[Video] Sự ghép nối mRNA

[Butchi]

Sự ghép nối mRNA​

Đây là hình ảnh cắt lát của tế bào. Nhìn tổng thể, đó là một bộ máy phức tạp với nhiều cơ quan có màng bao bọc. Các bộ máy này hoạt động đồng bộ với nhau để giúp cho tế bào hoàn thành chức năng sống.

DNA chứa genes tồn tại trong nhân tế bào (nucleus). Tuy nhiên, quá trình tổng hợp ra protein được mã hoá bởi genes lại được diễn ra riêng biệt trong tế bào chất (cytoplasm) mà cụ thể là tại ribosome - nằm ngoài nhân. Vậy câu hỏi đặt ra là “làm cách nào gene, là một phần của DNA nằm, trong nhân tế bào có thể giúp cho quá trình tổng hợp protein nằm ngoài nhân?“.

Để trả lời, Francis Crick đã đề xuất khái niệm “Central Dogma” -theo đó thông tin di truyền được truyền 1 chiều: nghĩa là từ phân tử DNA thông tin được mã hoá sang mRNA rồi phân tử mRNA được vận chuyển ra ngoài nhân, tại đó thông tin được giải mã để sản xuất ra protein tương ứng. mRNA đóng vai trò là một loại phân tử truyền tải (carrier molecule). Và ông cho rằng ứng cử viên cho chức năng truyền tải đó là RNA được tìm thấy ở khắp cytoplasm của tế bào – mà sau này Sydney Brenner, Francois Jacob, và Matthew Meselson xác định sự tồn tại của carrier molecule này và đặt tên là mRNA (messenger RNA).

​

RNA là ribose nucleic acid được tìm thấy chủ yếu trong cytoplasm. RNA cũng có backbone là sugar-phosphatenhư phân tử DNA. Điểm khác biệt đầu tiên là RNA dùng đường ribose, còn DNA dùng đường deoxyribose (nhóm -OH tại C2′ được thay bởi -H).

​

Điểm khác biệt thứ 2 là DNA có các base A, T, G, C còn RNA đi với các base A, U, G, C (Thymine thay bằng Uracil). Tương ứng, ta có qui luật bắt cặp cho RNA là A-U, G-C qua hydrobonds.

Điểm khác biệt thứ 3 và cuối cùng đó là, DNA phần lớn thời gian tồn tại ở dạng phân tử kép (double-strand molecule) còn RNA là phân tử đơn (single-strand molecule).

“Old” Central Dogma

Như vậy, ‘central dogma’ theo quan điểm của Watson-Crick là thông tin truyền từ DNA–> RNA–> protein. Tới đây Crick nhận thấy một vấn đề là làm sao các amino acids tự do có thể liên kết với carrier RNA (mRNA)? Và ông đưa ra giả thuyết là tồn tại các phân tử làm vai trò cầu nối (adaptor molecule) tuy nhiên ông chưa có câu trả lời. Và thực tế là có tới 20 adaptors (sau này do Zamenik tìm ra đã khẳng định tính đúng đắn của giả thuyết của Crick, và nó được đặt tên là tRNA – transfer RNA) khác nhau, mỗi cái sẽ gắn với mỗi loại amino acid để đem chúng đến ribosome là nơi tổng hợp ra protein.

Tóm gọn lại central dogma là như sau:

• một đoạn DNA tương ứng với một gene sẽ làm template để tạo ra bản sao mRNA, quá trình này gồm nhiều giai đoạn sẽ được đề cập ở một bài riêng. Một enzyme, gọi là RNA polymerase, đóng vai trò tổng hợp ra mRNA từ DNA template.
  
  
• mRNA (mang thông tin di truyền) sẽ di chuyển ra ngoài nhân (sang tế bào chất) đến gần ribosome là bộ máy tổng hợp protein. Cứ mỗi bộ ba residues trên mRNA sẽ mã hoá cho một amino acids.
• tRNA đóng vai trò làm adaptor để đọc thông tin các bộ ba trong mRNA để mang các amino acids tương ứng sang ribosomes nhằm tổng hợp protein.
• 
  

​

“New” Central Dogma

Gần đây, với sự khám phá ra microRNA (miRNA) đã thay đổi quan điểm truyền thống về central dogma.​

miRNA cũng được tổng hợp như mRNA. Tuy nhiên, thay vì được dịch mã (translated) như mRNA để tổng hợp ra protein, miRNA lại tự uốn lại (fold) để tạo ra một cấu trúc lặp vòng. Lúc đó, miRNA có thể nhắm đến một một mRNA cụ thể và ngăn cản mRNA nó được dịch mã, hay có thể huỷ hoại (degrade) mRNA đó. Các nghiên cứu gần đây cho thấy vai trò cực kì quan trọng của miRNA trong quá trình phát triển của cơ thể vì nó giúp ngăn ngừa biểu hiện một số gene (gene expression) do những sai sót của quá trình gọi là “

leaky transcription“.

