prokaryote), sinh vËt nh©n thËt (eukaryote) vµ vi khuÈn cùc ®oan (archea). Nh÷ng hiÓu biÕt vÒ nh÷ng qu¸ tr×nh nµy sÏ cho phÐp chóng ta nh×n l¹i vÒ kh¸i niÖm gen mét c¸ch thÊu ®¸o h¬n ë phÇn cuèi cña ch−¬ng nµy.

Kh¸i niÖm

17.1

Gen x¸c ®Þnh protein qua phiªn m(cid:24) vµ dÞch m(cid:24)

µo n¨m 2006, h×nh ¶nh mét con h−¬u con bÞ b¹ch t¹ng ®ang n« ®ïa gi÷a ®µn h−¬u n©u ë vïng nói miÒn ®«ng n−íc §øc ®· g©y nªn mét lµn sãng ph¶n øng kh¸c nhau trong céng ®ång (H×nh 17.1). Mét tæ chøc s¨n b¾n ®éng vËt ë ®Þa ph−¬ng cho r»ng: con h−¬u b¹ch t¹ng m¾c “bÖnh di truyÒn” vµ cÇn giÕt bá. Mét sè ng−êi kh¸c th× cho r»ng con h−¬u ®ã cÇn ®−îc b¶o vÖ b»ng c¸ch cho lai víi nh÷ng con h−¬u kh¸c ®Ó b¶o vÖ vèn gen cña quÇn thÓ. Trong khi, nh÷ng ng−êi kh¸c th× ñng hé quan ®iÓm cÇn chuyÓn con h−¬u ®ã vµo v−ên quèc gia ®Ó b¶o vÖ, v× trong m«i tr−êng sèng hoang d¹i, con h−¬u nµy dÔ bÞ c¸c loµi ®éng vËt ¨n thÞt ph¸t hiÖn. Mét siªu sao nh¹c rèc ng−êi §øc thËm chÝ ®· tæ chøc mét buæi biÓu diÔn quyªn gãp tiÒn ®Ó lµm viÖc di chuyÓn vµ b¶o vÖ con h−¬u nµy. §iÒu g× ®· dÉn ®Õn kiÓu h×nh kú l¹ cña con h−¬u nµy, vèn lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn nh÷ng quan ®iÓm tranh c·i kh¸c nhau?

Tr−íc khi t×m hiÓu chi tiÕt b»ng c¸ch nµo c¸c gen cã thÓ ®iÒu khiÓn sù tæng hîp protein, chóng ta h·y quay ng−îc “b¸nh xe lÞch sö” ®Ó xem gen vµ protein ®−îc ph¸t hiÖn nh− thÕ nµo.

B»ng chøng tõ c¸c nghiªn cøu vÒ sai háng chuyÓn hãa

ë Ch−¬ng 14, chóng ta ®· biÕt r»ng c¸c tÝnh tr¹ng di truyÒn ®−îc qui ®Þnh bëi c¸c gen vµ tÝnh tr¹ng b¹ch t¹ng lµ do mét alen lÆn thuéc gen tæng hîp s¾c tè g©y nªn. C¸c néi dung th«ng tin ®−îc m· hãa trong c¸c gen biÓu hiÖn ë d¹ng c¸c tr×nh tù nucleotit ®Æc thï trªn ph©n tö ADN, tøc lµ ph©n tö mang th«ng tin di truyÒn. Nh−ng b»ng c¸ch nµo c¸c th«ng tin nµy cã thÓ qui ®Þnh c¸c tÝnh tr¹ng cña mét c¬ thÓ sinh vËt? Nãi c¸ch kh¸c, b»ng c¸ch nµo mçi gen cã thÓ truyÒn ®¹t ®−îc th«ng ®iÖp cña

Vµo n¨m 1909, b¸c sÜ ng−êi Anh Archibald Garrod lµ ng−êi ®Çu tiªn cho r»ng c¸c gen qui ®Þnh kiÓu h×nh th«ng qua c¸c

325

thªm mét chÊt dinh d−ìng nhÊt ®Þnh (vèn kh¸c nhau gi÷a m«i tr−êng ®ñ vµ mèi tr−êng tèi thiÓu). ChÊt bæ sung ®Æc thï cho phÐp nÊm men ®ét biÕn cã thÓ sinh tr−ëng sÏ cung cÊp th«ng tin vÒ kiÓu sai háng chuyÓn hãa ë chñng nÊm men ®ét biÕn. VÝ dô, nÕu chñng ®ét biÕn ®−îc t×m thÊy cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn trong m«i tr−êng bæ sung axit amin arginine, th× c¸c nhµ nghiªn cøu kÕt luËn r»ng thÓ ®ét biÕn ®ã bÞ sai háng trong con ®−êng chuyÓn hãa tæng hîp arginine so víi chñng kiÓu d¹i.

enzym xóc t¸c c¸c ph¶n øng diÔn ra trong tÕ bµo. Garrod dù ®o¸n r»ng c¸c triÖu chøng cña mét bÖnh di truyÒn lµ kÕt qu¶ cña viÖc mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp mét enzym nhÊt ®Þnh nµo ®ã ë ng−êi bÖnh. ¤ng coi nh÷ng bÖnh nh− vËy lµ nh÷ng “rèi lo¹n trao ®æi chÊt bÈm sinh”. Garrod ®· nªu vÝ dô vÒ mét bÖnh di truyÒn ®−îc gäi lµ alkapto niÖu; ë nh÷ng ng−êi m¾c bÖnh nµy, n−íc tiÓu cã mµu ®en do trong thµnh phÇn cã alkapton lµ mét chÊt chuyÓn mÇu sÉm khi tiÕp xóc víi kh«ng khÝ. Garrod cho r»ng phÇn lín mäi ng−êi ®Òu cã mét enzym gióp chuyÓn hãa alkapton, nh−ng nh÷ng ng−êi bÞ bÖnh ®· ®−îc di truyÒn gen mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp enzym nµy.

Beadle vµ Tatum sau ®ã tiÕp tôc x¸c ®Þnh tÝnh ®Æc thï cña mçi thÓ ®ét biÕn. H×nh 17.2 minh häa c¸ch hä dïng c¸c phÐp thö tiÕp theo ®Ó ph©n biÖt ba thÓ ®ét biÕn kh¸c nhau dï chóng ®Òu lµ c¸c ®ét biÕn khuyÕt d−ìng vÒ arginine. Mçi thÓ ®ét biÕn nµy ®Òu cÇn mét nhãm chÊt kh¸c nhau däc theo con ®−êng sinh tæng hîp arginine gåm ba b−íc. Tõ kÕt qu¶ thÝ nghiÖm, c¸c nhµ nghiªn cøu cho r»ng c¸c thÓ ®ét biÕn ®· bÞ øc chÕ ë c¸c b−íc kh¸c nhau cña cïng con ®−êng chuyÓn hãa trong ®ã mçi thÓ ®ét biÕn thiÕu mét enzym t−¬ng øng víi b−íc chuyÓn hãa bÞ øc chÕ.

Do trong nghiªn cøu cña Beadle vµ Tatum, c¸c sai háng ë c¸c thÓ ®ét biÕn ®Òu liªn quan ®Õn mét gen duy nhÊt, nªn kÕt qu¶ nghiªn cøu cña hä ®· ñng hé cho Gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym mµ chÝnh hai nhµ khoa häc nµy ®· ®−a ra. Gi¶ thiÕt “mét gen - mét enzym” ph¸t biÓu r»ng: chøc n¨ng cña mét gen lµ ®iÒu khiÓn sù tæng hîp mét enzym ®Æc thï. Gi¶ thiÕt nµy sau ®ã tiÕp tôc ®−îc cñng cè khi ngµy cµng cã nhiÒu thÓ ®ét biÕn ®−îc x¸c ®Þnh thiÕu mét enzym ®Æc thï nµo ®ã so víi c¸c d¹ng kiÓu d¹i. N¨m 1958, Beadle vµ Tatum ®−îc trao gi¶i th−ëng Nobel vÒ “ph¸t hiÖn cña hä cho thÊy c¸c gen ®iÒu khiÓn c¸c sù kiÖn hãa häc x¸c ®Þnh” (TrÝch nguyªn v¨n tõ ñy ban Nobel).

thÓ ®ét biÕn khuyÕt d−ìng ë

S¶n phÈm biÓu hiÖn cña gen: C©u chuyÖn tiÕp tôc ph¸t triÓn

Garrod còng cã thÓ lµ mét trong nh÷ng ng−êi ®Çu tiªn nhËn ra c¸c qui luËt di truyÒn cña Mendel cã thÓ ¸p dông cho ng−êi gièng nh− víi c©y ®Ëu Hµ lan. Cã thÓ nãi nhËn thøc cña Garrod ®· ®i tr−íc thêi ®¹i, bëi v× c¸c nghiªn cøu ®−îc tiÕn hµnh sau ®ã hµng chôc n¨m míi thùc sù ñng hé cho gi¶ thiÕt cña «ng vÒ viÖc mçi gen ®iÒu khiÓn sù tæng hîp cña mét enzym ®Æc thï. C¸c nhµ hãa sinh häc ngµy cµng tÝch lòy ®−îc nhiÒu b»ng chøng cho thÊy tÕ bµo tiÕn hµnh tæng hîp vµ ph©n hñy phÇn lín c¸c chÊt h÷u c¬ th«ng qua c¸c con ®−êng chuyÓn hãa, ë ®ã mçi ph¶n øng hãa häc ®Òu ®−îc xóc t¸c bëi mét enzym ®Æc thï (xem trang 142). Mét vÝ dô vÒ con ®−êng chuyÓn hãa nh− vËy lµ sù tæng hîp c¸c s¾c tè quy ®Þnh mµu m¾t ë ruåi Drosophila (xem H×nh 15.3). Vµo kho¶ng nh÷ng n¨m 1930, George Beadle vµ Boris Ephrussi dù ®o¸n r»ng ë ruåi Drosophila, mçi mét thÓ ®ét biÕn mµu m¾t ®Òu cã qu¸ tr×nh tæng hîp s¾c tè bÞ øc chÕ t¹i mét b−íc ®Æc thï nµo ®ã, do thiÕu sù tæng hîp enzym xóc t¸c b−íc ph¶n øng ®ã. Tuy vËy, vµo thêi ®iÓm ®ã kh«ng cã ph¶n øng nµo còng nh− enzym cã liªn quan ®Õn sù tæng hîp s¾c tè qui ®Þnh mµu m¾t ë ruåi giÊm ®−îc biÕt ®Õn. C¸c Neurospora: §iÒu tra khoa häc Mét b−íc ngoÆt trong viÖc lµm s¸ng tá mèi quan hÖ gi÷a gen vµ enzym ®Õn sau ®ã vµi n¨m khi Beadle vµ Edward Tatum nghiªn cøu ë nÊm men Neurospora crassa. Trªn c¬ së c¸c ph−¬ng ph¸p g©y t¹o ®ét biÕn ®−îc t×m ra tõ nh÷ng n¨m 1920, c¸c nhµ khoa häc ®· dïng tia X “b¾n ph¸” c¸c chñng Neurospora ®Ó t¹o nªn c¸c chñng ®ét biÕn cã nhu cÇu dinh d−ìng kh¸c so víi kiÓu d¹i. C¸c chñng nÊm men Neurospora kiÓu d¹i cã nhu cÇu dinh d−ìng ®¬n gi¶n. Chóng cã thÓ dÔ dµng sèng trong m«i tr−êng th¹ch (agar) ®−îc bæ sung mét sè muèi v« c¬, ®−êng glucose vµ vitamin biotin. Tõ m«i tr−êng tèi thiÓu nµy, c¸c tÕ bµo nÊm men cã thÓ dïng c¸c con ®−êng chuyÓn hãa cña chóng ®Ó t¹o nªn tÊt c¶ c¸c ph©n tö cÇn cho sù sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn cña m×nh. Beadle vµ Tatum ®· x¸c ®Þnh ®−îc nhiÒu chñng ®ét biÕn kh«ng cã kh¶ n¨ng sèng trªn m«i tr−êng tèi thiÓu do nguyªn nh©n mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp mét hîp chÊt thiÕt yÕu nµo ®ã. Nh÷ng chñng ®ét biÕn nh− vËy ®−îc gäi lµ ®ét biÕn khuyÕt d−ìng. §Ó cã thÓ nu«i c¸c chñng ®ét biÕn nµy, Beadle vµ Tatum ph¶i nu«i chóng trong m«i tr−êng ®ñ, gåm c¸c thµnh phÇn cña m«i tr−êng tèi thiÓu, ngoµi ra bæ sung thªm 20 lo¹i axit amin vµ mét sè chÊt dinh d−ìng kh¸c n÷a. Trong m«i tr−êng ®ñ, mäi thÓ ®ét biÕn ®Òu cã kh¶ n¨ng sèng dï chóng kh«ng cã kh¶ n¨ng tæng hîp mét chÊt nµo ®ã.

Khi c¸c nhµ nghiªn cøu ngµy cµng hiÓu râ h¬n vÒ protein, hä b¾t ®Çu xem l¹i gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym. Tr−íc hÕt, kh«ng ph¶i mäi protein ®Òu lµ enzym. VÝ dô nh−, keratin lµ mét protein cÊu tróc cã trong thµnh phÇn l«ng, tãc ë ®éng vËt; hay nh− insulin lµ mét protein cã chøc n¨ng ®iÒu hßa (hoocm«n), ®Òu lµ c¸c protein nh−ng kh«ng ph¶i lµ enzym. Do cã nhiÒu protein kh«ng ph¶i lµ enzym nh−ng vÉn lµ c¸c s¶n phÈm cña gen, nªn c¸c nhµ sinh häc ph©n tö b¾t ®Çu nghÜ vÒ kh¸i niÖm mét gen - mét protein. Tuy vËy, rÊt nhiÒu protein ®−îc cÊu t¹o nªn tõ hai hay nhiÒu chuçi polypeptit kh¸c nhau, mµ mçi chuçi polypeptit l¹i ®−îc m· hãa bëi mét gen riªng. VÝ dô nh−, protein vËn chuyÓn «xy trong m¸u cña ®éng vËt cã x−¬ng sèng lµ hemoglobin ®−îc cÊu t¹o nªn tõ hai lo¹i polypeptit ®−îc m· hãa t−¬ng øng bëi hai gen kh¸c nhau (xem H×nh 5.21). V× vËy, ý t−ëng cña Beadle vµ Tatum ®· ®−îc ph¸t biÓu l¹i lµ Gi¶ thiÕt mét gen - mét chuçi polypeptit. MÆc dï vËy, kh¸i niÖm nµy còng kh«ng hoµn toµn chÝnh x¸c. Thø nhÊt, nhiÒu gen ë sinh vËt nh©n thËt cã thÓ ®ång thêi m· hãa cho nhiÒu chuçi polypeptit kh¸c nhau nh−ng cã quan hÖ víi nhau th«ng qua c¸ch hoµn thiÖn c¸c s¶n phÈm phiªn m· vµ dÞch m· kh¸c nhau mµ chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn ë phÇn sau cña ch−¬ng nµy. Thø hai, mét sè gen m· hãa cho c¸c ph©n tö ARN cã chøc n¨ng quan träng trong tÕ bµo, mÆc dï chóng kh«ng bao giê ®−îc dÞch m· thµnh protein. Tuy vËy, hiÖn nay chóng ta chñ yÕu tËp trung vµo c¸c gen m· hãa cho c¸c chuçi polypeptit. (Trong thùc tÕ hiÖn nay “s¶n phÈm cña c¸c gen” th−êng ®−îc hiÓu víi nghÜa phæ biÕn lµ protein, chø kh«ng ph¶i chÝnh x¸c h¬n lµ c¸c chuçi polypeptit - mét thùc tÕ b¹n còng sÏ gÆp trong cuèn s¸ch nµy).

§Ó ph©n tÝch ®Æc ®iÓm cña c¸c d¹ng sai háng trao ®æi chÊt ë c¸c chñng ®ét biÕn khuyÕt d−ìng, Beadle vµ Tatum ®· tiÕn hµnh lÊy mÉu b»ng c¸ch nu«i chóng trong m«i tr−êng ®ñ, råi ph©n phèi chóng vµo c¸c èng ®ùng mÉu. Trong mçi èng ®ùng mÉu, hä bæ sung m«i tr−êng tèi thiÓu, ngoµi ra chØ bæ sung 326 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

(cid:2) H×nh 17.2 Nghiªn cøu ph¸t hiÖn Cã ph¶i c¸c gen quy ®Þnh c¸c enzym biÓu hiÖn chøc n¨ng trong c¸c con ®−êng hãa sinh?

ThÝ nghiÖm

Kh«ng sinh tr−ëng: C¸c tÕ bµo ®ét biÕn kh«ng sinh tr−ëng vµ ph©n chia Sinh tr−ëng: C¸c tÕ bµo kiÓu d¹i sinh tr−ëng vµ ph©n chia

M«i tr−êng tèi thiÓu

Khi nghiªn cøu ë Neurospora crassa, George Beadle vµ Edward Tatum t¹i §¹i häc Stanford ®· ph©n lËp ®−îc c¸c thÓ ®ét biÕn cÇn bæ sung arginine vµo m«i tr−êng sinh tr−ëng cña chóng. C¸c nhµ nghiªn cøu thÊy r»ng c¸c thÓ ®ét biÕn nµy chia lµm ba nhãm, mçi nhãm bÞ sai háng mét gen kh¸c nhau. C©n nh¾c trªn c¸c d÷ liÖu thÝ nghiÖm, hä dù ®o¸n con ®−êng sinh tæng hîp arginine liªn quan ®Õn mét tiÒn chÊt trong m«i tr−êng dinh d−ìng vµ c¸c ph©n tö trung gian lµ ornithine vµ citruline. ThÝ nghiÖm næi tiÕng nhÊt cña hä ®−îc minh häa ë ®©y võa chøng minh gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym võa x¸c nhËn con ®−êng tæng hîp arginine mµ hä ®· dù ®o¸n. Trong thÝ nghiÖm nµy, hä ®· nu«i ba nhãm nÊm men ®ét biÕn trong 4 ®iÒu kiÖn m«i tr−êng kh¸c nhau nh− ®−îc minh häa ë phÇn KÕt qu¶ d−íi ®©y. ë ®©y, hä ®· dïng m«i tr−êng tèi thiÓu (MM) lµm ®èi chøng do trong m«i tr−êng nµy c¸c tÕ bµo kiÓu d¹i cã thÓ sinh tr−ëng, trong khi c¸c tÕ bµo ®ét biÕn th× kh«ng. (Xem h×nh minh häa c¸c èng nghiªm bªn ph¶i.)

C¸c nhãm Neurospora crassa KÕt qu¶ KiÓu d¹i Nhãm ®ét biÕn I Nhãm ®ét biÕn II Nhãm ®ét biÕn III

g n ê − r t i

M«i tr−êng tèi thiÓu (MM) (§èi chøng)

M M + o r n i t h i n e Chñng kiÓu d¹i cã kh¶ n¨ng sinh tr−ëng trong tÊt c¶ c¸c ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm kh¸c nhau, chØ ®ßi hái m«i tr−êng tèi thiÓu. Trong khi ®ã, ba nhãm ®ét biÕn ®Òu cÇn bæ sung nh÷ng chÊt dinh d−ìng ®Æc thï cho mçi nhãm. VÝ dô: c¸c ®ét biÕn nhãm II kh«ng sinh tr−ëng ®−îc trong m«i tr−êng chØ bæ sung ornithrine, mµ chØ sinh tr−ëng trong c¸c m«i tr−êng hoÆc bæ sung citruline hay arginine.

« m n Ö i k u Ò i §

M M + c i t r u l i n e

M M + a r g i n i n e (§èi chøng)

Sinh tr−ëng khi cã ornithine, citruline hoÆc arginine ChØ sinh tr−ëng khi cã citruline hoÆc arginine NhÊt thiÕt ph¶i cã arginine míi cã thÓ sinh tr−ëng Sinh tr−ëng trong mäi ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm

KÕt luËn

KiÓu d¹i Nhãm ®ét biÕn I (®ét biÕn ë gen A) Nhãm ®ét biÕn II (®ét biÕn ë gen B) Nhãm ®ét biÕn III (®ét biÕn ë gen C)

Gen A

Enzym A

Enzym A

Enzym A

Gen B

Enzym B

Enzym B

Enzym B

Gen C

Enzym C

Enzym C

Enzym C

TiÒn chÊt TiÒn chÊt TiÒn chÊt TiÒn chÊt

Tõ nh÷ng yªu cÇu vÒ nguån dinh d−ìng cña c¸c thÓ ®ét biÕn, Beadle vµ Tatum ®· suy luËn ra r»ng mçi nhãm ®ét biÕn kh«ng thÓ thùc hiÖn mét b−íc trong con ®−êng sinh tæng hîp arginine, mµ theo gi¶ thiÕt lµ do chóng thiÕu nh÷ng enzym ®Æc thï. Do mçi nhãm ®ét biÕn bÞ ®ét biÕn ë mét gen duy nhÊt, hä kÕt luËn r»ng mçi gen b×nh th−êng qui ®Þnh viÖc tÕ bµo s¶n xuÊt mét enzym. KÕt qu¶ nghiªn cøu nµy ñng hé cho gi¶ thiÕt mét gen – - mét enzym cña hä vµ ®ång thêi còng x¸c nhËn con ®−êng chuyÓn hãa tæng hîp arginine. (Chó ý trong phÇn KÕt qu¶ lµ c¸c thÓ ®ét biÕn chØ sinh tr−ëng ®−îc trong c¸c m«i tr−êng bæ sung mét hîp chÊt h×nh thµnh sau b−íc sai háng cña qu¸ tr×nh chuyÓn hãa, v× ®iÒu nµy míi cã thÓ gióp kh¾c phôc sai háng.)

G.W. Beadle and E.L. Tatum, Genetic control of biochemical reactions in Neurospora,

Proceedings of the National Academy of Science 27: 499 - 506 (1941).

NÕu ... th× sao ?

Nguån

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

327

Gi¶ sö kÕt qu¶ thÝ nghiÖm lµ: c¸c thÓ ®ét biÕn nhãm I chØ sinh tr−ëng ®−îc trªn m«i tr−êng MM bæ sung thªm hoÆc ornithine hoÆc arginine vµ c¸c ®ét biÕn nhãm II sinh tr−ëng ®−îc trªn m«i tr−êng MM ®−îc bæ sung thªm hoÆc citruline, ornithine hay arginine. Beadle vµ Tatum sÏ rót ra nh÷ng kÕt luËn g× vÒ con ®−êng chuyÓn hãa vµ nh÷ng s¶i háng ë c¸c thÓ ®ét biÕn thuéc nhãm I vµ II?

C¸c nguyªn lý c¬ b¶n cña phiªn m(cid:24) vµ dÞch m(cid:24)

sinh vËt nh©n s¬ (prokaryote) bëi v× tÕ bµo cña chóng kh«ng cã cÊu tróc nh©n ®−îc bao bäc bëi mµng - vèn lµ ®Æc ®iÓm râ rÖt cña c¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. PhÇn lín c¸c nghiªn cøu vÒ phiªn m· vµ dÞch m· ®Õn nay ®−îc thùc hiÖn ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt; vµ v× vËy, ®ã còng lµ nh÷ng néi dung chÝnh ®−îc tËp trung ®Ò cËp ë ch−¬ng nµy. MÆc dï nh÷ng hiÓu biÕt vÒ nh÷ng qu¸ tr×nh nµy ë liªn giíi vi khuÈn cùc ®oan cßn h¹n chÕ, nh−ng ë phÇn cuèi ch−¬ng chóng ta còng sÏ th¶o luËn vÒ mét sè khÝa c¹nh cña sù biÓu hiÖn gen ë liªn giíi sinh vËt nµy.

Gen cung cÊp b¶n h−íng dÉn ®Ó tÕ bµo tæng hîp nªn c¸c protein ®Æc thï. Tuy vËy, gen kh«ng trùc tiÕp t¹o nªn protein. CÇu nèi gi÷a ADN vµ sù tæng hîp protein lµ axit nucleic ARN. Tõ Ch−¬ng 5, chóng ta ®· biÕt ARN cã cÊu tróc hãa häc gièng ADN, trõ hai ®Æc ®iÓm: i) nã chøa ®−êng ribose thay cho ®−êng deoxyribose, vµ ii) nã mang baz¬ nit¬ lo¹i uracil chø kh«ng ph¶i lo¹i thymine (xem H×nh 5.27). V× vËy, nÕu nh− c¸c lo¹i nucleotit ch¹y däc m¹ch ADN cã c¸c baz¬ thuéc c¸c lo¹i A, G, C vµ T, th× mçi nucleotit cña ARN cã c¸c baz¬ ®iÓn h×nh lµ A, G, C vµ U. Mét ph©n tö ARN th−êng tån t¹i ë d¹ng m¹ch ®¬n.

Nh− mét th«ng lÖ, dßng th«ng tin tõ gen ®Õn protein th−êng ®−îc m« t¶ nh− sù truyÒn t¶i cña c¸c d¹ng “ng«n ng÷” bëi v× c¸c lo¹i axit nucleic còng nh− protein ®Òu lµ c¸c ®a ph©n tö (polyme) truyÒn t¶i th«ng tin trªn c¬ së tr×nh tù ®Æc thï cña c¸c ®¬n ph©n (monome), còng gièng nh− c¸ch chóng ta dïng TiÕng ViÖt hay TiÕng Anh lµ tr×nh tù ®Æc thï cña c¸c ch÷ c¸i ®Ó trao ®æi th«ng tin. Trong ph©n tö ADN vµ ARN, c¸c monome lµ bèn lo¹i nucleotit kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn baz¬. C¸c gen ®iÓn h×nh cã chiÒu dµi hµng tr¨m hoÆc hµng ngh×n nucleotit, mçi gen cã mét tr×nh tù baz¬ ®Æc thï. Mçi chuçi polypeptit cña mét ph©n tö protein còng cã c¸c monome s¾p xÕp thµnh mét chuçi th¼ng hµng cã tr×nh tù nhÊt ®Þnh (cÊu tróc bËc 1 cña protein); nh−ng c¸c monome cña chóng lµ c¸c axit amin. Nh− vËy, c¸c axit nucleic vµ protein mang th«ng tin ®−îc viÕt b»ng hai ng«n ng÷ hãa häc kh¸c nhau. Sù truyÒn t¶i th«ng tin tõ ADN tíi protein cÇn qua hai giai ®o¹n chÝnh: phiªn m· vµ dÞch m·.

C¸c nguyªn lý ®éng häc c¬ b¶n cña phiªn m· vµ dÞch m· lµ gièng nhau ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt, nh−ng cã mét ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt quan träng trong dßng th«ng tin di truyÒn ë trong c¸c tÕ bµo. Do vi khuÈn kh«ng cã nh©n, nªn ADN cña vi khuÈn kh«ng bÞ t¸ch biÖt hoµn toµn vÒ kh«ng gian víi ribosome còng nh− víi c¸c thµnh phÇn kh¸c cña bé m¸y tæng hîp protein (H×nh 17.3a). Nh− b¹n sÏ thÊy ë phÇn sau, do kh«ng cã sù t¸ch biÖt râ rµng vÒ kh«ng gian, nªn ë vi khuÈn qu¸ tr×nh dÞch m· mét ph©n tö mARN cã thÓ b¾t ®Çu ngay c¶ khi sù phiªn m· tæng hîp ph©n tö mARN ®ã vÉn ®ang diÔn ra. Ng−îc l¹i, ë c¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, mµng nh©n t¸ch biÖt hoµn toµn hai qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· vÒ kh«ng gian vµ thêi gian (H×nh 17.3b). Cô thÓ, phiªn m· diÔn ra trong nh©n, råi mARN ®−îc chuyÓn ra tÕ bµo chÊt; ë ®ã nã ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó dÞch m·. Tuy vËy, tr−íc khi mARN rêi khái nh©n, b¶n phiªn m· ARN ë sinh vËt nh©n thËt tõ c¸c gen m· hãa protein th−êng ®−îc biÕn ®æi qua mét sè b−íc ®Ó h×nh thµnh nªn ph©n tö mARN cuèi cïng hoµn thiÖn vÒ chøc n¨ng. Sù phiªn m· mét gen m· hãa protein ë sinh vËt nh©n thËt ban ®Çu t¹o ra mét ph©n tö tiÒn-mARN; ph©n tö nµy tr¶i qua qu¸ tr×nh hoµn thiÖn ®Ó h×nh thµnh nªn ph©n tö mARN cuèi cïng. C¸c b¶n phiªn m· ARN ®Çu tiªn ®−îc h×nh thµnh tõ mçi gen, bao gåm c¶ c¸c gen chØ m· hãa cho c¸c lo¹i ARN mµ kh«ng ®−îc dÞch m· thµnh protein, ®−îc gäi chung lµ c¸c b¶n phiªn m· s¬ cÊp.

Phiªn m· lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN d−íi sù “chØ dÉn” cña ADN. C¶ hai lo¹i axit nucleic nµy ®Òu dïng ng«n ng÷ hãa häc gièng nhau; v× vËy, th«ng tin ®−îc phiªn m· ®¬n gi¶n, hoÆc ®−îc sao chÐp, tõ ph©n tö nµy thµnh ph©n tö kh¸c. Cô thÓ, m¹ch ADN cã thÓ ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó tæng hîp mét m¹ch bæ sung míi trong sao chÐp ADN, còng nh− nã cã thÓ lµm khu«n ®Ó l¾p r¸p mét tr×nh tù bæ sung cña c¸c nuleotit ARN trong phiªn m·. §èi víi c¸c gen m· hãa protein, c¸c ph©n tö ARN thu ®−îc lµ b¶n phiªn m· “trung thùc” tõ b¶n h−íng dÉn tæng hîp protein ®−îc m· hãa trong gen. Nã kh«ng kh¸c mÊy b¶n sao b¶ng ®iÓm häc tËp cña b¹n; vµ còng gièng mét b¶n phiªn m·, nã cã thÓ ®−îc göi ®i d−íi d¹ng nhiÒu b¶n sao kh¸c nhau. Lo¹i ph©n tö ARN nh− vËy ®−îc gäi lµ ARN th«ng tin (mARN) bëi v× nã mang th«ng ®iÖp di truyÒn tõ ADN tíi bé m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo. (Phiªn m· lµ thuËt ng÷ chung cho qu¸ tr×nh tæng hîp mäi lo¹i ARN trªn c¬ së m¹ch khu«n ADN. ë phÇn sau cña ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn c¸c lo¹i ARN kh¸c còng ®−îc t¹o ra tõ phiªn m·.)

Cã thÓ tãm t¾t sù phiªn m· vµ dÞch m· nh− sau: c¸c gen “lËp tr×nh” sù tæng hîp protein th«ng qua c¸c th«ng ®iÖp di truyÒn ë d¹ng ARN th«ng tin. Cã thÓ hiÓu theo c¸ch kh¸c lµ c¸c tÕ bµo ®−îc chi phèi bëi mét chuçi lÖch ë cÊp ph©n tö theo dßng th«ng tin di truyÒn cã h−íng lµ: ADN → ARN → protein. Kh¸i niÖm nµy ®−îc Francis Crick ®−a ra lÇn ®Çu tiªn vµo n¨m 1956 vµ ®−îc gäi lµ “nguyªn lý trung t©m”. Kh¸i niÖm nµy ®· tån t¹i nh− thÕ nµo qua thêi gian? Vµo nh÷ng n¨m 1970, c¸c nhµ khoa häc ®· rÊt ng¹c nhiªn khi ph¸t hiÖn ra r»ng mét sè ph©n tö ARN cã thÓ lµm khu«n ®Ó tæng hîp ADN th«ng qua mét qu¸ tr×nh mµ chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn ë Ch−¬ng 19. Tuy vËy, c¬ chÕ ngo¹i lÖ nµy kh«ng hÒ phñ nhËn kh¸i niÖm chung lµ dßng th«ng tin di truyÒn chñ yÕu ®i tõ ADN tíi ARN råi tíi protein. ë phÇn tiÕp theo, chóng ta sÏ th¶o luËn vÒ néi dung b»ng c¸ch nµo b¶n h−íng dÉn c¸ch l¾p r¸p c¸c axit amin theo mét trËt tù ®Æc thï trong chuçi polypeptit ®−îc m· hãa trong c¸c axit nucleic.

M(cid:24) di truyÒn

DÞch m· lµ qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit diÔn ra d−íi sù “chØ dÉn” cña ARN. Trong giai ®o¹n nµy, cã mét sù thay ®æi ng«n ng÷: TÕ bµo ph¶i “phiªn dÞch” tr×nh tù c¸c baz¬ cña mét ph©n tö mARN thµnh tr×nh tù c¸c axit amin cña mét chuçi polypeptit. VÞ trÝ diÔn ra sù dÞch m· lµ c¸c ribosome; ®ã lµ phøc hÖ d¹ng h¹t t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho sù kÕt nèi c¸c axit amin theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c chuçi polypeptit.

Khi c¸c nhµ sinh häc b¾t ®Çu nghi ngê r»ng b¶n h−íng dÉn tæng hîp protein ®−îc ghi trong c¸c ph©n tö ADN, hä nhËn ra mét vÊn ®Ò: ChØ cã 4 lo¹i baz¬ trong c¸c nucleotit ®Ó x¸c ®Þnh cho 20 lo¹i axit amin. Do ®ã, m· di truyÒn kh«ng thÓ ë d¹ng ng«n ng÷ kiÓu t−îng h×nh nh− TiÕng Trung quèc ®−îc, nghÜa lµ mçi ký tù t−¬ng øng víi mét tõ riªng. VËy, bao nhiªu baz¬ trong c¸c nucleotit th× t−¬ng øng víi mét axit amin?

Phiªn m· vµ dÞch m· lµ c¸c qu¸ tr×nh cã ë mäi c¬ thÓ sèng. Tõ Ch−¬ng 1, chóng ta biÕt r»ng sinh giíi gåm ba liªn giíi: Vi khuÈn (Bacteria), Vi khuÈn cùc ®oan (Archaea) vµ Sinh vËt nh©n thËt (Eukarya). Hai liªn giíi ®Çu ®−îc gäi chung lµ c¸c

328 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

nucleotit kh¸c nhau, nªn chóng ta sÏ cã tèi ®a 16 (tøc lµ 42) kh¶ n¨ng tæ hîp; ®iÒu nµy cho thÊy m· bé hai kh«ng ®ñ ®Ó m· hãa cho tÊt c¶ 20 axit amin.

ADN Phiªn m·

mARN Ribosome DÞch m·

Bé ba c¸c baz¬ nucleotit lµ sè nguyªn nhá nhÊt, ®ång ®Òu cã thÓ m· hãa cho tÊt c¶ c¸c axit amin. NÕu mçi c¸ch s¾p xÕp cø 3 baz¬ kÕ tiÕp nhau x¸c ®Þnh mét axit amin, th× chóng ta sÏ cã 64 (tøc lµ 43) kh¶ n¨ng m· hãa; sè l−îng nµy thõa ®ñ ®Ó x¸c ®Þnh tÊt c¶ c¸c axit amin. Trªn c¬ së ®ã, c¸c sè liÖu thÝ nghiÖm sau nµy còng ®· x¸c nhËn r»ng: dßng th«ng tin ®i tõ gen ®Õn protein dùa trªn m· bé ba; nãi c¸ch kh¸c, b¶n h−íng dÉn tæng hîp mét chuçi polypeptit ®−îc viÕt trªn ADN lµ mét chuçi nh÷ng “tõ” gåm 3 nucleotit vµ cã ®Æc ®iÓm kh«ng gèi lªn nhau. VÝ dô, bé ba c¸c baz¬ AGT t¹i mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh (trong vïng m· hãa) trªn m¹ch ADN sÏ dÉn ®Õn sù l¾p r¸p mét axit amin Serine t¹i vÞ trÝ t−¬ng øng trªn chuçi polypeptit ®−îc t¹o ra.

Polypeptide

(a) TÕ bµo vi khuÈn. Trong tÕ bµo vi khuÈn, do thiÕu nh©n, mARN ®−îc t¹o ra tõ phiªn m· ®−îc dïng ngay ®Ó dÞch m· mµ kh«ng cÇn biÕn ®æi g× thªm.

Mµng nh©n

Trong qu¸ tr×nh phiªn m·, c¸c gen x¸c ®Þnh tr×nh tù c¸c baz¬ n»m däc chiÒu dµi ph©n tö mARN (H×nh 17.4). Trong ph¹m vi mçi gen, chØ mét trong hai m¹ch ADN ®−îc phiªn m·. M¹ch nµy ®−îc gäi lµ m¹ch khu«n bëi v× nã cung cÊp kiÓu mÉu, hay khu«n mÉu, cho sù l¾p r¸p c¸c nucleotit trªn b¶n phiªn m· ARN. Mét m¹ch ADN th−êng lµm khu«n cho mét sè hoÆc nhiÒu gen n»m däc theo ph©n tö ADN; trong khi ®ã, m¹ch bæ sung víi nã cã thÓ lµm khu«n cho sù phiªn m· cña nh÷ng

ADN Phiªn m·

TiÒn -mARN Hoµn thiÖn ARN

Gen 2 mARN

Ph©n tö ADN Gen 1

Gen 3

DÞch m· Ribosome

Polypeptide M¹ch ADN khu«n

Phiªn m· (b) TÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. Nh©n t¹o thµnh kh«ng gian t¸ch biÖt cho phiªn m·. B¶n phiªn m· ARN ®Çu tiªn, gäi lµ tiÒn-ARN, ®−îc biÕn ®æi qua mét sè b−íc tr−íc khi rêi nh©n ë d¹ng mARN hoµn thiÖn.

mARN

Codon dÞch m·

(cid:1) H×nh 17.3 Tæng quan: vai trß của phiªn m· vµ dÞch m· trong dßng th«ng tin di truyÒn. Trong tÕ bµo, dßng th«ng tin di truyÒn ®i tõ ADN ®Õn ARN råi ®Õn protein. Hai giai ®o¹n chÝnh cña dßng th«ng tin nµy lµ Phiªn m· vµ DÞch m·. Hai h×nh ¶nh thu gän ë trªn, (a) vµ (b), ph¶n ¸nh mét sè ®Æc ®iÓm cña c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· diÔn ra ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt ®−îc ®Ò cËp trong ch−¬ng nµy.

Protein

Codon: M· bé ba cña c¸c baz¬

(cid:1) H×nh 17.4 M· bé ba. Víi mçi gen, chØ mét trong hai m¹ch ADN ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó phiªn m·. Gièng nh− trong sao chÐp ADN, nguyªn t¾c kÕt cÆp gi÷a c¸c baz¬ nucleotit còng ®−îc dïng trong phiªn m·, chØ thay thÕ thymine (T) trong ADN b»ng uracil (U) trong ARN. Mçi codon (m· bé ba) x¸c ®Þnh mét axit amin ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi. Ph©n tö mARN ®−îc dÞch m· theo chiÒu 5' → 3'.

NÕu mçi baz¬ nucleotit ®−îc dÞch m· thµnh mét axit amin, th× chØ cã nhiÒu nhÊt 4 axit amin ®−îc x¸c ®Þnh. ThÕ cßn nÕu m· di truyÒn lµ m· bé hai th× sao? Ch¼ng h¹n, tr×nh tù hai baz¬ AG x¸c ®Þnh mét axit amin, cßn tr×nh tù baz¬ GT x¸c ®Þnh mét axit amin kh¸c. Do ë mçi vÞ trÝ, cã 4 kh¶ n¨ng lùa chän c¸c baz¬

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

329

Axit amin

gen kh¸c. §iÒu ®¸ng l−u ý lµ trong ph¹m vi mçi gen nhÊt ®Þnh, lu«n chØ cã mét m¹ch ADN ®−îc lµm khu«n ®Ó phiªn m·.

t Ê h n ø h t

B a z ¬ m A R N

N R A m ¬ z a B

t h ø b a

Mét ph©n tö mARN chØ cã tr×nh tù bæ sung víi m¹ch lµm khu«n ADN theo nguyªn t¾c kÕt cÆp cña c¸c baz¬, chø kh«ng gièng hÖt m¹ch lµm khu«n nµy. Sù kÕt cÆp gi÷a c¸c baz¬ lµ gièng nhau trong sao chÐp ADN vµ phiªn m·, chØ cã ®Æc ®iÓm kh¸c lµ U thay thÕ cho T lµ thµnh phÇn baz¬ cña ARN; ngoµi ra c¸c nucleotit cña ARN mang thµnh phÇn ®−êng lµ ribose thay cho deoxyribose trong ph©n tö ADN. Gièng víi m¹ch ADN míi, ph©n tö ARN ®−îc tæng hîp theo chiÒu ®èi song song víi m¹ch ADN lµm khu«n. (Xem c¸c kh¸i niÖm vÒ "®èi song song" vµ "chiÒu 5’ → 3’" cña chuçi axit nucleic trªn H×nh 16.7). VÝ dô nh−, tr×nh tù ba baz¬ ACC däc ph©n tö ADN (viÕt lµ 3’-ACC-5’) lµm khu«n tæng hîp nªn tr×nh tù 5’-UGG-3’ trªn ph©n tö mARN. Mçi bé ba c¸c baz¬ cña ph©n tö mARN ®−îc gäi lµ codon; vµ theo thãi quen, chóng th−êng ®−îc viÕt theo chiÒu 5’ → 3’. Trong vÝ dô trªn ®©y, UGG lµ codon m· hãa cho axit amin Tryptophan (viÕt t¾t lµ Trp). ThuËt ng÷ codon trong thùc tÕ còng ®−îc dïng ®Ó chØ bé ba c¸c baz¬ thuéc m¹ch kh«ng lµm khu«n trªn ph©n tö ADN. Nh÷ng codon nµy cã tr×nh tù c¸c nucleotit bæ sung víi m¹ch ADN lµm khu«n, vµ v× vËy sÏ gièng víi tr×nh tù c¸c nucleotit trªn mARN, trõ viÖc U ®−îc thay thÕ b»ng T. (V× lý do nµy, m¹ch ADN kh«ng lµm khu«n l¹i ®−îc gäi lµ “m¹ch m· hãa”.)

(cid:1) H×nh 17.5 Tõ ®iÓn m· di truyÒn. Thø tù ba baz¬ cña c¸c codon mARN ®−îc minh häa theo chiÒu 5' → 3' trªn ph©n tö mARN. (Thùc hµnh sö dông "Tõ ®iÓn m· di truyÒn nµy" b»ng viÖc t×m ra c¸c codon trªn H×nh 17.4). Codon AUG kh«ng chØ m· hãa axit amin methionine (Met) mµ cßn lµ tÝn hiÖu "b¸o hiÖu" cho ribosome b¾t ®Çu dÞch m· t¹i ®iÓm nµy. Cã 3 trong 64 codon cã chøc n¨ng lµ "tÝn hiÖu kÕt thóc dÞch m·" (stop codon); nã b¸o hiÖu sù kÕt thóc cña mét "th«ng ®iÖp di truyÒn". Xem H×nh 5.17 vÒ c¸ch viÕt t¾t c¸c axit amin b»ng ba ch÷ c¸i.

Trong qu¸ tr×nh dÞch m·, tr×nh tù c¸c codon däc ph©n tö mARN ®−îc gi¶i m·, hay dÞch m·, thµnh tr×nh tù c¸c axit amin tõ ®ã h×nh thµnh nªn chuçi polypeptit. C¸c codon ®−îc bé m¸y dÞch m· ®äc theo chiÒu 5’ → 3’ cña m¹ch mARN. Mçi codon x¸c ®Þnh mét trong 20 lo¹i axit amin ®−îc l¾p r¸p vµo ®óng vÞ trÝ t−¬ng øng däc chuçi polypeptit. Do c¸c codon lµ m· bé ba, nªn sè nucleotit cÇn ®Ó m· hãa mét “th«ng ®iÖp di truyÒn” cÇn nhiÒu h¬n Ýt nhÊt ba lÇn so víi sè c¸c axit amin trong s¶n phÈm protein. VÝ dù nh−, ®Ó m· hãa mét chuçi polypeptit gåm 100 axit amin, cÇn mét tr×nh tù gåm 300 nucleotit däc m¹ch ARN.

Gi¶i m· sù sèng

hÕt. Nh− ®−îc liÖt kª trªn H×nh 17.5, trong sè 64 codon cã 61 codon m· hãa cho c¸c axit amin. Ba codon kh«ng m· hãa cho bÊt cø axit amin nµo ®−îc gäi lµ c¸c “tÝn hiÖu kÕt thóc dÞch m·” (stop codon); ë ®ã, qu¸ tr×nh dÞch m· kÕt thóc. §iÒu ®¸ng l−u ý lµ codon AUG cã hai chøc n¨ng: nã võa m· hãa cho axit amin methinonine (Met), võa lµ tÝn hiÖu “b¾t ®Çu dÞch m·” (start codon). §iÒu nµy cã nghÜa lµ, c¸c th«ng ®iÖp di truyÒn trªn ph©n tö mARN lu«n ®−îc b¾t ®Çu tõ codon AUG (trõ mét sè ngo¹i lÖ); nãi c¸ch kh¸c, ®©y còng chÝnh lµ “tÝn hiÖu” th«ng b¸o cho bé m¸y dÞch m· b¾t ®Çu qu¸ tr×nh dÞch m· mARN. (Do AUG ®ång thêi m· hãa cho methionine, nªn tÊt c¶ c¸c chuçi polypeptit ®Òu b¾t ®Çu b»ng axit amin nµy khi chóng ®−îc tæng hîp. Tuy vËy, sau ®ã mét enzym cã thÓ c¾t bá axit amin khëi ®Çu nµy hoÆc kh«ng).

C¸c nhµ sinh häc ph©n tö ®· gi¶i m· sù sèng thµnh c«ng vµo nh÷ng n¨m ®Çu cña thËp kû 1960, khi mét lo¹t c¸c thÝ nghiÖm hîp lý ®· gióp lµm s¸ng tá sù dÞch m· c¸c axit amin tõ mçi codon trªn mARN. Codon ®Çu tiªn ®−îc gi¶i m· bëi Marshall Nirenberg vµ céng sù t¹i ViÖn Y häc Quèc gia Hoa Kú (NIH) vµo n¨m 1961. Nirenberg ®· tæng hîp nh©n t¹o ®−îc mét ph©n tö mARN gåm toµn c¸c nucleotit ARN thuéc lo¹i uracil (U) liªn kÕt víi nhau. BÊt kÓ khi m¹ch ARN ®−îc b¾t ®Çu vµ kÕt thóc dÞch m· nh− thÕ nµo, th× m· bé ba lÆp l¹i còng lu«n lµ UUU. Nirenberg ®· bæ sung ph©n tö “poly U” nµy vµo èng nghiÖm chøa dung dÞch hçn hîp gåm c¸c lo¹i axit amin, ribosome vµ c¸c thµnh phÇn kh¸c cÇn cho sù tæng hîp protein. HÖ thèng nh©n t¹o cña Nirenberg vµ céng sù ®· dÉn ®Õn sù h×nh thµnh mét chuçi polypeptit chØ gåm toµn c¸c axit amin phenylalanine (Phe) kÕt thµnh chuçi liªn tiÕp, cßn ®−îc gäi lµ chuçi polyphenylalanine. B»ng c¸ch ®ã, Nirenberg ®· x¸c ®Þnh ®−îc r»ng codon UUU trªn ph©n tö mARN x¸c ®Þnh axit amin phenylalanine. Ngay sau ®ã, c¸c axit amin ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c codon AAA, GGG vµ CCC còng ®· ®−îc x¸c ®Þnh.

Cã mét ®Æc ®iÓm cÇn chó ý trªn H×nh 17.5 lµ m· di truyÒn cã tÝnh tho¸i hãa, nh−ng lu«n ®Æc thï. Cô thÓ nh−, mÆc dï c¸c m· bé ba GAA vµ GAG cã thÓ ®ång thêi m· hãa cho axit glutamic (tÝnh tho¸i hãa), nh−ng kh«ng cã bÊt kú m· bé ba nµo ®ång thêi m· hãa cho hai axit amin trë lªn (tÝnh ®Æc thï). Ngoµi ra, tÝnh tho¸i hãa cña m· bé ba còng kh«ng ph¶i lµ ngÉu nhiªn. Trong nhiÒu tr−êng hîp, c¸c codon kh¸c nhau cã cïng nghÜa (m· hãa cho cïng mét lo¹i axit amin), mµ chØ kh¸c nhau vÒ baz¬ thø ba trong bé ba nucleotit cña chóng. ë phÇn sau cña ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ thÊy −u ®iÓm cña tÝnh tho¸i hãa cña m· di truyÒn trong c¸c qu¸ tr×nh biÓu hiÖn c¸c gen.

MÆc dï ph¶i ¸p dông mét sè kü thuËt phøc t¹p h¬n míi cã thÓ gi¶i m· c¸c codon kh¸c, nh− AUA vµ CGA; nh−ng cã thÓ nãi ®Õn gi÷a nh÷ng n¨m 1960, tÊt c¶ 64 codon ®· ®−îc gi¶i m· 330 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

Baz¬ mARN thø hai

thuËt "chuyÓn gen" ®· t¹o ra sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ sinh häc trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y (xem Ch−¬ng 20).

§Ó cã thÓ hiÓu ®−îc mét th«ng ®iÖp hay mét c©u ®−îc viÕt theo mét ng«n ng÷ nµo ®ã th× chóng ta ph¶i ®äc ®−îc c¸c kÝ hiÖu cña ng«n ng÷ ®ã khi chóng ®−îc xÕp theo nh÷ng nh÷ng nhãm nhÊt ®Þnh; nãi c¸ch kh¸c lµ trong mét khung ®äc ®óng. H·y xem c©u nãi sau: “con chã b¾t con mÌo”. NÕu sù xÕp nhãm cña c¸c ch÷ trong c©u nµy b¾t ®Çu tõ mét vÞ trÝ sai, th× c©u sÏ trë nªn v« nghÜa; ch¼ng h¹n nh− “onc hãb ¾tc onm Ìo”. Khung ®äc còng cã vai trß quan träng nh− vËy trong ng«n ng÷ ph©n tö cña tÕ bµo. Ch¼ng h¹n nh− ®o¹n polypeptit ng¾n trªn H×nh 17.4 sÏ chØ ®−îc t¹o ra chÝnh x¸c mét khi c¸c nucleotit trªn ph©n tö mARN ®−îc ®äc tõ tr¸i qua ph¶i (chiÒu 5’ → 3’) ®óng theo tõng nhãm 3 kÝ tù lµ UGG UUU GGC UCA. MÆc dï th«ng ®iÖp di truyÒn ®−îc viÕt liªn tôc (kh«ng cã kho¶ng c¸ch) gi÷a c¸c m· bé ba, nh−ng bé m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo ®äc ®−îc th«ng ®iÖp ®ã b»ng viÖc xÕp c¸c ch÷ c¸i (nucleotit) thµnh chuçi c¸c tõ (codon) gåm ba ch÷ c¸i liªn tôc vµ kh«ng gèi lªn nhau. Th«ng ®iÖp di truyÒn kh«ng ®−îc ®äc theo kiÓu c¸c codon gèi lªn nhau, ch¼ng h¹n nh− UGG UUU; trong tr−êng hîp m· gèi lªn nhau, nghÜa cña th«ng ®iÖp sÏ thay ®æi.