PHỤ LỤC1:

Bước 1: từ 1 chuỗi DNA template, RNA polymerase sẽ giúp tổng hợp ra mRNA chứa thông tin di truyền của DNA đó theo qui luật bổ sung

| DNA : mRNA
| A – U
| T – A
| G – C
| C – G

Như vậy, theo qui luật bổ sung (complementary rule), mRNA sẽ là bản sao thông tin di truyền của DNA, mọi thay đổi (mutation) của DNA (nếu có) sẽ được thể hiện trong mRNA. CHÚ Ý: tRNA không chứa thông tin di truyền, nên tRNA không có thay đổi.

Bước 2: mRNAđi ra khỏi nucleus, đến ribosome, tại đó 2 subunits của ribosome sẽ ghép lại và gắn chặt mRNA lại để bắt đầu quá trình tổng hợp proteins. Chú ý là để tổng hợp ra một protein cần các amino acids tự do, các amino acids này sẽ được tRNA đem đến, trật tự liên kết các amino acids này được qui định bởi trật tự các nucleotides bên trong mRNA. rRNA là một thành phần bên trong ribosomes cũng đóng vai trò giúp tổng hợp protein nhưng chức năng cụ thể thì chưa biết rõ.

PHỤ LỤC2:

Xác định ra tRNA

Paul Zamecnik là nhà khoa học nghiên cứu về tổng hợp protein (protein synthesis). Vào thập niên 1950, ông chưa biết về giả thuyết “Central Dogma” và adaptors của Crick. Ông đã tiến hành tổng hợp protein và tiếp cận theo quan điểm sinh hóa (dùng các hợp chất để tổng hợp ra protein). Bằng cách chiết xuất từ tế bào gan của chuột (đó là một dung dịch nước có chứa mọi thành phần từ việc nuôi cấy tế bào). Năm 1953, ông đã chứng minh có thể tổng hợp ra protein từ chiết xuất này trong môi trường ống nghiệm.

​

Để chứng minh sự tồn tại của các polypeptides, ông cho thêm một loại amino acid có đánh nhãn phóng xạ (radiolabeled) - C14 leucine - vào trong dung dịch. Ông ủ dung dịch (incubate) ở nhiệt độ cơ thể rồi đem vào máy li tâm (centrifuge). Chuỗi (radiolabelled) polypeptide được tạo thành, có chứa các radiolabelled amino acids, nặng hơn và chìm xuống dưới. Còn các amino acids rời, sẽ vẫn nổi ở trên (supernatant).

​

Ở dưới đáy, trộn lẫn với các radiolabelled polypeptide, Zamecnik còn phát hiện một cấu trúc tế bào khá lớn – mà sau này xác định là ribosome. Ribosome là thành phần tế bào bên trong tế bào chất (cytoplasmic organelle) nơi việc tổng hợp protein xảy ra. Ribosomes được tạo thành từ RNA và proteins. RNA thuộc ribosomes được gọi là rRNA (ribosome RNA) và nó tham gia vào quá trình tổng hợp protein (như đã nói ở trên), nhưng vai trò cụ thể của rRNA lúc đó vẫn chưa được biết.
Mahlon Hoagland, một thành viên trong Lab của Zamecnik, còn phát hiện ra một loại RNA khác - aminoacyltRNA synthetases – trong phần dung dịch của tế bào – nó nhằm hoạt hóa, cung cấp năng lượng cho các amino acids trước khi các amino acids này có thể tham gia vào quá trình hình thành proteins.

​

Sau đó, năm 1955, Zamenick, Mary Stephensen và Hoagland phát hiện rằng các amino acids sau khi được hoạt hóa sẽ phải gắn vơí một phân tử RNA có trọng lượng thấp (low molecular weight soluble RNA) rồi từ đó mới được đưa đến ribosomes để tổng hợp ra proteins.
Jim Watson, khi ghé thăm lab, đã phát hiện RNA có thể hòa tan trong tế bào chất (soluble RNA) giống với giả thuyết về adaptor của Crick. Mỗi soluble RNA bắt cặp với một đối tác amino acid và đưa amino acid này đến ribosome để tổng hợp ra protein. Soluble RNA sau này được đổi tên lại là tRNA (transfer RNA)

PHỤ LỤC3:

Phát hiện ra mRNA (messenger RNA)
Tới thời điểm này, ta biết cách thức các amino acids được thu thập để có thể liên kết tạo thành proteins. Nhưng trật tự liên kết của các amino acids đó như thế nào? Điều này đã được mã hóa trong gene. Và câu hỏi là genetic code từ DNA được truyền đến ribosome như thế nào?