Sù tiÕn hãa cña m· di truyÒn

Tuy vËy, cã mét sè ngo¹i lÖ so víi tÝnh phæ biÕn chung cña m· di truyÒn. ë nh÷ng tr−êng hîp nµy, hÖ thèng dÞch m· ®äc c¸c m· bé ba víi nghÜa thay ®æi chót Ýt so víi c¸c m· bé ba tiªu chuÈn. Nh÷ng thay ®æi nhá nµy ®· ®−îc t×m thÊy ë mét sè loµi sinh vËt nh©n thËt ®¬n bµo vµ trong hÖ gen tÕ bµo chÊt (ti thÓ vµ l¹p thÓ) cña mét sè loµi. Ngoµi ra, còng cã nh÷ng ngo¹i lÖ liªn quan ®Õn viÖc mét m· bé ba kÕt thóc ®−îc dÞch m· thµnh mét trong hai lo¹i axit amin hiÕm vèn kh«ng thÊy cã ë phÇn lín c¸c loµi. Mét trong nh÷ng axit amin hiÕm nh− vËy (pyrrolysine) cho ®Õn nay míi chØ gÆp ë liªn giíi vi khuÈn cùc ®oan thø hai trong khi ®ã, axit amin hiÕm (Archeae); (selenocysteine) ®−îc t×m thÊy trong protein cña vi khuÈn vµ thËm chÝ ë mét sè enzym cña ng−êi. MÆc dï cã ngo¹i lÖ, nh−ng cã thÓ nãi tÝnh phæ biÕn cña m· di truyÒn lµ râ rµng. Mét ng«n ng÷ ®−îc mäi hÖ thèng sèng sö dông chung lµ b»ng chøng cho thÊy nã xuÊt hiÖn ngay tõ giai ®o¹n sím cña qu¸ tr×nh tiÕn hãa. Nãi c¸ch kh¸c, ng«n ng÷ nµy cã mÆt ®ñ sím trong tæ tiªn chung cña mäi sinh vËt cßn tån t¹i ®Õn ngµy nay. Ng«n ng÷ di truyÒn ®−îc dïng chung ®ång thêi lµ mét b»ng chøng gîi nhí vÒ mèi quan hÖ hä hµng gi÷a mäi d¹ng sèng trªn Tr¸i ®Êt.

17.1

1. B¹n mong ®îi mét chuçi polypeptit do mét ®o¹n mARN

dµi 30 nucleotit G (poly-G) m· hãa nh− thÕ nµo? vÏ tiÕp

M¹ch khu«n cña mét gen chøa tr×nh tù nucleotit 3’-TTCAGTCGT-5’. H·y vÏ m¹ch kh«ng lµm khu«n vµ tr×nh tù mARN, chØ râ c¸c ®Çu 5’ vµ 3’. H·y so s¸nh tr×nh tù nucleotit cña hai m¹ch võa ®−îc vÏ.

§iÒu g× nÕu

M· di truyÒn cã tÝnh phæ biÕn, nghÜa lµ gièng nhau ë tÊt c¶ c¸c loµi tõ c¸c vi khuÈn ®¬n bµo ®¬n gi¶n nhÊt cho ®Õn c¸c loµi ®éng vËt vµ thùc vËt cã cÊu tróc phøc t¹p nhÊt. Ch¼ng h¹n nh−, m· bé ba CCG trªn ph©n tö mARN ®−îc dÞch m· thµnh axit amin proline ë mäi loµi sinh vËt ®· tõng nghiªn cøu. Nhê tÝnh phæ biÕn cña m· di truyÒn, trong phßng thÝ nghiÖm, c¸c gen ®−îc chuyÓn (biÕn n¹p) tõ loµi nµy sang loµi kh¸c nh×n chung ®−îc phiªn m· vµ dÞch m· mét c¸ch hiÖu qu¶ ®¸ng ng¹c nhiªn, nh− vÝ dô trªn H×nh 17.6 ! Mét sè protein cña ng−êi ®−îc dïng trong y häc, nh− insulin, cã thÓ ®−îc s¶n xuÊt b»ng c¸c tÕ bµo vi khuÈn sau khi gen m· hãa protein ®ã ®−îc chuyÓn tõ hÖ gen ng−êi vµo hÖ gen vi khuÈn. Nh÷ng thµnh tùu nh− vËy cña kü

Gi¶ sö m¹ch kh«ng lµm khu«n ë c©u 2 ®−îc dïng ®Ó phiªn m· thay cho m¹ch lµm khu«n b×nh th−êng. H·y vÏ tr×nh tù mARN vµ tr×nh tù c¸c axit amin trªn chuçi polypeptit ®−îc dÞch m· dùa vµo H×nh 17.5. (L−u ý chiÒu c¸c ®Çu 5’ vµ 3’). Dù ®o¸n protein ®−îc t¹o ra tõ m¹ch kh«ng lµm khu«n sÏ biÓu hiÖn chøc n¨ng thÕ nµo so víi protein th«ng th−êng. Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A.

KiÓm tra kh¸i niÖm

Kh¸i niÖm

17.2

2. 3. Phiªn m(cid:24) lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN do ADN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n

B©y giê chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn tÝnh logic vÒ khÝa c¹nh ng«n ng÷ vµ ý nghÜa tiÕn hãa cña m· di truyÒn. Tr−íc tiªn, chóng ta sÏ xem chi tiÕt h¬n c¸c b−íc cña phiªn m·, giai ®o¹n thø nhÊt trong qu¸ tr×nh biÓu hiÖn cña c¸c gen m· hãa protein.

C¸c thµnh phÇn ph©n tö cña phiªn m(cid:24)

ARN th«ng tin, ph©n tö mang th«ng tin tõ ADN tíi bé m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo, ®−îc phiªn m· tõ m¹ch lµm khu«n cña mét gen. Mét enzym ®−îc gäi lµ ARN polymerase cã thÓ t¸ch hai m¹ch ADN cña chuçi xo¾n kÐp vµ l¾p r¸p c¸c nucleotit ARN däc theo m¹ch ADN lµm khu«n dùa trªn nguyªn t¾c kÕt cÆp gi÷a c¸c baz¬ nucleotit (H×nh 17.7). Gièng víi ADN

(cid:1) H×nh 17.6 Sù biÓu hiÖn gen ë c¸c loµi kh¸c nhau. Do c¸c loµi sinh vËt kh¸c nhau sö dông chung mét ng«n ng÷ (b¶ng m·) di truyÒn, nªn mét loµi cã thÓ ®−îc "lËp tr×nh" ®Ó s¶n xuÊt mét lo¹i protein vèn trong tù nhiªn chØ cã ®Æc thï ë mét loµi thø hai b»ng c¸ch chuyÓn ADN tõ loµi thø hai vµo loµi thø nhÊt.

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

331

(b) C©y thuèc l¸ biÓu hiÖn gen cña c«n trïng. Mµu vµng cña c©y ®−îc t¹o ra bëi mét ph¶n øng hãa häc ®−îc xóc t¸c bëi mét enzym do gen cña c«n trïng m· hãa. (a) Lîn biÓu hiÖn gen cña søa. Mét gen m· hãa protein ph¸t huúnh quang ®−îc chuyÓn tõ søa vµo trøng lîn ®· thô tinh. Mét trøng nh− vËy ®· ph¸t triÓn thµnh lîn ph¸t huúnh quang.

polymerase trong sao chÐp ADN, ARN polymerase chØ l¾p r¸p ®−îc c¸c nucleotit vµo chuçi polynucleotit ®ang kÐo dµi theo chiÒu 5’ → 3’. Tuy vËy, kh«ng gièng ADN polymerase, ARN polymerase cã thÓ khëi ®Çu sù tæng hîp chuçi polynucleotit ARN mµ kh«ng cÇn mét ®o¹n måi s½n cã.

§o¹n tr×nh tù ADN ®−îc dïng ®Ó phiªn mµ thµnh mét ph©n tö ARN hoµnh chØnh chøc n¨ng ®−îc gäi lµ mét ®¬n vÞ phiªn m·. Vi khuÈn cã mét lo¹i ARN polymerase duy nhÊt kh«ng chØ xóc t¸c tæng hîp mARN mµ cßn xóc t¸c tæng hîp c¸c lo¹i ARN kh¸c, bao gåm c¶ c¸c ARN lµ thµnh phÇn bé m¸y tæng hîp protein nh− ARN ribosome. Ng−îc l¹i, c¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt cã Ýt nhÊt ba lo¹i ARN polymerase kh¸c nhau cã trong nh©n tÕ bµo. Mét lo¹i ®−îc dïng trong phiªn m· tæng hîp c¸c mARN ®−îc gäi lµ ARN polymerase II. C¸c ARN polymerase kh¸c ®−îc dïng ®Ó phiªn m· c¸c gen m· hãa cho ARN nh−ng kh«ng ®−îc dÞch m· thµnh protein. Trong phÇn phiªn m· ®−îc ®Ò cËp sau ®©y, chóng ta sÏ nªu tr−íc tiªn nh÷ng ®Æc ®iÓm chung trong phiªn m· ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt, sau ®ã sÏ m« t¶ mét sè ®Æc ®iÓm kh¸c nhau c¬ b¶n nhÊt.

Tæng hîp b¶n phiªn m(cid:24) ARN

C¸c ®o¹n tr×nh tù nucleotit ®Æc thï trªn ph©n tö ADN x¸c ®Þnh vÞ trÝ mµ qu¸ tr×nh phiªn m· mét gen b¾t ®Çu vµ kÕt thóc. §o¹n tr×nh tù mµ ë ®ã c¸c enzym ARN polymerase ®Ýnh kÕt vµo ADN vµ khëi ®Çu sù phiªn m· ®−îc gäi lµ promoter (hay tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m·); ë vi khuÈn, tr×nh tù lµ tÝn hiÖu kÕt thóc sù phiªn m· ®−îc gäi lµ terminator (hay tÝn hiÖu kÕt thóc phiªn m·). (Sù kÕt thóc phiªn m· ë sinh vËt nh©n thËt diÔn ra theo mét c¬ chÕ kh¸c sÏ ®−îc ®Ò cËp sau). C¸c nhµ sinh häc ph©n tö th−êng xem chiÒu phiªn m· cña mét gen lµ “xu«i dßng”, trong khi chiÒu ng−îc l¹i ®−îc gäi lµ “ng−îc dßng”. Nh÷ng thuËt ng÷ nµy cßn ®−îc dïng ®Ó m« t¶ vÞ trÝ c¸c tr×nh tù nucleotit (®«i khi gäi lµ c¸c yÕu tè tr×nh tù) trªn c¸c ph©n tö ADN vµ ARN. V× vËy, trªn ADN c¸c promoter cña mét gen lu«n n»m ng−îc dßng so víi terminator t−¬ng øng cña nã.

Nh− ®−îc m« t¶ trªn H×nh 17.7, ba giai ®o¹n cña sù phiªn m· bao gåm khëi ®Çu phiªn m·, kÐo dµi chuçi ARN vµ kÕt thóc phiªn m·. Xem kü H×nh 17.7 ®Ó lµm quen víi c¸c kh¸i niÖm vµ c¸c giai ®o¹n c¬ b¶n cña mét qu¸ tr×nh phiªn m·.

ARN polymerase vµ khëi ®Çu phiªn m·

Tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (Promoter) §¬n vÞ phiªn m·

Tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter) cña mét gen bao gåm ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m· (tøc lµ nucleotit ë ®ã sù tæng hîp ARN thùc sù b¾t ®Çu) vµ phÇn më réng th−êng n»m ng−îc dßng hµng chôc nucleotit kÓ tõ ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m·. Ngoµi chøc n¨ng lµ

ADN §iÓm b¾t ®Çu phiªn m· ARN polyemrase

KÐo dµi chuçi M¹ch ADN kh«ng lµm khu«n

C¸c nucleotit ARN Khëi ®Çu phiªn m·. Sau khi ARN polymerase ®· liªn kÕt vµo promoter, c¸c m¹ch ADN gi·n xo¾n vµ enzym b¾t ®Çu tæng hîp ARN tõ ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m· trªn m¹ch lµm khu«n.

ARN polymerase M¹ch khu«n ADN B¶n phiªn m· ARN ADN gi·n xo¾n

KÐo dµi chuçi. Enzym ARN polymerase di chuyÓn xu«i dßng, lµm gi·n xo¾n ADN vµ kÐo dµi b¶n phiªn m· ARN theo chiÒu 5’ → 3’; ngay sau ®ã, c¸c m¹ch ADN t¸i liªn kÕt vÒ d¹ng chuçi xo¾n kÐp. ADN "®ãng xo¾n" trë l¹i

ChiÒu phiªn m· ("xu«i dßng") M¹ch ADN lµm khu«n

B¶n phiªn m· ARN M¹ch ARN míi tæng hîp

KÕt thóc phiªn m·. Cuèi cïng, b¶n phiªn m· ARN hoµn chØnh ®−îc gi¶i phãng vµ enzym polymerase rêi khái ADN.

(cid:1) H×nh 17.7 C¸c giai ®o¹n phiªn m·: khëi ®Çu phiªn m·, kÐo dµi chuçi vµ kÕt thóc phiªn m·. H×nh m« t¶ c¸c giai ®o¹n phiªn m· ë ®©y lµ gièng nhau ë c¶ vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt; tuy vËy, chi tiÕt giai ®o¹n kÕt thóc phiªn m· lµ kh¸c nhau ë hai liªn giíi (xem m« t¶ trong phÇn diÔn gi¶i). Ngoµi ra, ë vi khuÈn, b¶n phiªn m· ARN cã thÓ dïng ngay ®Ó dÞch m· nh− mét ph©n tö mARN hoµn thiÖn; trong khi ®ã, ë sinh vËt nh©n thËt, b¶n phiªn m· th−êng ph¶i tr¶i qua qu¸ tr×nh hoµn thiÖn tr−íc khi cã thÓ ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó dÞch m·.

332 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

B¶n phiªn m· ARN hoµn chØnh

vÞ trÝ liªn kÕt cña ARN polymerase vµ x¸c ®Þnh ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m·, promoter cßn cã vai trß x¸c ®Þnh m¹ch nµo trong hai m¹ch cña chuçi xo¾n kÐp ADN ®−îc dïng lµm khu«n.

ADN

Phiªn m·

TiÒn-mARN

Hoµn thiÖn ARN

mARN

Ribosome

DÞch m·

Polypeptit

Promoter ë sinh vËt nh©n thËt th−êng cã mét hép TATA, n»m ng−îc dßng vµ c¸ch ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m· kho¶ng 25 nucleotit. (Theo thãi quen, tr×nh tù c¸c nucletotit th−êng ®−îc tr×nh bµy theo m¹ch kh«ng lµm khu«n, tøc lµ m¹ch m· hãa.)

Promoter

Hép TATA M¹ch ADN lµm khu«n §iÓm b¾t ®Çu phiªn m· Mét sè yÕu tè phiªn m·, mµ

Mét sè phÇn cña promoter cã vai trß ®Æc biÖt quan träng ®èi víi sù liªn kÕt cña ARN polymerase vµo m¹ch khu«n ADN. ë vi khuÈn, b¶n th©n enzym ARN polymerase (thùc ra lµ tiÓu phÇn polypeptit cña nã) cã kh¶ n¨ng nhËn ra vµ liªn kÕt vµo promoter. ë sinh vËt nh©n thËt, mét nhãm gåm nhiÒu protein gäi lµ c¸c yÕu tè phiªn m· ®iÒu hßa viÖc liªn kÕt cña ARN polymerase vµo promoter vµ khëi ®Çu phiªn m· cña c¸c gen. Tõ Ch−¬ng 16, chóng ta nhí r»ng ADN trong nhiÔm s¾c thÓ ë sinh vËt nh©n thËt ®−îc ®ãng gãi ë d¹ng phøc hîp víi histone vµ mét sè protein kh¸c vµ ®−îc gäi lµ chÊt nhiÔm s¾c. Vai trß cña c¸c protein nµy trong viÖc x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng béc lé cña ADN ®èi víi c¸c yÕu tè phiªn m· sÏ ®−îc chóng ta ®Ò cËp ë Ch−¬ng 18. ChØ khi mét sè yÕu tè phiªn m· nhÊt ®Þnh ®· liªn kÕt vµo promoter, ADN polymerase míi cã thÓ liªn kÕt vµo nã. Toµn bé phÇn phøc hÖ gåm c¸c yÕu tè phiªn m· vµ ARN polymerase II ®· liªn kÕt vµo promoter ®−îc gäi lµ phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m·. H×nh 17.8 m« t¶ vai trß cña c¸c yÕu tè phiªn m· vµ mét tr×nh tù ADN thiÕt yÕu thuéc promoter ®−îc gäi lµ hép TATA trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· ë mét promoter cña sinh vËt nh©n thËt.

mét trong sè chóng nhËn ra hép TATA, liªn kÕt ADN (promoter) tr−íc khi ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt vµo vïng nµy. C¸c yÕu tè phiªn m·

Sù t−¬ng t¸c gi÷a ARN polymerase II víi c¸c yÕu tè phiªn m· lµ mét vÝ dô ®iÓn h×nh vÒ tÇm quan träng cña t−¬ng t¸c protein - protein trong ®iÒu hßa phiªn m· ë sinh vËt nh©n thËt. Mét khi enzym polymerase ®· liªn kÕt æn ®Þnh víi tr×nh tù ADN t¹i promoter, hai m¹ch ADN t¹i ®ã sÏ gi·n xo¾n, vµ enzym sÏ b¾t ®Çu sù phiªn m· dùa trªn m¹ch lµm khu«n.

KÐo dµi m¹ch ARN

C¸c yÕu tè phiªn m· bæ sung

liªn kÕt vµo ADN cïng víi ARN polymerase ®Ó h×nh thµnh nªn phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m·. Chuçi xo¾n kÐp ADN ®−îc th¸o xo¾n vµ sù tæng hîp ARN b¾t ®Çu diÔn ra tõ ®iÓm khëi ®Çu phiªn m· trªn m¹ch ADN lµm khu«n.

Khi ARN polymerase di chuyÓn däc m¹ch ADN khu«n, nã tiÕp tôc th¸o xo¾n chuçi xo¾n kÐp vµ vµo mçi thêi ®iÓm nã béc lé ra mét ®o¹n dµi kho¶ng 10 - 20 baz¬ ADN ®Ó c¸c baz¬ ARN cã thÓ tiÕn hµnh b¾t cÆp (xem H×nh 17.7). Enzym nµy lÇn l−ît bæ sung c¸c nucleotit vµo phÝa ®Çu 3’ cña ph©n tö ARN ®ang kÐo dµi khi nã di chuyÓn däc chuçi xo¾n kÐp. Cïng víi viÖc bé m¸y tæng hîp ARN tiÕn vÒ phÝa tr−íc, ph©n tö ARN míi tæng hîp sÏ t¸ch khái m¹ch khu«n ADN, ®ång thêi chuçi xo¾n kÐp ADN h×nh thµnh trë l¹i. ë sinh vËt nh©n thËt, qu¸ tr×nh phiªn m· diÔn ra víi tèc ®é kho¶ng 40 nucleotit mçi gi©y.

ARN polymerase II C¸c yÕu tè phiªn m·

(cid:1) H×nh 17.8 Sù khëi ®Çu phiªn m· ë promoter cña sinh vËt nh©n thËt. Trong tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, c¸c protein ®−îc gäi lµ c¸c yÕu tè phiªn m· ®iÒu hßa sù khëi ®Çu phiªn m· cña enzym ARN polymerase II.

????

B¶n phiªn m· ARN Phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m(cid:24)

Sù phiªn m· cña mçi gen ®¬n lÎ cã thÓ ®−îc ®ång thêi xóc t¸c bëi nhiÒu enzym ARN polymerase cïng lóc (cã thÓ t−ëng t−îng gièng nh− nhiÒu chiÕc xe t¶i nèi ®u«i nhau thµnh mét ®oµn dµi). Tõ mçi ph©n tö enzym ARN polymerase, mét m¹ch ARN ®ang kÐo dµi “chui” ra víi chiÒu dµi t−¬ng øng víi kho¶ng c¸ch mµ enzym ARN polymerase ®· tr−ît däc trªn m¹ch khu«n ADN kÓ tõ ®iÓm khëi ®Çu phiªn m· (xem c¸c ph©n tö mARN trªn H×nh 17.24). Sù tËp hîp ®ång thêi cña nhiÒu ph©n tö polymerase gióp l−îng mARN ®−îc phiªn m· tõ mçi gen t¨ng lªn vµo cïng mét thêi ®iÓm; qua ®ã, tÕ bµo cã thÓ tæng hîp ®−îc mét l−îng lín protein ®Æc thï vµo c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau theo yªu cÇu sinh tr−ëng cña nã.

KÕt thóc phiªn m·

C¬ chÕ kÕt thóc phiªn m· cã ®Æc ®iÓm kh¸c nhau gi÷a vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt. ë vi khuÈn, sù phiªn m· v−ît qua mét tr×nh tù (tÝn hiÖu) kÕt thóc phiªn m· trªn m¹ch khu«n ADN. Tr×nh tù kÕt thóc phiªn m· (terminator) cã mÆt trªn m¹ch ARN ®−îc t¹o ra cã vai trß nh− tÝn hiÖu kÕt thóc phiªn m· lµm t¸ch

enzym polymerase rêi khái ADN ®ång thêi gi¶i phãng b¶n phiªn m· vèn sau ®ã ®−îc dïng lµm khu«n (mARN) ®Ó dÞch m·. ë sinh vËt nh©n thËt, ARN polymerase II phiªn m· mét tr×nh tù trªn ADN ®−îc gäi lµ tr×nh tù g¾n ®u«i polyA; tr×nh tù nµy th−êng m· hãa cho mét tÝn hiÖu g¾n ®u«i polyA (lµ AAUAAA) trªn ph©n tö tiÒn-mARN. Sau ®ã, t¹i mét ®iÓm c¸ch tÝn hiÖu “AAUAAA” kho¶ng tõ 10 ®Õn 35 nucleotit, c¸c protein liªn kÕt víi m¹ch ARN ®ang kÐo dµi sÏ c¾t rêi ph©n tö

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

333

Gi¶i thÝch sù t−¬ng t¸c gi÷a ARN polymerase víi promoter sÏ cã ®Æc ®iÓm kh¸c nh− thÕ nµo nÕu h×nh trªn m« t¶ sù khëi ®Çu phiªn m· ë vi khuÈn.

Sù biÕn ®æi ë c¸c ®Çu mARN

nµy khái ARN polymerase, ®ång thêi gi¶i phãng ra ph©n tö tiÒn-mARN. Tuy vËy, sau ho¹t ®éng c¾t nµy, enzym polymerase tiÕp tôc phiªn m· ADN kho¶ng vµi tr¨m nucleotit kÓ tõ khi ph©n tö tiÒn-mARN ®−îc gi¶i phãng ra. C¸c nghiªn cøu gÇn ®©y ë nÊm men cho thÊy: ®o¹n ARN ®−îc t¹o ra tõ viÖc phiªn m· tiÕp tôc nµy ®−îc ph©n gi¶i bëi mét enzym di chuyÓn däc ARN. C¸c sè liÖu ñng hé cho quan ®iÓm lµ: sù phiªn m· chØ thùc sù kÕt thóc vµ enzym polymerase rêi khái ADN khi enzym ph©n gi¶i trªn ®©y tiÕp cËn ®−îc polymerase. §ång thêi lóc nµy ph©n tö tiÒn-mARN tr¶i qua giai ®o¹n “chÕ biÕn” hay “hoµn thiÖn” ®Ó trë thµnh ph©n tö mARN hoµn thiÖn s½n sµng cho dÞch m·. Qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN ë sinh vËt nh©n thËt ®−îc ®Ò cËp trong môc d−íi ®©y.

17.2

1. So s¸nh gi÷a ADN polymerase vµ ARN polymerase vÒ sù biÓu hiÖn chøc n¨ng, yªu cÇu vÒ m¹ch khu«n vµ c¸c ®o¹n måi, chiÒu tæng hîp vµ c¸c lo¹i nucleotit lµm c¬ chÊt. 2. Promoter lµ g×? Nã n»m ng−îc dßng hay xu«i dßng so

víi ®¬n vÞ t¸i b¶n?

3. §iÒu g× gióp ARN polymerase cã thÓ khëi ®Çu phiªn m· t¹i vÞ trÝ chÝnh x¸c (®iÓm khëi ®Çu phiªn m·) ë tÕ bµo vi khuÈn vµ ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt?

®iÒu g× nÕu

4.

Mçi ®Çu cña mét ph©n tö tiÒn-mARN ®−îc biÕn ®æi theo mét c¸ch ®Æc tr−ng (H×nh 17.9). §Çu tiªn, ®Çu 5’ ®−îc tæng hîp; nã tiÕp nhËn mét mò ®Çu 5’, vÒ b¶n chÊt lµ mét d¹ng biÕn ®æi cña nucleotit guanine (G) ®−îc bæ sung vµo ®Çu 5’ cña mARN ®ang kÐo dµi sau khi phiªn m· ®· diÔn ra ®−îc kho¶ng tõ 20 ®Õn 40 nucleotit ®Çu tiªn. §Çu 3’ cña ph©n tö tiÒn-mARN còng ®−îc biÕn ®æi tr−íc khi mARN rêi khái nh©n. Chóng ta nhí l¹i r»ng, trong qu¸ tr×nh phiªn m·, mARN ®−îc gi¶i phãng ngay sau khi tÝn hiÖu g¾n ®u«i polyA (AAUAAA) ®−îc phiªn m·. T¹i ®Çu 3’, mét enzym sÏ bæ sung mét chuçi gåm kho¶ng tõ 50 ®Õn 250 nucleotit lo¹i adenine (A) liªn tiÕp nhau, gäi lµ ®u«i polyA. §Çu 5’ còng nh− ®u«i polyA cña mARN cã cïng mét sè chøc n¨ng quan träng. Thø nhÊt, chóng t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho sù vËn chuyÓn ph©n tö mARN hoµn thiÖn ra khái nh©n tÕ bµo. Thø hai, chóng b¶o vÖ ph©n tö mARN khái sù ph©n gi¶i do ho¹t ®éng cña c¸c enzym thñy ph©n. Vµ thø ba, chóng gióp c¸c ribosome ®Ýnh kÕt ®−îc vµo ®Çu 5’ cña ph©n tö mARN khi ph©n tö nµy ®i vµo tÕ bµo chÊt. H×nh 17.9 minh häa s¬ ®å cÊu tróc cña mét ph©n tö mARN hoµn thiÖn ®iÓn h×nh ë sinh vËt nh©n thËt gåm c¶ phÇn mò vµ ®u«i. S¬ ®å nµy ®ång thêi cho thÊy c¸c vïng kh«ng ®−îc dÞch m· (UTR) cã ë c¶ hai ®Çu 5’ vµ 3’ cña ph©n tö mARN (c¸c vïng nµy th−êng ®−îc gäi t−¬ng øng lµ 5’UTR vµ 3’UTR). C¸c vïng UTR lµ c¸c phÇn cña ph©n tö mARN hoµn thiÖn kh«ng ®−îc dÞch m· thµnh protein, nh−ng chóng cã mét sè chøc n¨ng kh¸c trong dÞch m·, ch¼ng h¹n nh− mét vÞ trÝ liªn kÕt cña ribosome.

Gen ph©n m¶nh vµ sù ghÐp nèi ARN

Gi¶ sö viÖc chiÕu x¹ tia X g©y nªn sù thay ®æi tr×nh tù ë hép TATA trong vïng promoter cña mét gen. HËu qu¶ x¶y ra ®èi víi sù phiªn m· cña gen ®ã sÏ cã xu h−íng nh− thÕ nµo? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A.

KiÓm tra kh¸i niÖm

Kh¸i niÖm

17.3

TÕ bµo sinh vËt nh©n thËt biÕn ®æi ARN sau phiªn m(cid:24)

Mét giai ®o¹n ®¸ng chó ý trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN trong nh©n cña sinh vËt nh©n thËt lµ viÖc lo¹i bá ®i mét phÇn lín c¸c ph©n ®o¹n bªn trong ph©n tö mARN tiÒn th©n; mét c«ng viÖc gièng nh− “c¾t - d¸n” c¸c file video b»ng c¸c phÇn mÒm m¸y tÝnh (H×nh 17.10) vµ ®−îc gäi lµ sù ghÐp nèi ARN. ChiÒu dµi trung b×nh cña mét ®¬n vÞ phiªn m· däc theo ph©n tö ADN cña ng−êi gåm kho¶ng 27.000 cÆp baz¬ (bp); v× vËy, ph©n tö mARN tiÒn th©n th−êng cã chiÒu dµi t−¬ng øng. Tuy vËy, ®Ó m· hãa mét ph©n tö protein cã kÝch th−íc trung b×nh gåm 400 axit amin, chØ cÇn mét ph©n tö ARN cã kÝch th−íc gåm 1200 nucleotit. (Nhí r»ng, mçi axit amin ®−îc m· hãa bëi mét bé ba nucleotit.) §iÒu nµy cã nghÜa lµ phÇn lín c¸c gen ë sinh vËt nh©n thËt vµ c¸c b¶n phiªn m· ARN tiÒn th©n cña chóng chøa c¸c ph©n ®o¹n nucleotit dµi kh«ng m· hãa; ®©y lµ nh÷ng ph©n ®o¹n kh«ng ®−îc dÞch m·. §iÒu ®¸ng ng¹c nhiªn

C¸c enzym trong nh©n tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt cã thÓ biÕn ®æi ph©n tö tiÒn-mARN theo mét sè c¸ch ®Æc tr−ng tr−íc khi b¶n phiªn m· di truyÒn ®−îc chuyÓn ra tÕ bµo chÊt. Trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN nµy, c¶ hai ®Çu cña ph©n tö mARN tiÒn th©n ®Òu ®−îc biÕn ®æi. Ngoµi ra, trong phÇn lín tr−êng hîp, mét sè phÇn bªn trong ph©n tö ARN còng ®−îc c¾t bá, trong khi c¸c phÇn cßn l¹i nèi l¹i víi nhau. KÕt qu¶ cña nh÷ng biÕn ®æi nµy lµ t¹o ra mét ph©n tö mARN s½n sµng cho dÞch m·.

ADN

Phiªn m·

TiÒn-mARN

Hoµn thiÖn ARN

Mét d¹ng biÕn ®æi cña nucleotit guanine ®−îc bæ sung vµo ®Çu 5' §u«i polyA gåm kho¶ng tõ 50 ®Õn 250 nucleotit lo¹i adenine ®−îc bæ sung vµo ®Çu 3'

mARN

Ribosome

DÞch m·

§o¹n m· hãa protein TÝn hiÖu g¾n ®u«i polyA

Polypeptit

Codon Mò ®Çu 5’ 5'UTR 3'UTR §u«i polyA Codon b¾t ®Çu kÕt thóc

(cid:1) H×nh 17.9 Sù hoµn thiÖn ARN: bæ sung mò ®Çu 5’ vµ ®u«i polyA. C¸c enzym lµm biÕn ®æi hai ®Çu cña ph©n tö tiÒn-mARN ë sinh vËt nh©n thËt. C¸c ®Çu sau khi biÕn ®æi thóc ®Èy sù vËn chuyÓn mARN tõ nh©n ra tÕ bµo chÊt;

334 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

®ång thêi gióp b¶o vÖ mARN khái sù ph©n gi¶i. Khi mARN ®· ra ®Õn tÕ bµo chÊt, c¸c ®Çu biÕn ®æi nµy kÕt hîp víi mét sè protein ë tÕ bµo chÊt thóc ®Èy sù ®Ýnh kÕt cña ribosome. PhÇn mò ®Çu 5' vµ ®u«i polyA ®Çu 3' kh«ng ®−îc dÞch m· vµ thuéc c¸c vïng ®−îc gäi t−¬ng øng lµ vïng ®Çu 5' kh«ng ®−îc dÞch m· (5'UTR) vµ vïng ®Çu 3' kh«ng ®−îc dÞch m· (3'UTR).

ADN

Phiªn m·

TiÒn-mARN

Hoµn thiÖn ARN

mARN

Mò 5’ §u«i polyA

Ribosome

DÞch m·

Polypeptit

C¸c intron ®−îc c¾t bá, cßn c¸c exon ®−îc ghÐp nèi víi nhau Vïng m· hãa

Mò 5’ §u«i polyA

(cid:1) H×nh 17.10 Sù hoµn thiÖn ARN: ghÐp nèi ARN. Ph©n tö ARN ®−îc minh häa ë ®©y m· hãa cho β-globin, mét trong c¸c chuçi polypeptit cña hemoglobin. C¸c chØ sè bªn d−íi ARN lµ sè thø tù c¸c m· bé ba (codon); β-globin lµ mét protein gåm 146 axit amin. Gen β-globin

vµ ph©n tö tiÒn-mARN cña nã cã ba exon, t−¬ng øng víi tr×nh tù trªn ph©n tö mARN rêi khái nh©n ra tÕ bµo chÊt. (C¸c vïng 5'UTR vµ 3'UTR thuéc c¸c exon mÆc dï chóng kh«ng m· hãa protein) . Trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn ARN, c¸c intron ®−îc c¾t bá, cßn c¸c exon ®−îc ghÐp nèi víi nhau.ë nhiÒu gen, c¸c intron th−êng lín h¬n nhiÒu so víi c¸c exon. (Trong h×nh trªn, kÝch th−íc c¸c phÇn cña tiÒn-mARN kh«ng ®−îc vÏ theo tØ lÖ thùc).

B¶n phiªn m· ARN (tiÒn-mARN)

lµ nh÷ng ph©n ®o¹n kh«ng m· hãa nµy th−êng n»m xen kÏ gi÷a c¸c ph©n ®o¹n m· hãa cña gen, vµ t−¬ng øng lµ gi÷a c¸c ph©n ®o¹n m· hãa trªn tiÒn-mARN. Nãi c¸ch kh¸c, tr×nh tù c¸c nucleotit ADN m· hãa cho mét chuçi polypeptit ë sinh vËt nh©n thËt th−êng kh«ng liªn tôc; chóng ®−îc ph©n t¸ch thµnh c¸c ph©n ®o¹n. C¸c ph©n ®o¹n axit nucleic kh«ng m· hãa n»m gi÷a c¸c ph©n ®o¹n m· hãa cña gen ®−îc gäi lµ c¸c tr×nh tù xen, hay c¸c intron. C¸c ph©n ®o¹n m· hãa cßn l¹i trong gen ®−îc gäi lµ c¸c exon; ®©y lµ c¸c vïng cña gen ®−îc biÓu hiÓn vµ ®−îc dÞch m· thµnh c¸c tr×nh tù axit amin. (Mét sè tr−êng hîp ngo¹i lÖ bao gåm c¸c vïng UTR cña c¸c exon t¹i c¸c ®Çu cña mARN. Nh÷ng vïng nµy tuy lµ thµnh phÇn cña mARN hoµn thiÖn nh−ng kh«ng ®−îc dÞch m·. Do nh÷ng ngo¹i lÖ nµy, ®Ó dÔ nhí cã thÓ coi exon lµ c¸c tr×nh tù cã trªn ph©n tö mARN khi ph©n tö nµy rêi khái nh©n ra tÕ bµo chÊt). C¸c thuËt ng÷ intron vµ exon ®−îc dïng ®Ó m« t¶ c¶ c¸c tr×nh tù mARN còng nh− c¸c tr×nh tù ADN m· hãa chóng.

§Ó t¹o ra mét b¶n phiªn m· tiÒn th©n tõ mét gen, ARN polymerase ban ®Çu tiÕn hµnh phiªn m· toµn bé gen, bao gåm c¶ c¸c intron vµ exon. Tuy vËy, ph©n tö mARN ®i vµo tÕ bµo chÊt lµ ph©n tö ®· ®−îc c¾t ng¾n. C¸c intron ®−îc c¾t khái ph©n tö, trong khi c¸c exon ®−îc nèi l¹i víi nhau ®Ó h×nh thµnh nªn mét ph©n tö mARN mang tr×nh tù m· hãa liªn tôc. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ sù ghÐp nèi ARN.

C¸c protein kh¸c

C¸c thµnh phÇn cña spliceosome

(cid:1) H×nh 17.11 Vai trß cña c¸c snRNP vµ spliceosome trong qu¸ tr×nh ghÐp nèi tiÒn-mARN. H×nh trªn chØ minh häa mét phÇn ph©n tö tiÒn-mARN; c¸c intron vµ exon kh¸c n»m xu«i dßng so víi intron ®−îc vÏ ë ®©y. C¸c ribonucleoprotein nh©n kÝch th−íc nhá (snRNP) vµ c¸c protein kh¸c h×nh thµnh nªn mét phøc hÖ ®−îc gäi lµ thÓ ghÐp nèi (spliceosome) trªn ph©n tö tiÒn-mARN. Trong spliceosome, snARN kÕt cÆp bæ sung víi c¸c nucleotit t¹i c¸c vÞ trÝ ®Æc thï däc tr×nh tù c¸c intron. Spliceosome c¾t ph©n tö tiÒn-mARN, gi¶i phãng c¸c intron, ®ång thêi nèi c¸c exon víi nhau. C¸c thµnh phÇn cña spliceosome sau ®ã t¸ch nhau ra, gi¶i phãng khái mARN. Ph©n tö mARN lóc nµy chØ cßn chøa c¸c exon ®−îc gäi lµ c¸c ph©n tö mARN hoµn thiÖn.

VËy, sù ghÐp nèi ë tiÒn-mARN diÔn ra nh− thÕ nµo? C¸c nhµ nghiªn cøu ®· ph¸t hiÖn ra r»ng, c¸c tÝn hiÖu ghÐp nèi ARN lµ c¸c tr×nh tù nucleotit ng¾n ë hai ®Çu cña mçi intron. C¸c h¹t cã tªn lµ c¸c ribonucleoprotein nh©n kÝch th−íc nhá, ®−îc viÕt t¾t lµ snRNP (®äc lµ “sníp”), cã thÓ nhËn ra c¸c vÞ trÝ ghÐp nèi nµy. Nh− tªn gäi cña chóng, c¸c snRNP cã trong nh©n tÕ bµo vµ cã thµnh phÇn cÊu t¹o gåm c¸c ph©n tö ARN vµ protein. C¸c ARN cã trong c¸c snRNP ®−îc gäi lµ c¸c ARN nh©n kÝch th−íc nhá (snARN); mçi ph©n tö chØ dµi kho¶ng 150 nucleotit. Mét sè lo¹i snRNP kÕt hîp víi nhau vµ víi mét sè protein bæ sung kh¸c h×nh thµnh nªn bé m¸y ghÐp nèi ARN vµ ®−îc gäi lµ spliceosome (hay thÓ ghÐp nèi); chóng cã kÝch th−íc lín t−¬ng ®−¬ng ribosome. Spliceosome t−¬ng t¸c víi nh÷ng vÞ trÝ nhÊt ®Þnh trªn intron, gi¶i phãng intron vµ nèi hai exon ë hai ®Çu cña mçi intron l¹i víi nhau (H×nh 17.11). Mét sè b»ng chøng cho thÊy c¸c snARN, ngoµi vai trß lµ thµnh phÇn bé m¸y cña spliceosome vµ nhËn biÕt c¸c vÞ trÝ ghÐp nèi, cßn cã vai trß trùc tiÕp xóc t¸c c¸c ph¶n øng ghÐp nèi ARN.

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

335

Ph©n ®o¹n intron ®−îc c¾t ra mARN

C¸c ribozyme

Gen ADN

Phiªn m·

Hoµn thiÖn ARN

DÞch m·

ý t−ëng vÒ vai trß xóc t¸c cña snARN b¾t nguån tõ viÖc ph¸t hiÖn ra c¸c ribozyme, ®ã lµ c¸c ph©n tö ARN cã chøc n¨ng gièng nh− c¸c enzym. ë mét sè sinh vËt, sù ghÐp nèi ARN ë mét sè gen cã thÓ diÔn ra mµ kh«ng cÇn sù gãp mÆt cña bÊt cø mét lo¹i protein hay thËm chÝ mét lo¹i ARN bæ sung nµo kh¸c: C¸c ph©n ®o¹n intron ARN cña chóng cã chøc n¨ng ribozyme vµ cã kh¶ n¨ng tù c¾t - nèi! VÝ dô nh−, ë loµi ®éng vËt nguyªn sinh Tetrahymena, ph¶n øng tù ghÐp nèi ARN diÔn ra trong qu¸ tr×nh tæng hîp c¸c ARN ribosome (rARN), lµ c¸c ARN thµnh phÇn cña ribosome. Trong thùc tÕ, c¸c ph©n tö tiÒn-rARN ë loµi ®éng vËt nguyªn sinh nµy tù c¾t bá c¸c intron cña nã. Sù ph¸t hiÖn ra c¸c ribozyme lµm “lu mê” quan ®iÓm cho r»ng tÊt c¶ c¸c chÊt xóc t¸c sinh häc ®Òu lµ c¸c ph©n tö protein.

MiÒn 3

MiÒn 2

MiÒn 1

(cid:1) H×nh 17.12 Sù t−¬ng ®ång gi÷a gi÷a c¸c exon vµ c¸c miÒn trªn ph©n tö protein.

protein mµ mçi c¬ thÓ cã thÓ t¹o ra cã thÓ lín h¬n nhiÒu so víi sè l−îng gen mµ c¬ thÓ ®ã cã.

C¸c protein th−êng cã cÊu t¹o d¹ng m«®un gåm nhiÒu vïng cÊu tróc vµ chøc n¨ng t¸ch biÖt, ®−îc gäi lµ c¸c miÒn. Ch¼ng h¹n nh−, mét miÒn cña mét enzym cã b¶n chÊt protein chøa vÞ trÝ xóc t¸c, trong khi mét miÒn kh¸c cña nã lµm nhiÖm vô liªn kÕt protein víi mµng tÕ bµo. Trong mét sè tr−êng hîp, c¸c exon kh¸c nhau m· hãa cho c¸c miÒn kh¸c nhau cña cïng mét protein (H×nh 17.12).

ARN cã ba thuéc tÝnh gióp nã cã thÓ biÓu hiÖn chøc n¨ng nh− c¸c enzym. Thø nhÊt, do ARN cã cÊu tróc m¹ch ®¬n nªn mét vïng trªn ph©n tö cã thÓ kÕt cÆp bæ sung víi mét vïng kh¸c trªn cïng ph©n tö ®ã; ®iÒu nµy gióp cho ph©n tö ARN cã cÊu tróc kh«ng gian ®Æc thï. Mét cÊu tróc kh«ng gian ®Æc thï lµ ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt ®Ó cã chøc n¨ng xóc t¸c cña ribozyme, còng gièng nh− ë c¸c enzym lµ protein vËy. Thø hai, gièng víi mét sè axit amin trong c¸c enzym lµ protein, mét sè baz¬ nucleotit cña ARN mang c¸c nhãm chøc cã thÓ tham gia vµo c¸c ho¹t ®éng xóc t¸c. Thø ba, c¸c ARN cã kh¶ n¨ng h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi c¸c ph©n tö axit nucleic kh¸c (ARN hoÆc ADN); ®iÒu nµy lµm t¨ng tÝnh ®Æc hiÖu trong ho¹t ®éng xóc t¸c cña nã. Ch¼ng h¹n nh−, sù kÕt cÆp bæ sung gi÷a c¸c baz¬ trong thµnh phÇn ARN cña spliceosome víi c¸c baz¬ trªn ph©n tö tiÒn-mARN gióp ®Þnh vÞ chÝnh x¸c vÞ trÝ mµ c¸c ribozyme sÏ xóc t¸c ph¶n øng ghÐp nèi ARN. ë phÇn sau ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ thÊy c¸c thuéc tÝnh cña ARN cßn gióp nhãm ph©n tö nµy thùc hiÖn mét sè chøc n¨ng quan träng kh¸c (ngoµi chøc n¨ng xóc t¸c) trong ho¹t ®éng sèng cña tÕ bµo; vÝ dô nh− viÖc nhËn ra c¸c m· bé ba (codon) trªn ph©n tö mARN.

TÇm quan träng vÒ chøc n¨ng vµ tiÕn hãa cña c¸c intron

Mét c©u hái ®−îc ®Æt ra lµ: chøc n¨ng sinh häc cña c¸c intron vµ sù ghÐp nèi ARN lµ g×? NÕu nh− ®èi víi phÇn lín intron ®Õn nay ch−a x¸c ®Þnh ®−îc râ chøc n¨ng sinh häc cô thÓ, th× Ýt nhÊt mét sè intron ®· biÕt chøa c¸c tr×nh tù tham gia ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña c¸c gen. Vµ b¶n th©n qu¸ tr×nh ghÐp nèi ARN lµ ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt ®Ó mARN cã thÓ ®i tõ nh©n ra tÕ bµo chÊt.

Polypeptit

17.3

®iÒu g× nÕu

1. Sù biÕn ®æi ë c¸c ®Çu 5’ vµ 3’ cña tiÒn m-ARN ¶nh h−ëng nh− thÕ nµo ®Õn ph©n tö mARN rêi khái nh©n tÕ bµo? 2. T¹i sao nãi ghÐp nèi ARN gièng víi biªn tËp video? 3.

Sù cã mÆt cña c¸c intron trong gen cã thÓ thóc ®Èy sù tiÕn hãa nhanh cña c¸c protein cã tiÒm n¨ng míi nhê qu¸ tr×nh ®−îc gäi lµ sù x¸o trén exon. Sù cã mÆt cña c¸c intron lµm t¨ng x¸c suÊt trao ®æi chÐo gi÷a c¸c exon thuéc c¸c gen alen víi nhau - ®¬n gi¶n bëi v× chóng cung cÊp thªm “nÒn” cho sù trao ®æi chÐo mµ kh«ng lµm gi¸n ®o¹n c¸c tr×nh tù m· hãa. Ngoµi ra, còng cã thÓ cã sù b¾t cÆp vµ ®«i khi trén lÉn gi÷a c¸c exon thuéc c¸c gen hoµn toµn kh¸c nhau (kh«ng alen víi nhau). Dï cho sù x¸o trén exon x¶y ra theo kiÓu nµo, th× ®Òu cã thÓ dÉn ®Õn sù h×nh thµnh c¸c protein míi víi nh÷ng tæ hîp chøc n¨ng míi. Tuy phÇn lín tr−êng hîp x¸o trén exon lµ kh«ng cã lîi, nh−ng ®«i khi còng cã thÓ xuÊt hiÖn c¸c tæ hîp biÕn dÞ cã lîi.

ë giun trßn, mét gen m· hãa cho ATPase cã hai kiÓu ghÐp nèi ARN thay thÕ ë exon 4 vµ ba kiÓu ghÐp nèi ARN thay thÕ ë exon 7. Cã bao nhiªu d¹ng protein mµ gen nµy cã thÓ t¹o ra? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A.

Mét trong nh÷ng hËu qu¶ cña viÖc c¸c gen cã intron lµ mét gen duy nhÊt cã thÓ m· hãa cho nhiÒu h¬n mét lo¹i chuçi polypeptit. §Õn nay chóng ta ®· biÕt nhiÒu gen cã thÓ m· hãa cho hai hoÆc nhiÒu chuçi polypeptit kh¸c nhau tïy thuéc vµo viÖc nh÷ng ph©n ®o¹n nµo ®−îc chän lµ exon trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN; qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ sù ghÐp nèi ARN thay thÕ. Ch¼ng h¹n nh−, sù ph©n biÖt giíi tÝnh ë ruåi giÊm chñ yÕu lµ do c¸c con ®ùc vµ con c¸i kh¸c nhau vÒ c¸ch ghÐp nèi ARN khi phiªn m· ë mét sè gen nhÊt ®Þnh. C¸c kÕt qu¶ tõ Dù ¸n HÖ gen Ng−êi (xem Ch−¬ng 21) còng cho thÊy: c¬ chÕ ghÐp nèi ARN thay thÕ cã thÓ lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n c¬ b¶n gióp con ng−êi mÆc dï cã tæ chøc c¬ thÓ cao, nh−ng chØ cÇn mét sè l−îng gen h¹n chÕ - −íc tÝnh chØ gÊp r−ìi so víi ruåi giÊm. Nhê c¬ chÕ ghÐp nèi ARN thay thÕ, sè lo¹i s¶n phÈm

336 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

KiÓm tra kh¸i niÖm

ADN

Phiªn m·

Kh¸i niÖm

17.4

mARN Ribosome

DÞch m·

Polypeptit

DÞch m(cid:24) lµ qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit do ARN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n

C¸c axit amin Chuçi polypeptit

Trong môc nµy, chóng ta sÏ xem xÐt kÜ h¬n b»ng c¸ch nµo dßng th«ng tin di truyÒn cã thÓ ®i tõ mARN tíi protein qua qu¸ tr×nh ®−îc gäi lµ dÞch m·. Còng gièng nh− qu¸ tr×nh phiªn m·, chóng ta sÏ tËp trung vµo nh÷ng b−íc c¬ b¶n chung cña dÞch m· diÔn ra ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt; sau ®ã sÏ ®Ò cËp ®Õn c¸c ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt chÝnh gi÷a chóng.

C¸c thµnh phÇn ph©n tö cña dÞch m(cid:24)

Ribosome

tARN

Anticodon

C¸c codon

Trong qu¸ tr×nh dÞch m·, tÕ bµo tiÕn hµnh “th«ng dÞch” th«ng ®iÖp di truyÒn trªn ph©n tö mARN hoµn thiÖn thµnh chuçi polypeptit t−¬ng øng. Th«ng ®iÖp di truyÒn lµ chuçi c¸c bé ba nucleotit trªn ph©n tö mARN, cßn “th«ng dÞch viªn” lµ c¸c ARN vËn chuyÓn (tARN). Chøc n¨ng cña tARN lµ vËn chuyÓn c¸c axit amin cã trong tÕ bµo chÊt tíi c¸c ribosome. Mäi tÕ bµo ®Òu cã nguån dù tr÷ trong tÕ bµo chÊt cña tÊt c¶ 20 lo¹i axit amin; tÕ bµo cã ®−îc nguån dù tr÷ nµy hoÆc th«ng qua c¸c qu¸ tæng hîp chóng tõ c¸c ph©n tö tiÒn th©n hoÆc hÊp thô tõ m«i tr−êng dinh d−ìng xung quanh. Sau khi axit amin ®−îc tARN vËn chuyÓn ®Õn ribosome, nã ®−îc ribosome g¾n kÕt vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi (H×nh 17.13).

(cid:1) H×nh 17.13 DÞch m·: kh¸i niÖm c¬ b¶n. Khi ph©n tö mARN di chuyÓn qua ribosome, c¸c bé ba m· hãa (codon) ®−îc dÞch m· thµnh c¸c axit amin theo thø tù tõng axit amin mét. "Th«ng dÞch viªn" lµ c¸c ph©n tö tARN, mçi lo¹i cã mét bé ba ®èi m· (anticodon) ®Æc thï t¹i mét ®Çu, ®ång thêi mang axit amin ®Æc thï t−¬ng øng ë ®Çu kia. tARN bæ sung axit amin mµ nã ®ang vËn chuyÓn vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi cïng lóc víi khi bé ba ®èi m· cña nã t¹o liªn kÕt hydro víi bé ba m· hãa trªn ph©n tö mARN. H×nh ¶nh ®a ph−¬ng tiÖn t¹i trang web d−íi ®©y minh häa chi tiÕt h¬n qu¸ tr×nh dÞch m· ë tÕ bµo vi khuÈn.