• rRNA không phải là ‘template’ để giúp xác định cấu trúc protein (được chứng thực bởi Sydney Brenner,Francois Jacob, và Matthew Meselson)

Họ xác định có một loại RNA thứ 3 (hai RNA đã đề cập là rRNA và tRNA) – một sản phẩm trung gian không tồn tại lâu dài – mang genetic code từ DNA tới ribosome. Để kiểm chứng, họ sử dụng vi khuẩn bị nhiễm phage (phage-infected bacteria) được tạo thành bằng cách: (1) cho vi khuẩn phát triển trong môi trường có đồng vị nặng (heavy isotopes) của carbon và nitrogen (C13N15) để đánh nhãn phóng xạ mọi RNA và protein của vi khuẩn. (2) Sau đó, cho vi khuẩn vào với phage, sau đó chuyển ngay vi khuẩn bị nhiễm phage sang môi trường thiếu đồng vị nặng nhưng vẫn chứa phóng xa (radioactive) P32.

Trước khi phân tách vi khuẩn, họ cho dừng sự phát triển của phage. Và rồi trích xuất RNA và ribosomes ra khỏi vi khuẩn. Đưa phần trích xuất vào máy li tâm có density gradient (mật độ thay đổi) sẽ giúp tách rời nhiều thành phần để giúp phân tích sự phân bố của các đồng vị nặng và nhẹ trong ribosomes, cùng với việc tích hợp của P32 vào trong phage RNA mới tạo ra.

Và ông xác định tồn tại một loại RNA mới được hình thành, do có chứa P32, chính là nơi chứa thông tin di truyền. Và RNA này được gọi là mRNA (messenger RNA).

*** Làm cách nào để mỗi tRNA nhận biết amino acid tương ứng với nó?

PHỤ LỤC4:

Phát hiện ra miRNA (micro RNA)
miRNA (μRNA) là một non-coding RNA (vì nó không dùng để dịch mã thành protein) và đóng vai trò điều chỉnhgene expression. miRNA có chiều dài rất ngắn (21-23 nucleotides) và trước đây chỉ được xem là một “junk” RNA (nghĩa là không có vai trò gì cả). miRNA đầu tiên được tìm ra có tên là lin-4 do Victor Ambros và các đồng nghiệp Rosalind Lee và Rhonda Feinbaum tại Đại học Harvard trong khi đang nghiên cứu sự phát triển của giun (nematode) Caenorhabditis elegans có đột biến.
Sự ra đời của miRNA cho thấy RNA không chỉ làm duy nhất công việc tạo ra protein. Mục đích chính của miRNA là giảm biểu hiện gien (down regulate gene expression). Có nhiều loại miRNA đóng vai trò này. Người ta dự đoán có khoảng 1000 miRNA trong con người, và khoảng 500 trong chúng đã được nhận diện. Thông tin về nó có thể truy cập ở:

1. https://www.mirbase.org/
2. https://www.microrna.org/microrna/home.do

Sự tìm thấy miRNA đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển thuốc (drug development).

TERM:

• point mutation: đột biến xảy ra tại 1 vị trí của nucleotide trong DNA mà tại đó 1 nucleotide được thay thế bằng 1 nucleotide khác
• deletion: đột biến xảy ra tại 1 vị trí của nucleotide trong DNA mà tại đó một nucleotide nào đó bị mất đi khỏi DNA
• Protein: là một chuỗi polypeptide các amino acids được liên kết bằng peptide bonds.
• leucine: là một trong 8 essential amino acids.
• phage (hay bacteriophage): là một loại virus sống kí sinh trên vi khuẩn (bacteria), và nó có thể làm chết vi khuẩn
• polymerase: là một loại enzyme làm nhiệm vụ kết nối các nucleotides lại với nhau dựa trên một chuỗi DNA có sẵn (template). Có 2 loại enzyme polymerase: DNA polymerase và RNA polymerase
• Ribosome là “protein builder” hay “protein synthesizers” của tế bào. Nó có tác dụng kết nối các amino acids rời rạc lại với nhau thành chuỗi polypeptides. Một ribosome không phải chỉ là một piece, nó có 2 phần (pieces hay subunits). Các nhà khoa học gọi 2 đơn vị con này là 60-S (large) và 40-S (small). Hai đơn vị con này chỉ ghép lại, và kết hợp với mRNA, khi cần tạo ra protein. Mô hình 60-S/40-S dùng với eukaryotic cell, còn với prokaryotic cell thì nó là mô hình 50-S/30-S.

SUMMARY:

Central Dogma (luận thuyết trung tâm) là quan điểm cho biết đường đi (pathway) của thông tin di truyền qua đó giúp ta hiểu được quá trình di truyền được diễn ra như thế nào. Việc ra đời và hoàn chỉnh luận thuyết trải qua một thời gian với sự khám phá ra các loại RNA khác nhau (mRNA, miRNA, tRNA, rRNA) tham gia vào quá trình điều tiết biểu hiện gien (gene expression)