§a ph−¬ng tiÖn

mARN

Th¨m trang web

C¸c ph©n tö tARN kh«ng gièng nhau hoµn toµn. Nguyªn lÝ dÞch m· di truyÒn tõ mét ph©n tö mARN thµnh mét chuçi tr×nh tù axit amin ®Æc thï dùa trªn hiÖn t−îng mçi lo¹i tARN th−êng chØ dÞch mét bé ba nucleotit (codon) trªn mARN thµnh mét axit amin ®Æc thï. Khi mét ph©n tö tARN ®Õn ribosome, nã mang theo mét axit amin ®Æc thï t−¬ng øng víi nã ë mét ®Çu cña ph©n tö. ë ®Çu ®èi diÖn, tARN mang mét bé ba nucleotit ®−îc gäi lµ bé ba ®èi m· (anticodon); ®©y chÝnh lµ bé ba kÕt cÆp bæ sung víi bé ba m· hãa trªn mARN. VÝ dô nh−, nÕu bé ba m· hãa trªn mARN lµ UUU, th× sÏ ®−îc dÞch m· thµnh phenylalanine. Ph©n tö tARN lµm nhiÖm vô “th«ng dÞch” ë ®©y cã mét ®Çu mang bé ba ®èi m· lµ AAA cã thÓ h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi bé ba m· hãa UUU; trong khi ®ã, ®Çu kia mang phenylalanine (xem tARN ë gi÷a ribosome trªn H×nh 17.13). Khi mARN dÞch chuyÓn qua ribosome, axit amin phenylalanine sÏ ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptit bÊt cø khi nµo bé ba m· hãa trªn mARN lµ UUU. Tõ trËt tù liªn tôc cña c¸c codon, th«ng ®iÖp di truyÒn sÏ ®−îc dÞch m· th«ng qua viÖc c¸c tARN nhËp c¸c axit amin theo mét thø tù x¸c ®Þnh, cßn ribosome sÏ tiÕn hµnh nèi lÇn l−ît c¸c axit amin ®ã vµo chuçi polypeptit. Së dÜ tARN ®−îc gäi lµ “th«ng dÞch viªn”, v× nã ®ång thêi võa ®äc ®−îc ng«n ng÷ cña axit nucleic (c¸c codon trªn mARN) võa dÞch ®−îc sang ng«n ng÷ cña protein (tr×nh tù c¸c axit amin).

CÊu tróc vµ chøc n¨ng cña ARN vËn chuyÓn Gièng víi mARN vµ c¸c lo¹i ARN kh¸c trong tÕ bµo, c¸c ph©n tö ARN vËn chuyÓn ®−îc phiªn m· tõ c¸c m¹ch khu«n ADN. ë sinh vËt nh©n thËt, gièng víi mARN, tARN còng ®−îc tæng hîp trong nh©n tÕ bµo råi sau ®ã míi ®−îc vËn chuyÓn ra tÕ bµo chÊt vµ dïng cho qu¸ tr×nh dÞch m·. ë c¶ tÕ bµo vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt, mçi ph©n tö tARN ®Òu cã thÓ ®−îc dïng lÆp l¹i nhiÒu lÇn; mçi lÇn, nã nhËn mét axit amin ®Æc thï t¹i phÇn bµo tan (cytosol) cña tÕ bµo chÊt, råi ®−a ®Õn ribosome ®Ó l¾p r¸p vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi; sau ®ã, nã rêi khái ribosome vµ s½n sµng cho mét chu kú vËn chuyÓn axit amin tiÕp theo.

Mét ph©n tö tARN chØ gåm mét m¹ch ®¬n ARN duy nhÊt cã chiÒu dµi kho¶ng 80 nucleotit (so víi hµng tr¨m nucleotit cña phÇn lín c¸c mARN). Tuy vËy, do cã c¸c ®o¹n tr×nh tù bæ sung cã thÓ h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi nhau trong mçi ph©n tö, m¹ch ARN ®¬n duy nhÊt nµy cã thÓ tù gËp xo¾n ®Ó t¹o nªn mét ph©n tö cã cÊu h×nh kh«ng gian ba chiÒu æn ®Þnh. NÕu vÏ

Nguyªn lÝ c¬ b¶n cña dÞch m· lµ ®¬n gi¶n, song c¬ chÕ hãa sinh vµ ph©n tö lµ t−¬ng ®èi phøc t¹p, ®Æc biÖt lµ ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. §Ó dÔ theo dâi, chóng ta sÏ tËp trung ®Ò cÊp tr−íc tiªn vÒ m« h×nh dÞch m· ë vi khuÈn vèn Ýt phøc t¹p h¬n, víi viÖc ®Çu tiªn xem xÐt vÒ c¸c thµnh phÇn chÝnh cña bé m¸y dÞch m·. Sau ®ã, chóng ta sÏ t×m hiÓu b»ng c¸ch nµo c¸c thµnh phÇn nµy phèi hîp víi nhau ®Ó cã thÓ t¹o nªn mét chuçi polypeptit.

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

337

®Ó xem h×nh ¶nh ®éng ba chiÒu vÒ qu¸ tr×nh tæng hîp protein.

Axit amin Aminoacyl-tARN synthetase (enzym)

VÞ trÝ xóc t¸c ®ång thêi thuéc miÒn liªn kÕt víi axit amin vµ ATP.

ATP gi¶i phãng hai nhãm  vµ phÇn cßn l¹i cña ph©n tö (AMP) liªn kÕt víi axit amin. C¸c liªn kÕt hydro

Aminoacyl-tARN synthetase tARN Bé ba ®èi m· (anticodon)

tARN

C¸c codon

(a) CÊu tróc hai chiÒu (trªn mÆt ph¼ng). C¸c vïng liªn kÕt hydro gåm 4 cÆp baz¬ vµ ba vßng cã cÊu tróc "thßng läng" lµ ®Æc ®iÓm chung cña tÊt c¶ c¸c lo¹i tARN. TÊt c¶ c¸c tARN còng gièng nhau ë tr×nh tù c¸c baz¬ ë tËn cïng ®Çu 3' (CCA); ®©y lµ vÞ trÝ liªn kÕt cña c¸c axit amin. Mçi lo¹i tARN cã mét bé ba ®èi m· ®Æc tr−ng vµ mét sè tr×nh tù ®Æc thï ë hai vßng "thßng läng" cßn l¹i. (DÊu hoa thÞ biÓu diÔn mét sè lo¹i baz¬ ®−îc biÕn ®æi hãa häc chØ thÊy cã ë tARN).

Lo¹i tARN phï hîp h×nh thµnh liªn kÕt céng hãa trÞ víi axit amin sau khi ®Èy nhãm AMP khái phøc hÖ. VÞ trÝ g¾n axit amin

M« h×nh m¸y tÝnh

C¸c liªn kÕt hydro

tARN sau khi ®· n¹p axit amin ®−îc gi¶i phãng khái enzym.

(cid:1) H×nh 17.15 Mçi lo¹i aminoacyl-tARN synthetase nèi mét axit amin ®Æc thï vµo mét tARN. Ph¶n øng nèi gi÷a tARN víi axit amin lµ ph¶n øng tiªu thô n¨ng l−îng tõ sù thñy ph©n ATP. Ph©n tö ATP gi¶i phãng hai nhãm phosphate vµ chuyÓn vÒ d¹ng AMP (adenosine monophosphate).

mARN. Tõ mét ®Çu kh¸c cña ph©n tö tARN d¹ng ch÷ L nh« ra ®Çu 3’; ®©y lµ vÞ trÝ ®Ýnh kÕt cña axit amin. V× vËy, cã thÓ thÊy cÊu tróc cña tARN phï hîp víi chøc n¨ng cña nã.

(cid:1) H×nh 17.14 CÊu tróc cña ARN vËn chuyÓn (tARN). C¸c bé ba ®èi m· (anticodon) trªn tARN th−êng ®−îc viÕt theo chiÒu 3' → 5' ®Ó phï hîp víi c¸c m· bé ba trªn mARN th−êng ®−îc viÕt theo chiÒu 5' → 3' (xem H×nh 17.13). §Ó c¸c baz¬ cã thÓ kÕt cÆp víi nhau, gièng víi chuçi xo¾n kÐp ADN, c¸c m¹ch ARN ph¶i ®èi song song. VÝ dô: bé ba ®èi m· 3'-AAG-5' cña tARN kÕt cÆp víi bé ba m· hãa 5'-UUC-3' trªn mARN.

sù kÕt cÆp gi÷a c¸c ®o¹n nucleotit cña tARN víi nhau trªn mÆt ph¼ng, th× tARN cã cÊu tróc gièng mét chiÕc l¸ gåm nhiÒu thïy (H×nh 17.14a). Trong thùc tÕ, c¸c ph©n tö tARN th−êng vÆn vµ gËp xo¾n thµnh cÊu tróc kh«ng gian cã d¹ng ch÷ L (H×nh 17.14b). Mét vßng thßng läng më ra tõ mét ®Çu ch÷ L mang bé ba ®èi m· (anticodon); ®©y lµ bé ba nucleotit ®Æc thï cña tARN kÕt cÆp bæ sung víi bé ba m· hãa (codon) t−¬ng øng trªn

Sù dÞch m· chÝnh x¸c tõ mARN ®Õn protein ®−îc quyÕt ®Þnh bëi hai qu¸ tr×nh ®Òu dùa trªn c¬ chÕ nhËn biÕt ph©n tö. §Çu tiªn, ®ã lµ ph©n tö tARN liªn kÕt víi codon trªn mARN nhÊt ®Þnh ph¶i vËn chuyÓn tíi ribosome ®óng lo¹i axit amin mµ codon ®ã m· hãa (mµ kh«ng ph¶i bÊt cø lo¹i axit amin nµo kh¸c). Sù kÕt cÆp chÝnh x¸c gi÷a tARN vµ axit amin ®−îc quyÕt ®Þnh bëi mét hä enzym cã tªn lµ aminoacyl-tARN synthetase (H×nh 17.15). Trung t©m xóc t¸c cña mçi lo¹i aminoacyl-tARN synthetase chØ phï hîp cho mét sù kÕt cÆp ®Æc thï gi÷a mét

338 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

Aminoacyl-tARN ("tARN ®· n¹p axit amin") Anticodon Anticodon (c) M« h×nh tARN ®−îc (b) CÊu tróc kh«ng gian ba chiÒu dïng trong s¸ch nµy

ADN

Phiªn m·

mARN Ribosome

DÞch m·

Polypeptit

lo¹i axit amin víi tARN. Cã 20 lo¹i synthetase kh¸c nhau, mçi lo¹i dµnh cho mét axit amin; mçi enzym synthetase cã thÓ liªn kÕt víi nhiÒu tARN kh¸c nhau cïng m· hãa cho mét lo¹i axit amin. Synthetase xóc t¸c sù h×nh thµnh liªn kÕt céng hãa trÞ gi÷a axit amin víi tARN qua mét ph¶n øng ®−îc thóc ®Èy bëi sù thñy ph©n ATP. Ph©n tö aminoacyl-tARN thu ®−îc (cßn ®−îc gäi lµ “tARN ®· n¹p axit amin”) lóc nµy rêi khái enzym vµ s½n sµng cho viÖc vËn chuyÓn axit amin cña nã tíi vÞ trÝ chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi trªn ribosome.

Chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi Kªnh tho¸t (kªnh ®i ra) C¸c ph©n tö tARN

TiÓu phÇn lín

TiÓu phÇn nhá

mARN

(a) M« h×nh ribosome ®ang ho¹t ®«ng chøc n¨ng do m¸y tÝnh x©y dùng. §©y lµ m« h×nh ribosome ë vi khuÈn víi h×nh d¹ng tæng thÓ. Ribosome ë sinh vËt nh©n thËt cã cÊu h×nh t−¬ng tù. Mçi tiÓu phÇn ribosome lµ phøc hÖ cña c¸c protein vµ rARN.

Qu¸ tr×nh thø hai liªn quan ®Õn sù kÕt cÆp gi÷a bé ba ®èi m· trªn tARN víi bé ba m· hãa trªn mARN. NÕu mçi lo¹i tARN cã tÝnh ®Æc thï ®èi víi mét bé ba m· hãa trªn mARN, th× sÏ cã 61 lo¹i tARN kh¸c nhau (xem H×nh 17.5). Tuy vËy, trong thùc tÕ chØ cã kho¶ng 45 lo¹i; ®iÒu nµy cho thÊy mét sè tARN cã thÓ liªn kÕt vµo nhiÒu h¬n mét bé ba m· hãa. Sù b¾t cÆp “linh ho¹t” nh− vËy cã thÓ do nguyªn t¾c kÕt cÆp bæ sung gi÷a baz¬ thø ba cña bé ba m· hãa trªn mARN víi baz¬ t−¬ng øng trªn bé ba ®èi m· cña tARN lµ “láng lÎo” h¬n so víi c¸c baz¬ ë hai vÞ trÝ cßn l¹i. Ch¼ng h¹n nh−, baz¬ U ë tËn cïng ®Çu 5’ cña mét bé ba ®èi m· trªn tARN cã thÓ kÕt cÆp hoÆc víi A hoÆc víi G ë vÞ trÝ thø ba (tõ lµ ®Çu 3’) cña bé ba m· hãa t−¬ng øng trªn mARN. Sù kÕt cÆp “láng lÎo” cña c¸c baz¬ ë vÞ trÝ thø ba nh− vËy ®−îc gäi lµ tÝnh tho¸i hãa cña m· di truyÒn. TÝnh tho¸i hãa cña m· di truyÒn gióp gi¶i thÝch t¹i sao nhiÒu bé ba ®ång nghÜa (cïng m· hãa mét lo¹i axit amin) th−êng chØ kh¸c nhau ë baz¬ thø ba, mµ kh«ng ë c¸c vÞ trÝ baz¬ cßn l¹i. VÝ nh− nh−, mét tARN cã bé ba ®èi m· lµ 3’-UCU-5’ cã thÓ kÕt cÆp baz¬ hoÆc víi bé ba m· hãa 5’-AGA-3’ hoÆc víi bé ba 5’-AGG-3’ trªn ph©n tö mARN; ®iÒu thó vÞ lµ c¶ hai bé ba nµy ®Òu m· hãa cho arginine (xem H×nh 17.5).

VÞ trÝ P (vÞ trÝ liªn kÕt cña Peptidyl-tARN)

VÞ trÝ A (vÞ trÝ liªn kÕt cña Aminoacyl-tARN)

VÞ trÝ E (vÞ trÝ tho¸t -Exit) TiÓu phÇn lín

VÞ trÝ ®Ýnh kÕt mARN TiÓu phÇn nhá

(b) M« h×nh d¹ng s¬ ®å vÒ c¸c vÞ trÝ liªn kÕt trªn ribosome. Mçi ribosome cã mét vÞ trÝ ®Ýnh kÕt mARN vµ ba vÞ trÝ liªn kÕt tARN, ®−îc gäi lµ c¸c vÞ trÝ A, P vµ E. M« h×nh ribosome ë d¹ng s¬ ®å nµy ®−îc dïng minh häa trong c¸c h×nh tiÕp theo.

§Çu amino Chuçi polypeptit

Axit amin tiÕp theo ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptit

C¸c ribosome C¸c ribosome t¹o ®iÒu kiÖn cho sù kÕt cÆp gi÷a c¸c bé ba ®èi m· cña tARN víi c¸c bé ba m· hãa t−¬ng øng trªn ph©n tö mARN trong qu¸ tr×nh tæng hîp protein. Mçi ribosome ®Òu gåm cã hai tiÓu phÇn, lÇn l−ît ®−îc gäi lµ c¸c tiÓu phÇn lín vµ tiÓu phÇn nhá (H×nh 17.16). C¸c tiÓu phÇn ribosome ®−îc cÊu t¹o nªn tõ c¸c protein vµ c¸c ph©n tö ARN ®−îc gäi lµ c¸c ARN ribosome, hay rARN. ë sinh vËt nh©n thËt, c¸c tiÓu phÇn ribosome ®−îc h×nh thµnh trong h¹ch nh©n. C¸c gen m· hãa rARN n»m trªn ADN nhiÔm s¾c thÓ ®−îc phiªn m·, hoµn thiÖn vµ s¶n phÈm cña nã ®−îc ®ãng gãi víi c¸c protein ®−îc “nhËp khÈu” vµo nh©n tõ tÕ bµo chÊt. Sau ®ã, c¸c tiÓu phÇn ribosome ®−îc “xuÊt khÈu” ra tÕ bµo chÊt qua c¸c lç mµng nh©n. ë c¶ vi khuÈn vµ c¸c sinh vËt nh©n thËt, tiÓu phÇn lín vµ tiÓu phÇn nhá chØ l¾p r¸p víi nhau ®Ó h×nh thµnh nªn ribosome cã chøc n¨ng khi chóng ®· ®Ýnh kÕt vµo mét ph©n tö mARN. Kho¶ng 2/3 khèi l−îng ribosome lµ cña c¸c rARN, bao gåm 3 ph©n tö (ë vi khuÈn) hoÆc bèn ph©n tö (ë sinh vËt nh©n thËt) kh¸c lo¹i. Do phÇn lín mçi tÕ bµo ®Òu lu«n chøa hµng ngh×n ribosome, nªn rARN th−êng lµ lo¹i ARN phæ biÕn nhÊt cã trong tÕ bµo.

tARN mARN

C¸c codon

(cid:1) H×nh 17.16 CÊu tróc cña ribosome.

MÆc dï c¸c ribosome ë vi khuÈn vµ ë sinh vËt nh©n thËt rÊt gièng nhau vÒ cÊu tróc vµ chøc n¨ng, nh−ng c¸c ribosome sinh vËt nh©n thËt cã kÝch th−íc lín h¬n ®«i chót vµ kh¸c víi c¸c ribosome vi khuÈn vÒ c¸c thµnh phÇn cÊu t¹o nªn chóng. Sù kh¸c biÖt nµy cã ý nghÜa y häc. Mét sè thuèc kh¸ng sinh g©y øc chÕ ho¹t ®éng cña c¸c ribosome vi khuÈn, nh−ng kh«ng øc chÕ ho¹t ®éng cña c¸c ribosome sinh vËt nh©n thËt, do vËy kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn sù tæng hîp protein ë sinh vËt nh©n thËt. Nh÷ng thuèc kh¸ng sinh nµy, bao gåm c¶ tetracycline vµ streptomycin, ®−îc dïng phæ biÕn trong ®iÒu trÞ c¸c bÖnh nhiÔm khuÈn.

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

339

(b) M« h×nh d¹ng s¬ ®å khi cïng cã mÆt víi mARN vµ tARN. Mét tARN sÏ liªn kÕt võa khÝt vµo vÞ trÝ cña nã trªn ribosome nÕu nh− bé ba ®èi m· cña nã kÕt cÆp ®óng víi mét bé ba m· hãa trªn mARN. VÞ trÝ P gi÷ tARN ®ang liªn kÕt víi chuçi polypeptit, trong khi vÞ trÝ A gi÷a tARN ®ang mang axit amin tiÕp theo sÏ ®−îc bæ sung vµo chuçi. tARN rêi ribosome t¹i vÞ trÝ E.

CÊu tróc cña ribosome ph¶n ¸nh chøc n¨ng cña nã lµ mang mARN cïng víi tARN ®· n¹p axit amin. Ngoµi vÞ trÝ ®Ýnh kÕt mARN, mçi ribosome ®Òu cã ba vÞ trÝ liªn kÕt tARN (xem H×nh 17.16). VÞ trÝ P (vÞ trÝ petidyl-tARN) gi÷ tARN ®ang mang chuçi polypeptit ®ang ®−îc kÐo dµi, trong khi vÞ trÝ A (vÞ trÝ aminoacyl-tARN) gi÷a tARN mang axit amin tiÕp theo ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptit. tARN tù do (kh«ng liªn kÕt víi axit amin) ®−îc gi¶i phãng khái ribosome t¹i vÞ trÝ E (Exit). Ribosome gi÷ mARN vµ tARN ë nh÷ng vÞ trÝ ¸p s¸t vµo nhau, ®ång thêi ®−a c¸c axit amin míi tíi s¸t c¹nh ®Çu C (®Çu cacboxyl) cña chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi. Sau ®ã, nã xóc t¸c sù h×nh thµnh liªn kÕt peptit. Khi chuçi polypeptit ®· ®ñ dµi, nã chui qua mét kªnh tho¸t (kªnh ®i ra) thuéc tiÓu phÇn lín cña ribosome. Khi chuçi polypeptit ®· ®−îc tæng hîp xong, nã ®−îc gi¶i phãng vµo phÇn bµo tan ë tÕ bµo chÊt qua kªnh tho¸t.

®−îc cung cÊp tõ sù thñy ph©n GTP (guanosine triphosphate) lµ mét dÉn xuÊt cña ATP (chø kh«ng ph¶i tõ ATP). L¾p r¸p ribosome vµ khëi ®Çu dÞch m· Giai ®o¹n khëi ®Çu dÞch m· liªn quan ®Õn viÖc huy ®éng c¸c thµnh phÇn cña phøc hÖ dÞch m·, gåm: b¶n hiªn m· mARN, mét ph©n tö tARN vËn chuyÓn axit amin ®Çu tiªn cña chuçi polypeptit, vµ hai tiÓu phÇn cña ribosome (H×nh 17.17). §Çu tiªn, tiÓu phÇn nhá cña ribosome sÏ ®Ýnh kÕt vµo mARN vµ mét tARN khëi ®Çu dÞch m· ®Æc biÖt lu«n mang axit amin ®Çu tiªn lµ methionine. ë vi khuÈn, tiÓu phÇn nhá cña ribosome cã thÓ l¾p r¸p víi hai thµnh phÇn trªn ®©y theo trËt tù bÊt kú; nã liªn kÕt ®−îc víi mARN qua mét tr×nh tù ARN ®Æc thï n»m ng−îc dßng bé ba b¾t ®Çu dÞch m· (AUG). ë sinh vËt nh©n thËt, tiÓu phÇn nhá ribosome ®Çu tiªn liªn kÕt víi tARN khëi ®Çu dÞch m·; sau ®ã, phøc hÖ nµy míi liªn kÕt vµo mò ®Çu 5’ cña ph©n tö mARN. B¾t ®Çu tõ ®©y, phøc hÖ gåm tiÓu phÇn nhá ribosome vµ tARN khëi ®Çu dÞch m· tr−ît däc (xu«i dßng) ph©n tö mARN cho ®Õn khi nã gÆp bé ba m· b¾t ®Çu dÞch m·; ë vÞ trÝ nµy, tARN khëi ®Çu dÞch m· sÏ h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi mARN. ë c¶ vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt, bé ba m· b¾t ®Çu dÞch m· ®Òu lµ tÝn hiÖu b¾t ®Çu dÞch m·; nã rÊt quan träng v× cã vai trß x¸c ®Þnh khung ®äc cho mét ph©n tö mARN.

NhiÒu nghiªn cøu gÇn ®©y ñng hé cho gi¶ thiÕt lµ chÝnh rARN, chø kh«ng ph¶i protein, gi÷ vai trß träng yÕu trong cÊu tróc vµ chøc n¨ng cña ribosome. C¸c protein, chiÕm phÇn lín phÇn bao ngoµi ribosome, gióp thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian cña c¸c ph©n tö rARN khi nh÷ng ph©n tö nµy thùc hiÖn vai trß xóc t¸c trong qu¸ tr×nh dÞch m·. C¸c ARN ribosome lµ thµnh phÇn chÝnh t¹o nªn giao diÖn tiÕp xóc gi÷a hai tiÓu phÇn ribosome t¹i c¸c vÞ trÝ A vµ P, ®ång thêi nã còng lµ trung t©m xóc t¸c h×nh thµnh liªn kÕt peptit. V× vËy, ribosome cã thÓ ®−îc coi nh− mét ribozyme "khæng lå"!

Sù h×nh thµnh mét chuçi polypeptit Chóng ta cã thÓ chia qu¸ tr×nh dÞch m·, tøc lµ sù tæng hîp mét chuçi polypeptit, thµnh ba giai ®o¹n (gièng nh− c¸c giai ®o¹n cña phiªn m·), ®ã lµ: khëi ®Çu dÞch m·, kÐo dµi chuçi vµ kÕt thóc dÞch m·. C¶ ba giai ®o¹n ®Òu cÇn sù cã mÆt cña mét sè “yÕu tè” protein ®Æc thï gióp cho sù dÞch m· cã thÓ diÔn ra. ë mét sè b−íc cña giai ®o¹n khëi ®Çu dÞch m· vµ kÐo dµi chuçi, n¨ng l−îng cÇn ®−îc cung cÊp. Tuy vËy, nguån n¨ng l−îng nµy

Sau khi phøc hÖ gåm mARN, tARN khëi ®Çu dÞch m· vµ tiÓu ph©n nhá ribosome ®· h×nh thµnh, tiÓu phÇn lín ribosome sÏ liªn kÕt vµo ®Ó t¹o nªn phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m:. C¸c protein cã tªn lµ c¸c yÕu tè khëi ®Çu dÞch m: gióp ®−a c¸c thµnh phÇn cña phøc hÖ trªn ®©y tæ hîp víi nhau. §Ó h×nh thµnh ®−îc phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m·, tÕ bµo dïng n¨ng l−îng ë d¹ng ph©n tö GTP. Khi qu¸ tr×nh khëi ®Çu dÞch m· kÕt thóc, tARN khëi ®Çu dÞch m· ®ang ë vÞ trÝ P cña ribosome, trong khi vÞ trÝ A cßn trèng vµ s½n sµng tiÕp nhËn mét aminoacyl-tARN tiÕp theo. CÇn l−u ý r»ng, qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit lu«n diÔn ra theo mét chiÒu, b¾t ®Çu tõ axit amin methionine t¹i ®Çu amino (cßn gäi lµ ®Çu N) cho tíi axit amin cuèi cïng ë ®Çu cacboxyl (cßn gäi lµ ®Çu C; xem H×nh 5.18).

(cid:3) H×nh 17.17 Sù khëi ®Çu dÞch m·.

TiÓu phÇn lín VÞ trÝ P

tARN khëi ®Çu dÞch m·

Codon b¾t ®Çu

mARN

TiÓu phÇn nhá VÞ trÝ liªn kÕt mARN

340 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

TiÓu phÇn nhá ribosome liªn kÕt vµo ph©n tö mARN. ë tÕ bµo vi khuÈn, tiÓu phÇn nµy nhËn ra mét tr×nh tù nucleotit ®Æc thï trªn mARN n»m ng−îc dßng bé ba m· b¾t ®Çu dÞch m· (codon b¾t ®Çu). Mét tARN khëi ®Çu dÞch m· mang bé ba ®èi m· UAC kÕt cÆp baz¬ bæ sung víi bé ba m· b¾t ®Çu dÞch m· AUG. tARN nµy lu«n mang axit amin methionine. Khi tiÓu phÇn lín cña ribosome liªn kÕt vµo, phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m· h×nh thµnh. C¸c protein gäi lµ c¸c yÕu tè khëi ®Çu dich m· (kh«ng vÏ ë ®©y) gióp tæ hîp c¸c thµnh phÇn cña phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m·. GTP cung cÊp n¨ng l−îng cho sù tæ hîp nµy. tARN khëi ®Çu dÞch m· ë vÞ trÝ P; cßn vÞ trÝ A s½n sµng cho viÖc tiÕp nhËn tARN mang axit amin tiÕp theo.

ADN

Phiªn m·

mARN Ribosome

DÞch m·

Polypeptit

§Çu amino cña chuçi polypeptit

NhËn biÕt codon. Bé ba ®èi m· (anticodon) trªn ph©n tö aminoacyl-tARN kÕt cÆp baz¬ bæ sung víi bé ba m· hãa (codon) trªn ph©n tö mARN t¹i vÞ trÝ A. Sù thñy ph©n GTP lµm t¨ng hiÖu qu¶ vµ tÝnh chÝnh x¸c cña b−íc nµy. mARN

Ribosome s½n sµng cho aminoacyl-tARN tiÕp theo

H×nh thµnh liªn kÕt peptit.

Mét ph©n tö rARN thuéc tiÓu phÇn lín cña ribosome xóc t¸c cho sù h×nh thµnh liªn kÕt peptit gi÷a axit amin míi ë vÞ trÝ A víi ®Çu cacboxyl cña chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi ë vÞ trÝ P. B−íc nµy ®ång thêi chuyÓn chuçi polypeptit tõ tARN ë vÞ trÝ P vµ g¾n nã vµo axit amin trªn tARN ®ang ë vÞ trÝ A.

(cid:1) H×nh 17.18 Chu kú kÐo dµi chuçi trong dÞch m·. Sù thñy ph©n GTP gi÷ vai trß quan träng trong giai ®o¹n kÐo dµi chuçi. ë ®©y kh«ng vÏ c¸c protein tham gia vµo giai ®o¹n nµy ®−îc gäi lµ c¸c yÕu tè kÐo dµi chuçi.

KÐo dµi chuçi polypeptit

Sù kÕt thóc dÞch m·

Trong giai ®o¹n kÐo dµi chuçi cña qu¸ tr×nh dÞch m·, c¸c axit amin ®−îc lÇn l−ît bæ sung vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi. Mçi b−íc bæ sung axit amin liªn quan ®Õn mét sè protein ®−îc gäi lµ c¸c yÕu tè kÐo dµi chuçi vµ diÔn ra thµnh chu kú gåm 3 b−íc (H×nh 17.18). Sù tiªu thô n¨ng l−îng x¶y ra ë c¸c b−íc thø nhÊt vµ thø ba. ViÖc nhËn ra mét bé ba m· hãa cÇn thñy ph©n mét ph©n tö GTP; ®iÒu nµy gãp phÇn vµo viÖc lµm t¨ng hiÖu qu¶ vµ møc ®é chÝnh x¸c cña b−íc nµy. Mét ph©n tö GTP kh¸c sÏ ®−îc thñy ph©n ®Ó cung cÊp n¨ng l−îng cho b−íc chuyÓn vÞ ribosome tíi codon tiÕp theo trªn ph©n tö mARN.

§©y lµ giai ®o¹n cuèi cïng cña qu¸ tr×nh dÞch m· (H×nh 17.19 ë trang sau). C¸c b−íc kÐo dµi chuçi polypeptit tiÕp tôc diÔn ra cho ®Õn khi mét bé ba m· kÕt thóc tiÕp cËn vÞ trÝ A cña ribosome. C¸c bé ba UAG, UGA vµ UAA kh«ng m· hãa cho bÊt cø mét axit amin nµo; mµ thay vµo ®ã, chóng lµ c¸c tÝn hiÖu kÕt thóc dÞch m·. Mét protein gäi lµ yÕu tè gi¶i phãng chuçi sÏ liªn kÕt trùc tiÕp vµo c¸c bé ba m· kÕt thóc (c¸c codon kÕt thóc). YÕu tè gi¶i phãng chuçi nµy sÏ bæ sung mét ph©n tö n−íc vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi (thay cho axit amin nh− b×nh th−êng ë c¸c bé ba m· hãa). Ph¶n øng nµy lµm ®øt g·y (thñy ph©n) liªn kÕt gi÷a m¹ch polypeptit (lóc nµy ®· hoµn chØnh) víi tARN (lóc nµy ®ang ë vÞ trÝ P), lµm gi¶i phãng chuçi polypeptit qua kªnh tho¸t trªn tiÓu phÇn lín cña ribosome (xem H×nh 17.16a). C¸c thµnh phÇn cña bé m¸y dÞch m· sau ®ã sÏ t¸ch khái nhau qua mét qu¸ tr×nh gåm nhiÒu b−íc d−íi sù hç trî cña mét sè yÕu tè protein kh¸c n÷a. Mçi lÇn ph©n t¸ch c¸c thµnh phÇn cña bé m¸y dÞch m· ë b−íc nµy cÇn tiªu thô thªm n¨ng l−îng tõ hai ph©n tö GTP.

Ph©n tö mARN tr−ît qua ribosome theo mét chiÒu nhÊt ®Þnh, b¾t ®Çu tõ ®Çu 5’; nãi c¸ch kh¸c, ribosome tr−ît trªn ph©n tö mARN theo chiÒu 5’ → 3’. §iÓm quan träng lµ ribosome vµ mARN dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi so víi nhau theo mét chiÒu duy nhÊt, mçi lÇn mét codon. ë vi khuÈn, mçi chu kú kÐo dµi chuçi (l¾p r¸p mét axit amin) diÔn ra trong kho¶ng thêi gian Ýt h¬n mét phÇn m−êi (0,1) gi©y vµ lÆp l¹i b¾t ®Çu tõ axit amin ®Çu tiªn cho ®Õn axit amin cuèi cïng cña chuçi polypeptit.

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

341

ChuyÓn vÞ. Ribosome chuyÓn vÞ trªn mARN mét bé ba m· hãa, dÉn ®Õn sù dÞch chuyÓn tARN tõ vÞ trÝ A sang vÞ trÝ P. §ång thêi tARN tù do ë vÞ trÝ P chuyÓn sang vÞ trÝ E, råi ®−îc gi¶i phãng ra ngoµi. Sù chuyÓn vÞ cña mARN ®−a codon tiÕp theo vµo vÞ trÝ dÞch m· t¹i vÞ trÝ A.

Chuçi polypeptit tù do YÕu tè gi¶i phãng chuçi

Codon kÕt thóc dÞch m· (UAG, UAA hoÆc UGA)

(cid:1) H×nh 17.19 Sù kÕt thóc dÞch m·. Gièng víi giai ®o¹n kÐo dµi chuçi, giai ®o¹n kÕt thóc dÞch m· còng cÇn sù thñy ph©n GTP vµ c¸c yÕu tè protein bæ sung (mét sè protein kh«ng ®−îc vÏ trªn h×nh).

Polyribosome

Hai tiÓu phÇn cña ribosome vµ c¸c thµnh phÇn kh¸c cña bé m¸y dÞch m· t¸ch rêi khái nhau. YÕu tè gi¶i phãng chuçi thóc ®Èy sù thñy ph©n liªn kÕt gi÷a tARN t¹i vÞ trÝ P vµ axit amin cuèi cïng trªn chuçi polypeptit, dÉn ®Õn viÖc gi¶i phãng chuçi polypeptit khái ribosome. Khi ribosome tiÕp cËn mét bé ba (codon) kÕt thóc dÞch m· trªn mARN, vÞ trÝ A cña ribosome sÏ tiÕp nhËn yÕu tè gi¶i phãng chuçi; protein nµy cã h×nh d¹ng gièng tARN.

Chuçi polypeptit hoµn chØnh C¸c chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi

C¸c tiÓu phÇn ribosome ®i vµo

Polyribosome

§Çu 5' cña ph©n tö mARN §Çu 3' cña ph©n tö mARN

Mét ribosome cã thÓ tæng hîp mét chuçi polypeptit kÝch th−íc trung b×nh trong vßng d−íi mét phót. Tuy vËy, th−êng th× sù dÞch m· mét phÇn tö mARN ®−îc tiÕn hµnh ®ång thêi bëi nhiÒu ribosome kh¸c nhau; nghÜa lµ, mét ph©n tö mARN cã thÓ ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó cïng lóc t¹o nªn nhiÒu b¶n sao cña mét chuçi polypeptit. Mét khi ribosome ®· v−ît qua codon b¾t ®Çu, th× mét ribosome thø hai cã thÓ ®Ýnh kÕt ®−îc vµo mARN; kÕt qu¶ lµ mét lo¹t ribosome nèi tiÕp nhau tr−ît däc trªn ph©n tö mARN. Mét chuçi gåm nhiÒu ribosome nh− vËy ®−îc gäi lµ polyribosome (hay polysome); nã cã thÓ ®−îc quan s¸t thÊy b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö (H×nh 17.20). CÊu tróc polyribosome cã c¶ ë c¸c tÕ bµo vi khuÈn vµ tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. Chóng gióp cho tÕ bµo trong mét thêi gian rÊt ng¾n cã thÓ tæng hîp ®−îc nhiÒu b¶n sao cña mét chuçi polypeptit nhÊt ®Þnh.

Sù hoµn thiÖn vµ vËn chuyÓn protein

(a) Mçi ph©n tö mARN th−êng ®−îc dÞch m· ®ång thêi bëi mét sè ribosome tËp hîp thµnh côm ®−îc gäi lµ polyribosome.

Ribosome

Qu¸ tr×nh dÞch m· ®¬n thuÇn th−êng lµ ch−a ®ñ ®Ó cã thÓ t¹o nªn mét ph©n tö protein ë d¹ng ho¹t ®éng chøc n¨ng. Trong phÇn nµy, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn nh÷ng biÕn ®æi cña protein sau dÞch m· vµ mét sè c¬ chÕ vËn chuyÓn protein tíi ®Ých trong tÕ bµo, ë n¬i mµ chóng biÓu hiÖn chøc n¨ng.

Sù biÕn ®æi vµ gËp xo¾n cña protein sau dÞch m·

mARN

(cid:1) H×nh 17.16 CÊu tróc vµ ho¹t ®éng cña ribosome.

Ngay trong qu¸ tr×nh tæng hîp, chuçi polypeptit b¾t ®Çu cuén xo¾n vµ gËp mét c¸ch tù ph¸t do kÕt qu¶ t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ®o¹n tr×nh tù axit amin (cÊu tróc bËc 1) ë c¸c phÇn kh¸c nhau cña chuçi, tõ ®ã h×nh thµnh nªn mét ph©n tö protein cã h×nh d¹ng ®Æc thï: nghÜa lµ, mét ph©n tö cã cÊu h×nh kh«ng gian ba chiÒu bËc 2 vµ bËc 3 (xem H×nh 5.21). Nh− vËy, gen x¸c ®Þnh cÊu tróc bËc 1; cßn cÊu tróc bËc 1 qui ®Þnh h×nh d¹ng cña ph©n tö. Trong nhiÒu tr−êng hîp, mét nhãm c¸c protein gäi lµ chaperone (hoÆc chaperonin) gióp gËp xo¾n ph©n tö protein theo ®óng c¸ch mµ tÕ bµo cÇn (xem H×nh 5.24).

Tuy vËy, ®èi víi nhiÒu protein, chóng chØ ®¹t ®−îc tr¹ng th¸i ho¹t ®éng chøc n¨ng ®óng cña chóng sau khi ®· tr¶i qua mét sè b−íc biÕn ®æi bæ sung ®−îc gäi lµ c¸c biÕn ®æi protein

sau dÞch m:. Trong qu¸ tr×nh nµy, nh÷ng axit amin nhÊt ®Þnh ®−îc biÕn ®æi vÒ mÆt hãa häc, ch¼ng h¹n th«ng qua viÖc chóng ®−îc g¾n thªm c¸c gèc ®−êng, lipit, c¸c nhãm phosphate, hoÆc mét sè gèc hãa häc kh¸c n÷a. HoÆc, c¸c enzym ®Æc hiÖu sÏ lo¹i bá bít mét hoÆc mét sè axit amin tõ ®o¹n dÉn ®Çu (®Çu amino) cña chuçi polypeptit. Trong mét sè tr−êng hîp, mét chuçi polypeptit cã thÓ ®−îc mét enzym c¾t thµnh hai hay nhiÒu ph©n

342 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

(b) ¶nh kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (TEM) nµy cho thÊy mét polyribosome kÝch th−íc lín ë mét tÕ bµo vi khuÈn.

®o¹n ng¾n. Ch¼ng h¹n nh− insulin lóc ban ®Çu míi ®−îc tæng hîp lµ mét chuçi polypeptit duy nhÊt; nh−ng ®Ó trë thµnh d¹ng ho¹t ®éng chøc n¨ng, chuçi polypeptit nµy ®−îc c¾t bá mét ®o¹n ë gi÷a; hai ph©n ®o¹n cßn l¹i sau ®ã ®−îc g¾n víi nhau bëi c¸c cÇu disufit (-S-S-) ®Ó t¹o nªn mét ph©n tö protein gåm hai tiÓu phÇn. Trong c¸c tr−êng hîp kh¸c, hai hay nhiÒu chuçi polypeptit ®−îc tæng hîp riªng rÏ (do c¸c gen kh¸c nhau m· hãa) tæ hîp víi nhau; chóng trë thµnh c¸c tiÓu ®¬n vÞ cña cïng mét ph©n tö protein cã cÊu tróc bËc bèn ®Æc thï. Mét vÝ dô quen thuéc nh− vËy lµ hemoglobin (xem H×nh 5.21).

§−a protein tíi ®Ých C¸c h×nh ¶nh tõ kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö chôp c¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt ®ang tæng hîp m¹nh protein cho thÊy cã hai lo¹i quÇn thÓ ribosome (vµ polyribosome) kh¸c nhau: mét lo¹i lµ d¹ng tù do cßn lo¹i kia lµ d¹ng liªn kÕt (xem H×nh 6.11). C¸c ribosome tù do ph©n t¸n kh¾p phÇn bµo tan ë tÕ bµo chÊt vµ chñ yÕu tæng hîp c¸c protein mµ sau nµy ®−îc l−u l¹i vµ ho¹t ®éng trong phÇn bµo tan. Ng−îc l¹i, c¸c ribosome ë d¹ng liªn kÕt th−êng ®Ýnh kÕt trªn líp mÆt h−íng vÒ phÇn bµo tan cña m¹ng l−íi néi chÊt (ER) hoÆc mµng nh©n. C¸c ribosome ë d¹ng liªn kÕt tæng hîp c¸c protein lµ thµnh phÇn cña c¸c hÖ thèng néi mµng (vÝ dô nh− mµng nh©n, ER, bé m¸y Golgi, lyz«som, kh«ng bµo vµ mµng nguyªn sinh cña tÕ bµo), ngoµi ra lµ c¸c protein xuÊt bµo (vÝ dô nh− insulin). Tuy vËy, c¸c ribosome cã thÓ chuyÓn tr¹ng th¸i tõ d¹ng tù do sang d¹ng liªn kÕt.

§iÒu g× quyÕt ®Þnh viÖc mét ribosome sÏ tån t¹i ë tr¹ng th¸i tù do trong phÇn bµo tan hay liªn kÕt víi m¹ng l−íi néi chÊt th« vµo mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh? ViÖc tæng hîp mét chuçi polypeptit lu«n b¾t ®Çu trong phÇn bµo tan, khi mét ribosome tù do b¾t ®Çu dÞch m· mét ph©n tö mARN. ë ®ã, qu¸ tr×nh dÞch m· cø tiÕp diÔn cho ®Õn khi kÕt thóc - trõ khi chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi tù ®éng “nh¾c nhë” ribosome h·y ®Ýnh kÕt vµo ER. C¸c chuçi polypeptit thuéc c¸c protein mµ sau nµy lµ thµnh phÇn cÊu t¹o nªn c¸c hÖ thèng néi mµng hoÆc ®−îc xuÊt bµo cã c¸c peptit tÝn hiÖu; chÝnh tÝn hiÖu nµy gióp ®−a protein tíi ER (H×nh 17.21). Peptit tÝn hiÖu th−êng lµ mét ®o¹n tr×nh tù gåm kho¶ng 20 axit amin ë s¸t hoÆc gÇn ®Çu amino (®Çu ra tr−íc) cña chuçi polypeptit. TÝn hiÖu nµy ®−îc nhËn biÕt bëi mét phøc hÖ gåm cã ARN vµ protein cã tªn lµ h¹t nhËn biÕt tÝn hiÖu (signal-recognition particle, hay SRP). C¸c h¹t nµy cã chøc n¨ng nh− nh÷ng thÓ tiÕp hîp (adapter) gióp mang c¸c ribosome tíi mét lo¹i protein thô thÓ ®Æc hiÖu trªn mµng ER. Thô thÓ nµy lµ mét phÇn cña phøc hÖ chuyÓn vÞ gåm nhiÒu protein. Sù tæng hîp chuçi polypeptit sÏ tiÕp tôc diÔn ra ë ®ã, ®ång thêi chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi sÏ tr−ên vµ l¸ch qua c¸c lç protein trªn mµng ®Ó ®i vµo khoang ER. Peptit tÝn hiÖu th−êng ®−îc c¾t bá sau ®ã bëi mét enzym. Trong tr−êng hîp protein ®−îc xuÊt bµo, phÇn cßn l¹i cña chuçi polypeptit hoµn chØnh sÏ ®−îc phãng thÝch vµo phÇn dÞch cã trong khoang ER. Cßn nÕu ng−îc l¹i, khi protein lµ thµnh phÇn cña hÖ thèng néi mµng, nã sÏ ®−îc duy tr× vµ “nhóng” mét phÇn vµo mµng ER.

SRP liªn kÕt vµo protein

Mét SRP g¾n vµo peptit tÝn hiÖu, lµm dõng ®«i chót qu¸ tr×nh tæng hîp Mét enzym c¾t ®o¹n peptit tÝn hiÖu khái chuçi polypeptit Sù tæng hîp chuçi polypeptit b¾t ®Çu tõ mét ribosome tù do trong bµo tan PhÇn cßn l¹i cña chuçi polypeptit hoµn chØnh rêi khái ribosome vµ gËp xo¾n thµnh d¹ng cÊu h×nh ho¹t ®éng chøc n¨ng thô thÓ trªn mµng ER. Thô thÓ nµy lµ mét phÇn cña phøc hÖ chuyÓn vÞ. Phøc hÖ nµy cßn cã protein lç mµng vµ enzym c¾t peptit tÝn hiÖu (kh«ng vÏ riªng ë ®©y) SRP rêi khái chuçi polypeptit; sù dÞch m· ®−îc kh«i phôc vµ diÔn ra ®ång thêi víi viÖc chuçi polypeptit tr−ên xuyªn qua mµng. (Peptit tÝn hiÖu ®−îc gi÷ l¹i t¹i phøc hÖ chuyÓn vÞ)

Ribosome

mARN

Peptit tÝn hiÖu Mµng ER

Peptit tÝn hiÖu ®−îc c¾t bá Protein H¹t nhËn biÕt tÝn hiÖu (SRP)

PhÇn bµo tan Protein thô thÓ cña SRP

Xoang ER Phøc hÖ chuyÓn vÞ

(cid:1) H×nh 17.21 C¬ chÕ tÝn hiÖu ®−a protein vµo m¹ng l−íi néi chÊt (ER). Mét chuçi polypeptit cuèi cïng ®−îc xuÊt bµo hoÆc ®−a ®Õn hÖ thèng néi mµng th−êng b¾t ®Çu tõ mét ®o¹n peptit tÝn hiÖu, ®ã lµ mét ®o¹n

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

343

tr×nh tù axit amin ®Æc thï víi ER. H×nh trªn minh häa qu¸ tr×nh dÞch m· mét protein ®−îc xuÊt bµo diÔn ra ®ång thêi víi viÖc nã ®−îc nhËp vµo xoang ER. Trong ER vµ sau ®ã lµ trong Golgi, Protein nµy tiÕp tôc ®−îc biÕn ®æi vµ hoµn thiÖn. Cuèi cïng c¸c nang vËn chuyÓn sÏ vËn chuyÓn nã ®Õn mµng nguyªn sinh vµ tiÕn hµnh xuÊt bµo (xem H×nh 7.10)

C¸c ®o¹n peptit tÝn hiÖu kh¸c ®−îc dïng ®Ó vËn chuyÓn c¸c chuçi polypeptit tíi ti thÓ, l¹p thÓ, qua mµng nh©n vµo trong nh©n tÕ bµo hoÆc tíi c¸c bµo quan kh¸c kh«ng ph¶i lµ thµnh phÇn cña hÖ thèng néi mµng. §iÓm kh¸c biÖt quan träng nhÊt ë nh÷ng tr−êng hîp nµy lµ qu¸ tr×nh dÞch m· diÔn ra hoµn toµn trong phÇn bµo tan tr−íc khi c¸c chuçi polypeptit ®−îc nhËp khÈu vµo c¸c bµo quan t−¬ng øng cña chóng. C¬ chÕ vËn chuyÓn c¸c protein ®Õn ®Ých rÊt ®a d¹ng, nh−ng trong mäi tr−êng hîp ®· ®−îc nghiªn cøu ®Õn nay, “m· ®Þa chØ” h−íng dÉn vÞ trÝ ®Þnh vÞ trong tÕ bµo cña c¸c protein còng nh− n¬i chóng ®−îc xuÊt bµo ®Òu lµ c¸c tr×nh tù peptit tÝn hiÖu ®Æc thï. Vi khuÈn còng sö dông c¸c peptit tÝn hiÖu ®Ó x¸c ®Þnh c¸c protein xuÊt bµo.

lo¹n hoÆc c¸c bÖnh di truyÒn. VÝ dô nh−, chóng ta sÏ thÊy c¬ së di truyÒn häc cña bÖnh thiÕu m¸u hång cÇu h×nh liÒm lµ do mét ®ét biÕn ë mét cÆp baz¬ duy nhÊt trªn gen m· hãa chuçi β- globin cña hemoglobin. Sù thay ®æi cña mét nucleotit ®¬n lÎ trªn m¹ch khu«n ADN dÉn ®Õn sù h×nh thµnh mét protein bÊt th−êng (H×nh 17.22; xem thªm H×nh 5.22). ë nh÷ng ng−êi ®ång hîp tö vÒ alen ®ét biÕn, viÖc c¸c tÕ bµo hång cÇu trë nªn cã h×nh liÒm do sù biÕn ®æi cña hemoglobin dÉn ®Õn nhiÒu triÖu chøng bÖnh lý kh¸c nhau (xem Ch−¬ng 14). Mét vÝ dô kh¸c lµ mét d¹ng bÖnh tim dÉn ®Õn ®ét tö trong tËp luyÖn thÓ thao ë mét sè vËn ®éng viªn trÎ, ®−îc gäi lµ bÖnh c¬ tim theo dßng hä. Nguyªn nh©n g©y bÖnh nµy ®−îc x¸c ®Þnh lµ do ®ét biÕn ®iÓm x¶y ra ë mét sè gen cã liªn quan; trong ®ã, mçi ®ét biÕn ®Òu cã nguy c¬ g©y bÖnh.

C¸c lo¹i ®ét biÕn ®iÓm

17.5 KiÓm tra kh¸i niÖm 1. Hai qu¸ tr×nh nµo ®¶m b¶o cho viÖc bæ sung ®óng mét

axit amin vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi?

2. Nªu tÝnh −u viÖt cña sù h×nh thµnh cÊu tróc polyribosome

trong qu¸ tr×nh dÞch m· ®èi víi tÕ bµo.

C¸c ®ét biÕn ®iÓm x¶y ra trong c¸c gen cã thÓ chia thµnh hai nhãm lín: i) sù thay thÕ cÆp baz¬ vµ ii) sù mÊt hoÆc thªm cÆp baz¬. H·y xem nh÷ng ®ét biÕn nµy cã thÓ g©y ¶nh h−ëng ®Õn protein nh− thÕ nµo.

3. M« t¶ b»ng c¸ch nµo mét chuçi polypeptit xuÊt bµo cã

thÓ ®−îc vËn chuyÓn tíi hÖ thèng néi mµng.

®iÒu g× nÕu

4.

Th¶o luËn b»ng c¸ch nµo mµ c¸c ®Æc ®iÓm cÊu tróc cña rARN cã thÓ tham gia thùc hiÖn chøc n¨ng cña ribosome. Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A.

Kh¸i niÖm

17.5

§ét biÕn ®iÓm cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn cÊu tróc vµ chøc n¨ng protein

C¸c ®ét biÕn thay thÕ C¸c ®ét biÕn thay thÕ cÆp baz¬ lµ nh÷ng ®ét biÕn mµ ë ®ã mét cÆp nucleotit nµy ®−îc thay thÕ b»ng mét cÆp nucleotit kh¸c (H×nh 17.23a). Mét sè d¹ng thay thÕ ®−îc gäi lµ c¸c ®ét biÕn c©m, bëi v× do tÝnh tho¸i hãa cña m· di truyÒn, chóng kh«ng g©y ¶nh h−ëng ®Õn kiÓu h×nh vµ biÓu hiÖn chøc n¨ng cña protein do gen (mµ ë ®ã ®ét biÕn x¶y ra) m· hãa. Nãi c¸ch kh¸c, sù thay ®æi mét cÆp baz¬ cã thÓ chuyÓn mét bé ba m· hãa nµy thµnh mét bé ba m· hãa kh¸c, nh−ng c¶ hai bé ba ®Òu cïng m· hãa cho mét axit amin. VÝ dô: nÕu 3’-CCG-5’ trªn m¹ch khu«n bÞ ®ét biÕn thµnh 3’-CCA-5’, th× bé ba m· hãa trªn mARN lµ GGC sÏ bÞ biÕn ®æi thµnh GGU; nh−ng víi c¶ hai bé ba m· hãa nµy, axit amin ®−îc chän cµi vµo chuçi polypeptit ®Òu lµ glycine (xem H×nh 17.5). C¸c ®ét biÕn thay thÕ còng cã thÓ diÔn ®Õn c¸c ®ét biÕn sai nghÜa. Mét ®ét biÕn sai nghÜa nh− vËy cã thÓ chØ g©y ¶nh h−ëng Ýt ®Õn protein, nÕu nh− axit amin míi cã c¸c thuéc tÝnh gièng víi axit amin mµ nã thay thÕ, hoÆc khi nã n»m ë trong miÒn cÊu tróc Ýt cã tÝnh quyÕt ®Þnh ®Õn ho¹t ®éng chøc n¨ng cña protein.

ADN hemoglobin kiÓu d¹i ADN hemoglobin ®ét biÕn

Trªn ADN, m¹ch khu«n ®ét biÕn (bªn trªn) cã A thay thÕ cho T ë m¹ch khu«n kiÓu d¹i

mARN mARN

M¹ch mARN ®ét biÕn cã U thay cho A ë mét bé ba m· hãa

Hemoglobin b×nh th−êng Hemoglobin tÕ bµo h×nh liÒm

B©y giê chóng ta sÏ t×m hiÓu qu¸ tr×nh biÓu hiÖn cña gen; qua ®ã, chóng ta cã thÓ hiÓu ®−îc b»ng c¸ch nµo nh÷ng thay ®æi trong th«ng tin di truyÒn cña mét tÕ bµo (hoÆc virut) cã thÓ g©y nªn c¸c ¶nh h−ëng vÒ kiÓu h×nh. Nh÷ng thay ®æi nµy, ®−îc gäi lµ c¸c ®ét biÕn, chÝnh lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn sù ®a d¹ng, phong phó cña c¸c gen ë mäi loµi sinh vËt; nãi nh− vËy bëi v× c¸c ®ét biÕn chÝnh lµ nguån gèc tËn cïng cña mäi gen míi. Trªn H×nh 15.15, chóng ta ®· thÊy c¸c d¹ng ®ét biÕn ë qui m« lín; ®ã lµ c¸c ®ét biÕn s¾p xÕp l¹i nhiÔm s¾c thÓ g©y ¶nh h−ëng ®Õn c¸c ®o¹n dµi cña ADN. Cßn ë ®©y, chóng ta chØ tËp trung ®Ò cËp ®Õn c¸c ®ét biÕn ®iÓm, tøc lµ nh÷ng thay ®æi hãa häc x¶y ra ë mét cÆp baz¬ nucleotit duy nhÊt cña gen. NÕu ®ét biÕn ®iÓm xuÊt hiÖn trong c¸c tÕ bµo giao tö hoÆc c¸c tÕ bµo ph¸t sinh giao tö, th× nã cã thÓ ®−îc chuyÒn cho thÕ hÖ con vµ c¸c thÕ hÖ con, ch¸u sau nµy. NÕu ®ét biÕn g©y ¶nh h−ëng bÊt lîi ®Õn kiÓu h×nh cña con vËt th× tr¹ng th¸i ®ét biÕn g©y nªn ®−îc gäi lµ c¸c rèi

(cid:1) H×nh 17.22 C¬ së ph©n tö cña bÖnh hång cÇu h×nh liªm: ®ét biÕn ®iÓm. Alen g©y bÖnh hång cÇu h×nh liÒm kh¸c víi alen kiÓu d¹i (b×nh th−êng) bëi mét cÆp baz¬ ADN duy nhÊt.

344 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

Hemoglobin ®ét biÕn (tÕ bµo h×nh liÒm) cã valine (Val) thay thÕ cho axit glutamic (Glu) ë hemoglobin kiÓu d¹i

KiÓu d¹i M¹ch khu«n ADN

mARN

Protein Bé ba m· kÕt thóc (stop codon) §Çu amino (®Çu N) §Çu cacboxyl (®Çu C)

A thay cho G Thªm A

U thay cho C Thªm U

stop codon stop codon

§ét biÕn c©m (kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn tr×nh tù axit amin) DÞch khung dÉn ®Õn ®ét biÕn v« nghÜa sím (thªm mét cÆp baz¬)

T thay cho C MÊt

A thay cho G MÊt

stop codon

§ét biÕn sai nghÜa DÞch khung dÉn ®Õn ®ét biÕn v« nghÜa muén (mÊt mét cÆp baz¬)

A thay cho T MÊt

U thay cho A MÊt

stop codon stop codon

§ét biÕn v« nghÜa

(cid:1) H×nh 17.23 C¸c lo¹i ®ét biÕn ®iÓm. §ét biÕn lµ nh÷ng thay ®æi trªn ADN dÉn ®Õn c¸c thay ®æi trªn mARN hoÆc c¸c ARN kh¸c.

®óng n÷a. Nh−ng mét ®ét biÕn ®iÓm còng cã thÓ lµm thay ®æi mét bé ba m· hãa axit amin thµnh mét bé ba kÕt thóc dÞch m·. Tr−êng hîp nµy ®−îc gäi lµ ®ét biÕn v« nghÜa, vµ nã dÉn ®Õn sù kÕt thóc dÞch m· sím; chuçi polypeptit ®−îc t¹o ra th−êng ng¾n h¬n chuçi polypeptit do gen b×nh th−êng m· hãa. HÇu hÕt c¸c ®ét biÕn v« nghÜa ®Òu dÉn ®Õn c¸c protein mÊt chøc n¨ng.

C¸c ®ét biÕn thªm vµ mÊt nucleotit

Tuy vËy, nh÷ng ®ét biÕn thay thÕ cÆp baz¬ ®−îc quan t©m h¬n c¶ lµ nh÷ng ®ét biÕn thay thÕ lµm thay ®æi lín ë protein. Nh÷ng thay ®æi duy nhÊt liªn quan ®Õn c¸c axit amin trong c¸c miÒn quan träng cña protein - ch¼ng h¹n nh− trong phÇn cÊu tróc cña hemoglobin ë H×nh 17.22 hoÆc ë vÞ trÝ trung t©m ho¹t ®éng cña mét enzym - sÏ lµm thay ®æi ho¹t tÝnh protein mét c¸ch ®¸ng kÓ. Thi tho¶ng, nh÷ng ®ét biÕn nh− vËy cã thÓ dÉn ®Õn sù t¨ng c−êng ho¹t tÝnh hoÆc t¨ng thªm kh¶ n¨ng ho¹t ®éng cña protein; nh−ng trong phÇn lín tr−êng hîp, chóng cã t¸c ®éng g©y h¹i, th−êng lµm gi¶m hoÆc mÊt ho¹t tÝnh cña protein dÉn ®Õn nh÷ng sai háng trong biÓu hiÖn chøc n¨ng cña tÕ bµo.

C¸c ®ét biÕn thay thÕ th−êng lµ c¸c ®ét biÕn sai nghÜa; nghÜa lµ bé ba m· hãa bÞ thay ®æi vÉn m· hãa cho mét axit amin vµ v× vËy nã vÉn cã nghÜa, nh−ng nghÜa cña nã kh«ng cßn

C¸c ®ét biÕn ®iÓm thªm nucleotit vµ mÊt nucleotit lµ sù bæ sung thªm vµo hoÆc mÊt ®i mét cÆp nucleotit ë trong gen (H×nh 17.23b). Nh÷ng ®ét biÕn nµy th−êng g©y ¶nh h−ëng lín h¬n nhiÒu ®Õn s¶n phÈm protein do gen m· hãa so víi c¸c ®ét biÕn thay thÕ nucleotit. Thªm vµ mÊt c¸c nucleotit cã thÓ lµm thay

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

345

Kh«ng dÞch khung, nh−ng mÊt mét axit amin (mÊt ba cÆp baz¬); Mét ®ét biÕn thªm ba cÆp baz¬ (kh«ng minh häa ë ®©y) còng cã thÓ dÉn ®Õn viÖc thªm mét axit amin trªn chuçi polypeptit

17.5 KiÓm tra kh¸i niÖm 1. §iÒu g× cã xu h−íng x¶y ra nÕu nh− mét cÆp nucleotit

ë gi÷a vïng m· hãa cña gen bÞ mÊt?

®iÒu g× nÕu

2.

®æi khung ®äc cña mét th«ng ®iÖp di truyÒn, do c¸c bé ba m· hãa bÞ s¾p xÕp l¹i trong qu¸ tr×nh dÞch m·. Nh÷ng ®ét biÕn nh− vËy, ®−îc gäi lµ ®ét biÕn dÞch khung, xuÊt hiÖn bÊt cø khi nµo sè nucleotit ®−îc thªm vµo hay bÞ mÊt ®i kh«ng ph¶i lµ béi sè cña ba. TÊt c¶ c¸c nucleotit n»m xu«i dßng sau vÞ trÝ ®ét biÕn ®Òu bÞ xÕp vµo c¸c nhãm bé ba m· hãa kh«ng ®óng, dÉn ®Õn kÕt qu¶ lµ gen ®−îc dÞch m· sai nghÜa trÇm träng; ngoµi ra, nã th−êng ®−îc kÕt thóc dÞch m· sím h¬n hoÆc muén h¬n ë d¹ng ®ét biÕn v« nghÜa. Trõ c¸c tr−êng hîp khung ®äc bÞ thay ®æi xuÊt hiÖn ë rÊt gÇn ®Çu cuèi cña gen, cßn trong phÇn lín tr−êng hîp ®ét biÕn dÞch khung, protein ®−îc t¹o ra mÊt chøc n¨ng.

C¸c t¸c nh©n ®ét biÕn

Mét gen mµ m¹ch khu«n cña nã mang tr×nh tù 3’-TACTTGTCCGATATC-5’ bÞ ®ét biÕn thµnh 3’-TACTTGTCCAATATC-5’. §èi víi c¶ hai gen b×nh th−êng vµ ®ét biÕn, h·y viÕt tr×nh tù cña c¶ hai m¹ch, tr×nh tù cña b¶n phiªn m· mARN, vµ tr×nh tù axit amin mµ chóng m· hãa. §ét biÕn nµy g©y nªn ¶nh h−ëng g× ®èi víi tr×nh tù axit amin? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A.

Kh¸i niÖm

17.6

§ét biÕn cã thÓ xuÊt hiÖn theo nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. C¸c lçi xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN hoÆc t¸i tæ hîp còng cã thÓ dÉn ®Õn sù thay thÕ, thªm vµo hoÆc mÊt ®i cña c¸c nucleotit, thËm chÝ g©y ®ét biÕn trªn mét ®o¹n dµi ADN. Ch¼ng h¹n nh−, nÕu mét baz¬ sai ®−îc bæ sung vµo m¹ch ADN míi tæng hîp trong qu¸ tr×nh sao chÐp th× baz¬ ®ã sÏ b¾t cÆp sai víi baz¬ trªn m¹ch bæ sung. Trong nhiÒu tr−êng hîp, nh÷ng baz¬ sai háng ®ã ®−îc söa ch÷a b»ng c¸c hÖ thèng sÏ ®−îc chóng ta ®Ò cËp ë Ch−¬ng 16. Nh−ng nÕu chóng kh«ng ®−îc söa ch÷a, th× c¸c baz¬ sai háng l¹i ®−îc dïng lµm khu«n cho c¸c chu kú sao chÐp ADN sau nµy, dÉn ®Õn sù xuÊt hiÖn ®ét biÕn. Nh÷ng ®ét biÕn nh− vËy ®−îc gäi lµ c¸c ®ét biÕn tù ph¸t. TÇn sè ®ét biÕn tù ph¸t kh«ng dÔ x¸c ®Þnh. C¸c sè liÖu −íc tÝnh cho thÊy tÇn sè ®ét biÕn trong sao chÐp ADN ë E. coli vµ sinh vËt nh©n thËt t−¬ng ®èi gièng nhau: kho¶ng 10-10 nucleotit bÞ thay ®æi vµ sù thay ®æi nµy ®−îc di truyÒn cho c¸c thÕ hÖ tÕ bµo tiÕp theo.

MÆc dï sù biÓu hiÖn gen ë c¸c liªn giíi sinh vËt lµ kh¸c nhau, nh−ng kh¸i niÖm gen lµ thèng nhÊt MÆc dï c¸c nguyªn t¾c c¬ b¶n trong phiªn m· vµ dÞch m· lµ gièng nhau ë vi khuÈn vµ c¸c sinh vËt nh©n thËt; nh−ng gi÷a hai liªn giíi sinh vËt nµy còng cã nh÷ng kh¸c biÖt nhÊt ®Þnh vÒ bé m¸y phiªn m· vµ dÞch m· cña tÕ bµo, còng nh− khi xÐt chi tiÕt c¸c b−íc cña c¸c qu¸ tr×nh nµy. ViÖc ph©n lo¹i c¸c loµi sinh vËt trªn tr¸i ®Êt thµnh ba liªn giíi chÝnh ®−îc tiÕn hµnh kho¶ng 40 n¨m tr−íc ®©y, khi nhãm c¸c vi khuÈn cùc ®oan (archaea) ®−îc t¸ch riªng khái nhãm vi khuÈn (bacteria). Gièng víi vi khuÈn, archaea còng lµ sinh vËt nh©n s¬ (prokaryote). Tuy vËy, chóng ®ång thêi cã nhiÒu ®Æc ®iÓm võa gièng sinh vËt nh©n thËt, võa gièng vi khuÈn vÒ c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa sù biÓu hiÖn cña c¸c gen.

Mét sè t¸c nh©n vËt lý vµ hãa häc, ®−îc gäi lµ c¸c t¸c nh©n ®ét biÕn, cã thÓ t−¬ng t¸c víi ADN theo mét sè c¸ch vµ g©y ra c¸c ®ét biÕn. Vµo nh÷ng n¨m 1920, Hermann Muller ph¸t hiÖn ra chiÕu x¹ tia X cã thÓ lµm biÕn ®æi di truyÒn ë ruåi giÊm, vµ «ng ®· sö dông nguån chiÕu x¹ nµy ®Ó t¹o ra c¸c thÓ ®ét biÕn ë ruåi Drosophila phôc vô cho c¸c nghiªn cøu cña m×nh. Nh−ng «ng còng ®ång thêi nhËn ra vµ c¶nh b¸o r»ng: ChiÕu x¹ tia X vµ c¸c d¹ng chiÕu x¹ n¨ng l−îng cao kh¸c còng cã nguy c¬ g©y h¹i víi vËt chÊt di truyÒn ë ng−êi còng nh− c¸c loµi sinh vËt thÝ nghiÖm kh¸c. Ngoµi c¸c d¹ng chiÕu x¹ n¨ng l−îng cao, trong c¸c t¸c nh©n vËt lý g©y ®ét biÕn tõ chiÕu x¹ cßn ph¶i kÓ ®Õn tia cùc tÝm (UV); chóng th−êng g©y nªn sù h×nh thµnh cña phøc kÐp thymine trªn ADN (xem H×nh 16.18).

So s¸nh sù biÓu hiÖn cña gen ë vi khuÈn, archaea vµ sinh vËt nh©n thËt Nh÷ng tiÕn bé gÇn ®©y trong sinh häc ph©n tö ®· gióp c¸c nhµ nghiªn cøu x¸c ®Þnh ®−îc tr×nh tù nucleotit ®Çy ®ñ cña hµng tr¨m hÖ gen kh¸c nhau thuéc c¸c liªn giíi sinh vËt kh¸c nhau. Sù phong phó cña c¸c sè liÖu thu ®−îc cho phÐp so s¸nh tr×nh tù cña c¸c gen vµ cña c¸c protein gi÷a c¸c sinh vËt thuéc c¸c liªn giíi kh¸c nhau. Trong sè ®ã, nh÷ng gen ®−îc quan t©m nhÊt bao gåm c¸c gen m· hãa cho c¸c thµnh phÇn cña nh÷ng qu¸ tr×nh sinh häc c¬ b¶n nhÊt nh− phiªn m· vµ dÞch m·.

C¸c t¸c nh©n hãa häc g©y ®ét biÕn cã thÓ chia thµnh mét sè nhãm kh¸c nhau. Nhãm c¸c chÊt baz¬ nit¬ thay thÕ cã cÊu tróc hãa häc gièng víi c¸c baz¬ cÊu t¹o nªn ADN, nh−ng chóng cã xu h−íng kÕt cÆp sai trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. Mét sè chÊt g©y ®ét biÕn kh¸c cã thÓ "can thiÖp" vµo qu¸ tr×nh sao chÐp ADN b»ng viÖc tù cµi vµo c¸c m¹ch ADN hoÆc lµm biÕn d¹ng cÊu tróc b×nh th−êng cña chuçi xo¾n kÐp. Ngoµi ra, cã nh÷ng chÊt g©y ®ét biÕn kh¸c ho¹t ®éng theo kiÓu lµm biÕn ®æi cÊu tróc hãa häc cña c¸c baz¬ nucleotit th«ng th−êng vµ lµm chóng kÕt cÆp sai.

C¸c enzym ARN polymerase cña vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt kh¸c biÖt nhau râ rÖt. Ng−îc l¹i, enzym ARN polymerase duy nhÊt ë archaea (vi khuÈn cùc ®oan) l¹i rÊt gièng ba lo¹i ARN polymerase ë sinh vËt nh©n thËt. Ngoµi ra, vi khuÈn cùc ®oan vµ sinh vËt nh©n thËt l¹i gièng nhau trong viÖc dïng mét tËp hîp phøc t¹p c¸c yÕu tè phiªn m·; ®iÒu nµy kh«ng gièng víi vi khuÈn. Sù kÕt thóc phiªn m· ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt cã nhiÒu ®Æc ®iÓm kh¸c nhau. Tuy nh÷ng hiÓu biÕt vÒ c¬ chÕ kÕt thóc phiªn m· ë vi khuÈn cùc ®oan cßn h¹n chÕ, song nhiÒu kh¶ n¨ng chóng gièng víi sinh vËt nh©n thËt.

Liªn quan ®Õn dÞch m·, c¸c ribosome cña vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt kh¸c nhau ®«i chót. Ribosome ë archaea tuy cã kÝch th−íc gièng ribosome ë vi khuÈn, nh−ng tÝnh mÉn c¶m víi c¸c chÊt øc chÕ ribosome l¹i t−¬ng ®ång víi c¸c ribosome cña sinh vËt nh©n thËt. ë phÇn tr−íc, chóng ta ®· biÕt sù khëi ®Çu dÞch m· lµ kh¸c nhau gi÷a vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt. VÒ ®iÒu nµy, qu¸ tr×nh diÔn ra ë archaea cã vÎ gièng vi khuÈn h¬n.

C¸c nhµ khoa häc ®· ph¸t triÓn mét sè phÐp thö gióp ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng g©y ®ét biÕn cña c¸c hîp chÊt hãa häc kh¸c nhau. ø ng dông næi bËt nhÊt cña c¸c phÐp thö nµy lµ gióp sµng läc s¬ bé c¸c hîp chÊt cã nguy c¬ g©y ung th−. Së dÜ nh− vËy v× phÇn lín c¸c hîp chÊt g©y ung th− ®Òu lµ nh÷ng hîp chÊt g©y ®ét biÕn m¹nh; vµ ng−îc l¹i, c¸c t¸c nh©n g©y ®ét biÕn m¹nh ®Òu cã nguy c¬ g©y ung th− cao.

346 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

ARN polymerase

ADN mARN

Polyribosome

ChiÒu phiªn m· ARN polymerase ADN

Gen lµ g×? Xem l¹i ®Þnh nghÜa nµy §Þnh nghÜa vÒ gen ®· ®−îc chóng ta “ph¸t triÓn” dÇn trong c¸c ch−¬ng tr−íc, gièng nh− b¶n th©n nã ®· ®−îc hoµn thiÖn qua lÞch sö ph¸t triÓn cña di truyÒn häc. Chóng ta ®· b¾t ®Çu ®Þnh nghÜa gen trªn c¬ së kh¸i niÖm cña Mendel vÒ “mét ®¬n vÞ di truyÒn ®éc lËp cã ¶nh h−ëng ®Õn mét ®Æc ®iÓm kiÓu h×nh” (Ch−¬ng 14). Sau ®ã, chóng ta ®· thÊy Morgan vµ c¸c céng sù g¸n cho gen cã vÞ trÝ (locut) nhÊt ®Þnh trªn nhiÔm s¾c thÓ (Ch−¬ng 15). Chóng ta tiÕp tôc xem mét gen nh− mét tr×nh tù nucleotit ®Æc thï trªn mét ph©n tö ADN cña nhiÔm s¾c thÓ (Ch−¬ng 16). Cuèi cïng, ë ch−¬ng nµy, chóng ta ®· nªu ®Þnh nghÜa gen vÒ khÝa c¹nh chøc n¨ng lµ: mét tr×nh tù ADN m· hãa cho mét chuçi polypeptit (H×nh 17.24, ë trang sau, tãm t¾t con ®−êng tõ gen tíi chuçi polypeptit ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt). TÊt c¶ nh÷ng ®Þnh nghÜa gen trªn ®©y ®Òu cã thÓ ®−îc dïng, tïy vµo bèi c¶nh vµ khÝa c¹nh nµo cña gen ®−îc quan t©m.

Polyribosome

Polypeptit (®Çu amino)

Ribosome

(cid:1) H×nh 17.24 Phiªn m· vµ dÞch m· ®ång thêi ë vi khuÈn. ë tÕ bµo vi khuÈn, qu¸ tr×nh dÞch m· c¸c ph©n tö mARN cã thÓ b¾t ®Çu ngay tõ khi ®o¹n dÉn ®Çu (®Çu 5') cña ph©n tö mARN t¸ch ra khái m¹ch khu«n ADN. ¶nh kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (TEM) cho thÊy mét m¹ch ADN cña E. coli ®ang ®−îc phiªn m· bêi nhiÒu ph©n tö ARN polymerase kh¸c nhau. Liªn kÕt vµo mçi ph©n tö ARN polymerase lµ mét chuçi mARN ®ang kÐo dµi mµ ngay lóc nµy nã còng ®ang ®−îc dÞch m· bëi c¸c ribosome. C¸c chuçi polyeptit ®−îc tæng hîp míi, kh«ng nh×n thÊy râ trªn ¶nh TEM, ®−îc vÏ minh häa ë s¬ ®å bªn d−íi.

????

mARN (®Çu 5')

Râ rµng, ®Þnh nghÜa gen ph¸t biÓu r»ng “gen m· hãa cho mét chuçi polypeptit” lµ qu¸ gi¶n l−îc. PhÇn lín c¸c gen ë sinh vËt nh©n thËt chøa c¸c ®o¹n kh«ng m· hãa (intron); mµ nh÷ng ®o¹n kh«ng m· hãa vèn chiÕm phÇn lín c¸c gen nh− vËy l¹i kh«ng cã tr×nh tù t−¬ng øng trªn c¸c chuçi polypeptit. C¸c nhµ sinh häc ph©n tö còng th−êng xem c¸c tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter) vµ c¸c tr×nh tù ®iÒu hßa kh¸c trªn ADN thuéc vµo c¸c vïng biªn cña gen. Tuy c¸c tr×nh tù nµy kh«ng ®−îc phiªn m·, nh−ng chóng ®−îc xem lµ phÇn chøc n¨ng thiÕt yÕu cña gen; bëi v× nÕu thiÕu chóng th× phiªn m· kh«ng thÓ x¶y ra. §Þnh nghÜa gen vÒ gãc ®é ph©n tö ph¶i ®ñ kh¸i qu¸t vµ bao gåm c¶ c¸c tr×nh tù ADN m· hãa cho c¸c rARN, tARN vµ c¸c lo¹i ARN kh¸c (vèn kh«ng ®−îc dÞch m·). MÆc dï nh÷ng gen nµy kh«ng m· hãa cho protein, song chóng cã vai trß sèng cßn ®èi víi ho¹t ®éng sèng cña tÕ bµo. V× vËy, cã lÏ chóng ta nªn ®i ®Õn kh¸i niÖm sau vÒ gen: Gen lµ mét vïng ADN cã thÓ ®−îc biÓu hiÖn ®Ó t¹o ra mét s¶n phÈm cuèi cïng cã chøc n¨ng (s¶n phÈm ®ã cã thÓ lµ mét chuçi polypeptit hoÆc mét ph©n tö ARN). Tuy vËy, nÕu chØ quan t©m ®Õn kiÓu h×nh, kh¸i niÖm vÒ gen chñ yÕu ®−îc g¸n cho tr×nh tù ADN m· hãa c¸c chuçi polypeptit. ë ch−¬ng nµy, chóng ta ®· lµm quen víi qu¸ tr×nh biÓu hiÖn gen ë møc ph©n tö - th«ng qua phiªn m· thµnh ARN, råi sau ®ã dÞch m· thµnh chuçi polypeptit, dÉn ®Õn sù h×nh thµnh mét protein cã cÊu tróc vµ chøc n¨ng x¸c ®Þnh. ChÝnh c¸c protein ®· t¹o nªn c¸c kiÓu h×nh quan s¸t ®−îc ë sinh vËt.

Mçi lo¹i tÕ bµo nhÊt ®Þnh th−êng chØ biÓu hiÖn mét nhãm nhá c¸c gen cña nã. §Æc ®iÓm nµy ®Æc biÖt ®óng ë sinh vËt ®a bµo. B¹n sÏ thùc sù gÆp “r¾c rèi” nÕu tÕ bµo thñy tinh thÓ ë m¾t l¹i biÓu hiÖn c¸c gen m· hãa protein tãc vèn b×nh th−êng chØ ho¹t ®éng trong c¸c tÕ bµo nang tãc! Sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña c¸c gen lµ rÊt chÝnh x¸c. Chóng ta sÏ kh¸m ph¸ sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë ch−¬ng sau, b¾t ®Çu tõ c¸c tr−êng hîp ®¬n gi¶n ë vi khuÈn, råi sau ®ã tiÕp tôc víi sinh vËt nh©n thËt.

17.6 KiÓm tra kh¸i niÖm 1. Sù phiªn m· vµ dÞch m· ®ång thêi ®−îc vÏ trªn H×nh 17.24 cã ë sinh vËt nh©n thËt kh«ng? Gi¶i thÝch.

Sù kh¸c biÖt quan träng nhÊt gi÷a vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt trong qu¸ tr×nh biÓu hiÖn c¸c gen lµ ë tÕ bµo vi khuÈn kh«ng cã sù ph©n chia thµnh c¸c ng¨n. Gièng nh− mét ph©n x−ëng s¶n xuÊt chØ cã mét gian nhµ, mçi tÕ bµo vi khuÈn b¶o ®¶m cho mét d©y chuyÒn ho¹t ®éng liªn tôc. Do kh«ng cã nh©n, nã cã thÓ ®ång thêi võa phiªn m· võa dÞch m· mét gen (H×nh 17.24) vµ ph©n tö protein míi tæng hîp cã thÓ khuÕch t¸n nhanh chãng ®Õn vÞ trÝ ho¹t ®éng chøc n¨ng cña nã. HiÖn nay, nh÷ng hiÓu biÕt vÒ sù ®ång thêi phiªn m· vµ dÞch m· ë c¸c vi khuÈn cùc ®oan cßn h¹n chÕ, nh−ng phÇn lín c¸c nhµ nghiªn cøu tin r»ng chóng cã xu h−íng gièng vi khuÈn, v× c¶ hai liªn giíi sinh vËt nµy ®Òu thiÕu mµng nh©n. Ng−îc l¹i, mµng nh©n ë sinh vËt nh©n thËt lµm t¸ch biÖt hai qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· vÒ mÆt kh«ng gian; ®ång thêi dµnh mét phÇn kh«ng gian trong nh©n tÕ bµo cho qu¸ tr×nh hoµn thiÖn ARN. Giai ®o¹n hoµn thiÖn nµy gåm mét sè b−íc bæ sung mµ sù ®iÒu hßa nh÷ng b−íc nµy gãp thªm phÇn gióp ®iÒu tiÕt c¸c ho¹t ®éng rÊt phøc t¹p vµ tinh vi ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt (xem Ch−¬ng 18). Cuèi cïng, tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt cã c¸c c¬ chÕ phøc t¹p ®Ó vËn chuyÓn c¸c protein tíi c¸c ng¨n (c¬ quan tö) cña tÕ bµo.

®iÒu g× nÕu

ë sinh vËt nh©n thËt, mARN khi

2.

dÞch m· ®−îc gi÷ ë d¹ng vßng trßn do t−¬ng t¸c gi÷a ®u«i polyA ë ®Çu 3’ víi mò ®Çu 5’ qua protein. §iÒu nµy gióp t¨ng hiÖu qu¶ dÞch m· nh− thÕ nµo? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A.

Nh÷ng hiÓu biÕt vÒ c¸c protein vµ ARN tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· ë liªn giíi vi khuÈn cùc ®oan cã thÓ gióp chóng ta s¸ng tá ®−îc nhiÒu ®iÒu vÒ sù tiÕn hãa cña c¸c qu¸ tr×nh nµy ë c¶ ba liªn giíi sinh vËt. Tuy cã sù kh¸c biÖt trong qu¸ tr×nh biÓu hiÖn gen ë c¸c liªn giíi sinh vËt kh¸c nhau, nh−ng kh¸i niÖm gen lµ thèng nhÊt ë tÊt c¶ mäi d¹ng sèng.

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

347

Ph©n tö mARN nµo ®−îc b¾t ®Çu phiªn m· tr−íc tiªn? Trªn ph©n tö mARN ®ã, ribosome nµo b¾t ®Çu dÞch m· tr−íc tiªn?

ADN Phiªn m·

ARN ®−îc phiªn m· tõ mét m¹ch khu«n ADN.

ARN polymerase B¶n phiªn m· ARN Hoµn thiÖn mARN Exon

TiÒn-ARN

Intron

ë sinh vËt nh©n thËt, b¶n phiªn m· ARN (tiÒn ARN) ®−îc c¾t bá intron vµ biÕn ®æi c¸c ®Çu ®Ó h×nh thµnh mARN hoµn thiÖn tr−íc khi rêi nh©n.

Nh©n tÕ bµo

Axit amin Ho¹t hãa axit amin tÕ bµo chÊt tARN

mARN ®i ra tÕ bµo chÊt vµ sau ®ã liªn kÕt vµo ribosome. Nhê enzym ®Æc biÖt sö dông n¨ng l−îng ATP, mçi axit amin ®−îc g¾n chÝnh x¸c vµo tARN t−¬ng øng cña nã. mARN

M ò

Mò 5'

Chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi

M ò

tARN ®· n¹p axit amin C¸c tiÓu phÇn ribosome

DÞch m·

Bé ba ®èi m· (anticodon)

C¸c tARN lÇn l−ît l¾p r¸p c¸c axit amin cña chóng vµo chuçi polypeptit khi mARN dÞch chuyÓn qua ribosome mçi lÇn mét codon. (Khi hoµn thµnh, chuçi polypeptit ®−îc gi¶i phãng khái ribosome.) Ribosome

(cid:1) H×nh 17.25 Tãm t¾t sù phiªn m· vµ dÞch m· ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. S¬ ®å nµy m« t¶ con ®−êng tõ mét gen ®Õn mét chuçi polypeptit. Nhí r»ng, mçi gen trªn ADN cã thÓ ®−îc phiªn m· nhiÖu lÇn thµnh nhiÒu ph©n tö mARN gièng hÖt nhau mµ mçi ph©n tö mARN nh− vËy l¹i cã thÓ ®−îc dïng cho dÞch m·

348 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

nhiÒu lÇn ®Ó t¹o nªn nhiÒu chuçi polypeptit gièng hÖt nhau. (Còng cÇn nhí r»ng s¶n phÈm cuèi cïng cña mét sè gen kh«ng ph¶i lµ protein, mµ chØ lµ c¸c ph©n tö ARN, nh− tARN vµ rARN.) Nh×n chung, c¸c nguyªn t¾c phiªn m· vµ dÞch m· lµ gièng nhau ë c¶ vi khuÈn, archaea vµ sinh vËt nh©n thËt. Sù kh¸c biÖt chÝnh lµ sù xuÊt hiÖn qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN diÔn ra trong nh©n tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. Nh÷ng kh¸c biÖt ®¸ng kÓ kh¸c liªn quan ®Õn c¸c b−íc khëi ®Çu phiªn m· vµ dÞch m· vµ ë b−íc kÕt thóc phiªn m·.

T æ n g k Õ t C h − ¬ n g

§a ph−¬ng tiÖn

H·y tham kh¶o c¬ së häc liÖu gåm c¸c h×nh ¶nh ®éng ba chiÒu, c¸c bµi h−íng dÉn d¹ng file MP3, video, c¸c bµi kiÓm tra thùc hµnh, eBook vµ nhiÒu häc liÖu kh¸c t¹i ®Þa chØ Web www.masteringbio.com

TiÒn-mARN

§u«i polyA

Mò

mARN

Kh¸i niÖm 17.3 TÕ bµo sinh vËt nh©n thËt biÕn ®æi ARN sau phiªn m(cid:24) (c¸c trang 334 –––– 336) (cid:3) Sù biÕn ®æi ë c¸c ®Çu mARN. mARN ë sinh vËt nh©n thËt ®−îc hoµn thiÖn tr−íc khi rêi nh©n. Qu¸ tr×nh hoµn thiÖn bao gåm sù biÕn ®æi ë c¸c ®Çu mARN vµ sù ghÐp nèi ARN. §Çu 5’ nhËn mét mò nucleotit ®−îc biÕn ®æi, trong khi ®Çu 3’ ®−îc nèi ®u«i polyA.

Kh¸i niÖm 17.1 Gen x¸c ®Þnh c¸c protein th«ng qua phiªn m(cid:24) vµ dÞch m(cid:24) (c¸c trang 325 –––– 331) (cid:3) B»ng chøng tõ c¸c nghiªn cøu vÒ sai háng chuyÓn hãa. ADN ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh trao chÊt b»ng viÖc h−íng dÉn tÕ bµo tæng hîp c¸c enzym vµ c¸c protein ®Æc thï. C¸c thÝ nghiÖm cña Beadle vµ Tatum víi c¸c chñng Neurospora ®ét biÕn ñng hé cho gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym. Gen m· hãa cho c¸c chuçi polypeptit hoÆc cho c¸c ph©n tö ARN.

(cid:3) C¸c nghiªn lý c¬ b¶n cña phiªn m(cid:24) vµ dÞch m(cid:24)

Tãm t¾t c¸c kh¸i niÖm chÝnh

§a ph−¬ng tiÖn

(cid:3) Gen ph©n m¶nh vµ sù ghÐp nèi ARN. PhÇn lín c¸c gen ë sinh vËt nh©n thËt chøa c¸c intron xen kÏ gi÷a c¸c vïng m· hãa ®−îc gäi lµ c¸c exon. Trong qu¸ tr×nh ghÐp nèi ARN, c¸c intron ®−îc c¾t bá, trong khi c¸c exon ®−îc nèi l¹i víi nhau. Sù ghÐp nèi ARN ®iÓn h×nh ®−îc thùc hiÖn bëi thÓ ghÐp nèi (spliceosome); nh−ng trong mét sè tr−êng hîp, ARN b¶n th©n nã cã thÓ tù xóc t¸c ph¶n øng ghÐp nèi. Kh¶ n¨ng xóc t¸c cña mét sè ARN, ®−îc gäi lµ ribozym, b¾t nguån tõ c¸c thuéc tÝnh cña ARN. Sù cã mÆt c¸c intron t¹o ®iÒu kiÖn cho kh¶ n¨ng ghÐp nèi ARN thay thÕ.

Ho¹t ®éng Hoµn thiÖn ARN

Phiªn m· lµ qu¸ tr×nh chuyÒn th«ng tin tõ ADN sang ARN th«ng thï cña chóng qua hai d¹ng ng«n ng÷ nucleotit ®Æc (deoxyribonucleotit vµ ribonucleotit). Trong khi ®ã, dÞch m· lµ qu¸ tr×nh chuyÒn th«ng tin tõ tr×nh tù nucleotit trªn ARN thµnh tr×nh tù axit amin trong chuçi polypeptit.

§a ph−¬ng tiÖn

C¸c con ®−êng trao ®æi chÊt ®−îc ph©n tÝch nh− thÕ nµo?

Kh¸i niÖm 17.4 DÞch m(cid:24) lµ qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit do ARN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n (c¸c trang 337 –––– 344) (cid:3) C¸c thµnh phÇn ph©n tö cña dÞch m(cid:24). TÕ bµo dÞch m· th«ng ®iÖp di truyÒn (mARN) thµnh protein nhê c¸c ARN vËn chuyÓn (tARN). Sau khi liªn kÕt víi axit amin ®Æc thï, tARN lÇn l−ît s¾p hµng th«ng qua sù b¾t cÆp gi÷a bé ba ®èi m· cña chóng víi bé ba m· hãa trªn mARN. C¸c ribosome gióp thóc ®Èy sù b¾t cÆp nµy b»ng viÖc cung cÊp “giao diÖn” cho mARN vµ tARN.

Ribosome

mARN

§iÒu tra H−íng dÉn b»ng file MP3 Tõ ADN ®Õn ARN vµ protein Ho¹t ®éng Tæng quan vÒ sinh tæng hîp protein

Polypeptit

Kh¸i niÖm 17.2 Phiªn m(cid:24) lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN do ADN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n (c¸c trang 331 –––– 334)

(cid:3) Sù h×nh thµnh mét chuçi polypeptit. Ribosome ®iÒu phèi ba giai ®o¹n cña qu¸ tr×nh dÞch m·, gåm: khëi ®Çu dÞch m·, kÐo dµi chuçi vµ kÕt thóc dÞch m·. Sù h×nh thµnh liªn kÕt peptit ®−îc xóc t¸c bëi rARN. NhiÒu ribosome cã thÓ cïng lóc phiªn m· mét ph©n tö mARN duy nhÊt, h×nh thµnh nªn cÊu tróc gäi lµ polyribosome.

(cid:3)

(cid:3) C¸c thµnh phÇn ph©n tö cña phiªn m(cid:24). Sù tæng hîp ARN ®−îc xóc t¸c bëi ARN polymerase, vµ còng diÔn ra trªn c¬ së nguyªn t¾c kÕt cÆp bæ sung gi÷a c¸c baz¬ nh− trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, trõ mét ®iÓm lµ ë ARN, uracil thay thÕ cho thymine.

§¬n vÞ phiªn m·

Promoter

(cid:3) M(cid:24) di truyÒn. Th«ng tin di truyÒn ®−îc m· hãa b»ng mét tr×nh tù cña ba nucleotit kh«ng gèi lªn nhau, ®−îc gäi lµ bé ba m· hãa hay codon. Mçi codon trªn ARN th«ng tin (mARN) hoÆc ®−îc dÞch m· thµnh mét axit amin (61 trong tæng sè 64 codon) hoÆc ®−îc dïng lµm tÝn hiÖu kÕt thóc dÞch m· (3 codon). Codon ph¶i ®−îc ®äc trong khung ®äc më ®óng.

M¹ch khu«n ADN

§a ph−¬ng tiÖn

ARN polymerase

B¶n phiªn m· ARN

¶nh ®éng 3 chiÒu Bioflix Tæng hîp protein Ho¹t ®éng DÞch m· Phßng thÝ nghiÖm sinh häc trùc tuyÕn Phßng thÝ nghiÖm dÞch m·

Sù hoµn thiÖn vµ vËn chuyÓn protein. Sau khi dÞch m·, sù biÕn ®æi cña c¸c protein lµm ¶nh h−ëng ®Õn cÊu h×nh kh«ng gian cña chóng. C¸c ribosome tù do trong phÇn bao tan ë tÕ bµo chÊt khëi ®Çu sù tæng hîp tÊt c¶ c¸c lo¹i protein, nh−ng c¸c protein mµ sau nµy ®−îc ®−a ®Õn hÖ thèng néi mµng hoÆc ®−îc xuÊt bµo sÏ ®−îc chuyÓn vµo m¹ng l−íi néi chÊt (ER). Nh÷ng protein nµy cã mét ®o¹n peptit tÝn hiÖu gióp c¸c h¹t nhËn biÕt tÝn hiÖu (SRP) cã thÓ liªn kÕt vµo, vµ lµm c¸c ribosome ®ang dÞch m· ®Ýnh lªn mµng ER.

§a ph−¬ng tiÖn

Ho¹t ®éng

Tæng quan vÒ sinh tæng hîp protein

Kh¸i niÖm 17.5 §ét biÕn ®iÓm cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn cÊu tróc vµ chøc n¨ng protein (c¸c trang 344 –––– 346) (cid:3) C¸c kiÓu ®ét biÕn ®iÓm. §ét biÕn ®iÓm lµ sù thay ®æi ë mét cÆp baz¬ trªn ADN. Nã cã thÓ dÉn ®Õn sù h×nh thµnh mét protein mÊt chøc n¨ng. Sù thay thÕ cÆp baz¬ cã thÓ dÉn ®Õn c¸c ®ét biÕn

Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein

349

(cid:3) Tæng hîp b¶n phiªn m(cid:24) ARN. Ba giai ®o¹n cña qu¸ tr×nh phiªn m· lµ khëi ®Çu phiªn m·, kÐo dµi chuçi vµ kÕt thóc phiªn m·. Tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter) lµ tÝn hiÖu khëi ®Çu sù tæng hîp ARN. C¸c yÕu tè phiªn m· gióp ARN polymerase cña sinh vËt nh©n thËt nhËn ra c¸c tr×nh tù promoter. C¬ chÕ kÕt thóc phiªn m· kh¸c nhau gi÷a vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt.

d. 5’-CTTCGGGAA-3’ e. 5’-AAACCCUUU-3’

(cid:3) C¸c t¸c nh©n ®ét biÕn. C¸c ®ét biÕn cã thÓ xuÊt hiÖn tù ph¸t trong qu¸ tr×nh sao chÐp, t¸i tæ hîp hoÆc söa ch÷a ADN. C¸c t¸c nh©n ®ét biÕn vËt lý vµ hãa häc cã thÓ lµm sai háng ADN dÉn ®Õn lµm thay ®æi c¸c gen.

5. H·y dïng H×nh 17.5 ®Ó x¸c ®Þnh tr×nh tù nucleotit theo chiÒu 5’ → 3’ cña m¹ch ADN lµm khu«n m· hãa cho tr×nh tù polypeptit Phe - Pro - Lys. a. 5’-UUUGGGAAA-3’ b. 5’-GAACCCCTT-3’ c. 5’-AAAACCTTT-3’

6. §ét biÕn nµo trong c¸c lo¹i ®ét biÕn sau ®©y nhiÒu kh¶ n¨ng

g©y h¹i cho thÓ ®ét biÕn nhÊt ? a. §ét biÕn thay thÕ mét cÆp baz¬ b. MÊt ba nucleotit ë phÇn gi÷a gen c. MÊt mét nucleotit trong mét intron ë gi÷a gen d. MÊt mét nucleotit ë gÇn ®Çu cuèi cña tr×nh tù m· hãa e. MÊt mét nucleotit n»m xu«i dßng, nh−ng ngay gÇn ®iÓm

b¾t ®Çu cña tr×nh tù m· hãa

7. DÞch m· kh«ng liªn quan trùc tiÕp víi thµnh phÇn nµo sao ®©y?

d. ribosome e. GTP

Kh¸i niÖm 17.6 MÆc dï sù biÓu hiÖn gen ë c¸c liªn giíi sinh vËt lµ kh¸c nhau, nh−ng kh¸i niÖm gen lµ thèng nhÊt (c¸c trang 346 –––– 348) (cid:3) So s¸nh sù biÓu hiÖn cña gen ë vi khuÈn, archaea vµ sinh vËt nh©n thËt. Do tÕ bµo vi khuÈn thiÕu mµng nh©n, dÞch m· cã thÓ b¾t ®Çu khi phiªn m· vÉn cßn ®ang diÔn ra. C¸c tÕ bµo vi khuÈn cùc ®oan (archaea) cã c¸c ®Æc ®iÓm võa gièng víi tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt võa gièng víi tÕ bµo vi khuÈn. ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, mµng nh©n ph©n t¸ch phiªn m· khái dÞch m·, vµ dµnh mét phÇn kh«ng gian trong nh©n cho qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN. (cid:3) Gen lµ g× ? Xem l¹i ®Þnh nghÜa nµy. Gen lµ mét vïng ADN cã thÓ ®−îc biÓu hiÖn ®Ó t¹o ra mét s¶n phÈm cuèi cïng cã chøc n¨ng (s¶n phÈm ®ã cã thÓ lµ mét chuçi polypeptit hoÆc mét ph©n tö ARN).

8.

Tæng kÕt vai trß cña c¸c lo¹i ARN b»ng c¸c ®iÒn

a. mARN b. ADN c. tARN vÏ tiÕp vµo b¶ng sau ®©y:

KiÓm tra kiÕn thøc cña b¹n

C¸c chøc n¨ng

Lo¹i ARN

ARN th«ng tin (mARN)

sai nghÜa hoÆc v« nghÜa. Sù mÊt hoÆc thªm cÆp baz¬ cã thÓ g©y nªn c¸c ®ét biÕn dÞch khung.

ARN vËn chuyÓn (tARN)

1. ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, qu¸ tr×nh phiªn m· kh«ng thÓ

Gi÷ vai trß xóc t¸c (ribozyme) vµ vai trß cÊu tróc cña ribosome

b¾t ®Çu cho ®Õn khi _________ a. hai m¹ch ADN ®· t¸ch khái nhau hoµn toµn vµ béc lé

B¶n phiªn m· s¬ cÊp

tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter).

ARN nh©n kÝch th−íc nhá (snARN)

b. mét sè yÕu tè phiªn m· ®· liªn kÕt vµo promoter. c. mò ®Çu 5’ ®· ®−îc c¾t bá khái mARN. d. c¸c intron trªn ADN ®· ®−îc c¾t bá khái m¹ch khu«n. e. c¸c enzym ADN nuclease ®· c« lËp ®¬n vÞ phiªn m·.

Xem gîi ý tr¶ lêi C¸c c©u hái tù ®¸nh gi¸ ë Phô lôc A. §a ph−¬ng tiÖn

C¸c c©u hái tù ®¸nh gi¸

2. Bé ba m· hãa (codon) kh«ng cã®Æc ®iÓm nµo sau ®©y?

a. Nã gåm 3 nucleotit. b. Nã cã thÓ m· hãa cho cïng mét axit amin gièng mét

codon kh¸c.

c. Nã kh«ng bao giê m· hãa cho nhiÒu h¬n mét axit amin. d. Nã kÐo dµi b¾t ®Çu tõ mét ®Çu cña ph©n tö tARN. e. Nã lµ ®¬n vÞ c¬ b¶n cña m· di truyÒn.

Thùc hiÖn bµi KiÓm tra thùc hµnh t¹i trang web www.masteringbio.com

3. Bé ba ®èi m· (anticodon) cña mét ph©n tö tARN lµ ______ a. tr×nh tù bæ sung víi bé ba m· hãa t−¬ng øng trªn mARN. b. tr×nh tù bæ sung víi bé ba m· hãa t−¬ng øng trªn rARN. c. phÇn cña tARN liªn kÕt víi mét axit amin ®Æc thï. d. tr×nh tù cã thÓ thay ®æi, phô thuéc vµo lo¹i axit amin g¾n

vµo ph©n tö tARN ®ã.

e. phÇn cã ho¹t tÝnh xóc t¸c; v× vËy, tARN lµ mét ribozym. 4. §iÒu nµo sau ®©y kh«ng ®óng khi nãi vÒ qu¸ tr×nh hoµn

thiÖn ARN? a. C¸c exon ®−îc c¾t khái mARN tr−íc khi ph©n tö nµy rêi

khái nh©n tÕ bµo.

b. C¸c nucleotit cã thÓ ®−îc bæ sung vµo c¶ hai ®Çu cña

tiÒn-ARN.

c. C¸c ribozym cã thÓ ho¹t ®éng trong qu¸ tr×nh ghÐp nèi

ARN.

liªn hÖ víi tiÕn hãa 9. M· di truyÒn (xem H×nh 17.5) cã ®Æc ®iÓm mang ®Ëm ®Æc tÝnh cña tiÕn hãa. Ch¼ng h¹n, khi ®Ó ý chóng ta sÏ thÊy, 20 lo¹i axit amin kh«ng hÒ ®−îc “ph©n phèi” c¸c codon mét c¸ch ngÉu nhiªn; phÇn lín c¸c axit amin cïng ®−îc m· hãa bëi mét bé c¸c codon gièng nhau. H·y gi¶i thÝch t¹i sao qu¸ tr×nh tiÕn hãa cã thÓ dÉn ®Õn hiÖn t−îng nµy? (Gîi ý: Mét c¸ch gi¶i thÝch liªn quan ®Õn sù ph¸t sinh cïng nguån gèc; mét c¸ch gi¶i thÝch kh¸c, tuy Ýt râ rµng h¬n, liªn quan ®Õn “cÊu tróc phï hîp víi chøc n¨ng”.)

d. Sù ghÐp nèi ARN cã thÓ ®−îc xóc t¸c bëi thÓ ghÐp nèi

(spliceosome).

e. B¶n phiªn m· s¬ cÊp th−êng dµi h¬n so víi ph©n tö

t×m hiÓu khoa häc 10. BiÕt r»ng m· di truyÒn cã tÝnh phæ biÕn (trõ mét vµi ngo¹i lÖ), mét nhµ khoa häc ®· dïng c¸c ph−¬ng ph¸p sinh häc ph©n tö ®Ó cµi gen β-globin cña ng−êi (xem H×nh 17.10) vµo hÖ gen vi khuÈn víi hy väng r»ng c¸c tÕ bµo vi khuÈn sÏ tæng hîp ®−îc ph©n tö protein β-globin biÓu hiÖn chøc n¨ng. Nh−ng kÕt qu¶ lµ protein h×nh thµnh kh«ng cã ho¹t tÝnh vµ ng−êi ta ph¸t hiÖn ra protein nµy cã mét sè axit amin nhiÒu h¬n so víi β-globin ®−îc t¹o ra ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. H·y gi¶i thÝch t¹i sao cã hiÖn t−îng trªn.

mARN rêi khái nh©n tÕ bµo.

350 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc

T×m hiÓu sinh häc: Dïng vë Bµi tËp ®iÒu tra t×nh huèng. H·y kh¸m ph¸ c¸c b−íc cña dÞch m· vµ dïng c¸c sè liÖu vÒ tr×nh tù ®Ó kiÓm chøng c¸c gi¶ thiÕt víi "T×nh huèng khã xö cña B¸c sÜ".