Đang tải... (xem toàn văn)
Đây là 1 phần của cuốn sách nổi tiếng campbell, Phần này sách đề cập về vấn đề phiên mã và dịch mã của ADN. Trình bày được mối quan hệ của phiên mã và dịch mã, làm sao từ ADN thành ARN từ đó tạo Protein, sách viết rất chi tiết khiến ai mất kiến thức về sao mã và dịch mã cũng có thể hiểu được
325 17.1. Gen xác định protein qua phiên m và dịch m 17.2. Phiên m là quá trình tổng hợp ARN do ADN điểu khiển: Quan sát gần hơn 17.3. Các tế bào sinh vật nhân thật cải biến ARN sau phiên m 17.4. Dịch m là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit do ARN điều khiển: Quan sát gần hơn 17.5. Các đột biến điểm có thể ảnh hởng đến cấu trúc và chức năng protein 17.6. Mặc dù sự biểu hiện gen ở các liên giới sinh vật là khác nhau, nhng khái niệm gen là thống nhất ào năm 2006, hình ảnh một con hơu con bị bạch tạng đang nô đùa giữa đàn hơu nâu ở vùng núi miền đông nớc Đức đã gây nên một làn sóng phản ứng khác nhau trong cộng đồng (Hình 17.1). Một tổ chức săn bắn động vật ở địa phơng cho rằng: con hơu bạch tạng mắc bệnh di truyền và cần giết bỏ. Một số ngời khác thì cho rằng con hơu đó cần đợc bảo vệ bằng cách cho lai với những con hơu khác để bảo vệ vốn gen của quần thể. Trong khi, những ngời khác thì ủng hộ quan điểm cần chuyển con hơu đó vào vờn quốc gia để bảo vệ, vì trong môi trờng sống hoang dại, con hơu này dễ bị các loài động vật ăn thịt phát hiện. Một siêu sao nhạc rốc ngời Đức thậm chí đã tổ chức một buổi biểu diễn quyên góp tiền để làm việc di chuyển và bảo vệ con hơu này. Điều gì đã dẫn đến kiểu hình kỳ lạ của con hơu này, vốn là nguyên nhân dẫn đến những quan điểm tranh cãi khác nhau? ở Chơng 14, chúng ta đã biết rằng các tính trạng di truyền đợc qui định bởi các gen và tính trạng bạch tạng là do một alen lặn thuộc gen tổng hợp sắc tố gây nên. Các nội dung thông tin đợc mã hóa trong các gen biểu hiện ở dạng các trình tự nucleotit đặc thù trên phân tử ADN, tức là phân tử mang thông tin di truyền. Nhng bằng cách nào các thông tin này có thể qui định các tính trạng của một cơ thể sinh vật? Nói cách khác, bằng cách nào mỗi gen có thể truyền đạt đợc thông điệp của nó? Và bằng cách nào thông điệp của nó đợc tế bào dịch mã thành một tính trạng nhất định, chẳng hạn nh màu tóc nâu, hay nhóm máu A, hay nh trong trờng hợp con hơu bạch tạng ở trên là sự thiếu hụt hoạt toàn sắc tố da? Con hơu có kiểu hình bạch tạng ở trên là do một enzym thiết yếu cần cho sự tổng hợp sắc tố của nó bị sai hỏng; mà nguyên nhân dẫn đến protein này bị sai hỏng là do gen mã hóa enzym mang thông tin không chính xác. Ví dụ về hơu bạch tạng minh họa nội dung chính của chơng này, đó là: ADN mà mỗi cá thể đợc di truyền từ bố, mẹ qui định các tính trạng đặc thù của nó thông qua quá trình tổng hợp protein và các phân tử ARN liên quan đến sự tổng hợp protein. Nói cách khác protein là cầu nối giữa kiểu gen và kiểu hình. Sự biểu hiện của gen là quá trình ở đó ADN điều khiển sự tổng hợp protein (hoặc trong một số trờng hợp, sản phẩm cuối cùng là các ARN). Sự biểu hiện của một gen mã hóa protein luôn gồm hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã. Chơng này đề cập đến các bớc của dòng thông tin đi từ gen đến protein và giải thích tại sao các đột biến di truyền có thể ảnh hởng đến các cơ thể sinh vật thông qua các protein của chúng. Sự biểu hiện của các gen diễn ra thông qua các quá trình tơng đối giống nhau ở cả ba liên giới sinh vật là sinh vật nhân sơ (prokaryote), sinh vật nhân thật (eukaryote) và vi khuẩn cực đoan (archea). Những hiểu biết về những quá trình này sẽ cho phép chúng ta nhìn lại về khái niệm gen một cách thấu đáo hơn ở phần cuối của chơng này. Trớc khi tìm hiểu chi tiết bằng cách nào các gen có thể điều khiển sự tổng hợp protein, chúng ta hãy quay ngợc bánh xe lịch sử để xem gen và protein đợc phát hiện nh thế nào. Bằng chứng từ các nghiên cứu về sai hỏng chuyển hóa Vào năm 1909, bác sĩ ngời Anh Archibald Garrod là ngời đầu tiên cho rằng các gen qui định kiểu hình thông qua các V Các khái niệm chính Tổng quan Dòng thông tin di truyền Hình 17.1 Tại sao một gen sai hỏng duy nhất có thể dẫn đến kiểu hình khác biệt rõ rệt ở hơu bạch tạng? Từ Gen đến Protein 1 7 .1 Khái niệ m Gen xác định protein qua phiên m và dịch m 326 khối kiến thức 3 Di truyền học enzym xúc tác các phản ứng diễn ra trong tế bào. Garrod dự đoán rằng các triệu chứng của một bệnh di truyền là kết quả của việc mất khả năng tổng hợp một enzym nhất định nào đó ở ngời bệnh. Ông coi những bệnh nh vậy là những rối loạn trao đổi chất bẩm sinh. Garrod đã nêu ví dụ về một bệnh di truyền đợc gọi là alkapto niệu; ở những ngời mắc bệnh này, nớc tiểu có màu đen do trong thành phần có alkapton là một chất chuyển mầu sẫm khi tiếp xúc với không khí. Garrod cho rằng phần lớn mọi ngời đều có một enzym giúp chuyển hóa alkapton, nhng những ngời bị bệnh đã đợc di truyền gen mất khả năng tổng hợp enzym này. Garrod cũng có thể là một trong những ngời đầu tiên nhận ra các qui luật di truyền của Mendel có thể áp dụng cho ngời giống nh với cây đậu Hà lan. Có thể nói nhận thức của Garrod đã đi trớc thời đại, bởi vì các nghiên cứu đợc tiến hành sau đó hàng chục năm mới thực sự ủng hộ cho giả thiết của ông về việc mỗi gen điều khiển sự tổng hợp của một enzym đặc thù. Các nhà hóa sinh học ngày càng tích lũy đợc nhiều bằng chứng cho thấy tế bào tiến hành tổng hợp và phân hủy phần lớn các chất hữu cơ thông qua các con đờng chuyển hóa, ở đó mỗi phản ứng hóa học đều đợc xúc tác bởi một enzym đặc thù (xem trang 142). Một ví dụ về con đờng chuyển hóa nh vậy là sự tổng hợp các sắc tố quy định màu mắt ở ruồi Drosophila (xem Hình 15.3). Vào khoảng những năm 1930, George Beadle và Boris Ephrussi dự đoán rằng ở ruồi Drosophila, mỗi một thể đột biến màu mắt đều có quá trình tổng hợp sắc tố bị ức chế tại một bớc đặc thù nào đó, do thiếu sự tổng hợp enzym xúc tác bớc phản ứng đó. Tuy vậy, vào thời điểm đó không có phản ứng nào cũng nh enzym có liên quan đến sự tổng hợp sắc tố qui định màu mắt ở ruồi giấm đợc biết đến. Các thể đột biến khuyết dỡng ở Neurospora: Điều tra khoa học Một bớc ngoặt trong việc làm sáng tỏ mối quan hệ giữa gen và enzym đến sau đó vài năm khi Beadle và Edward Tatum nghiên cứu ở nấm men Neurospora crassa. Trên cơ sở các phơng pháp gây tạo đột biến đợc tìm ra từ những năm 1920, các nhà khoa học đã dùng tia X bắn phá các chủng Neurospora để tạo nên các chủng đột biến có nhu cầu dinh dỡng khác so với kiểu dại. Các chủng nấm men Neurospora kiểu dại có nhu cầu dinh dỡng đơn giản. Chúng có thể dễ dàng sống trong môi trờng thạch (agar) đợc bổ sung một số muối vô cơ, đờng glucose và vitamin biotin. Từ môi trờng tối thiểu này, các tế bào nấm men có thể dùng các con đờng chuyển hóa của chúng để tạo nên tất cả các phân tử cần cho sự sinh trởng và phát triển của mình. Beadle và Tatum đã xác định đợc nhiều chủng đột biến không có khả năng sống trên môi trờng tối thiểu do nguyên nhân mất khả năng tổng hợp một hợp chất thiết yếu nào đó. Những chủng đột biến nh vậy đợc gọi là đột biến khuyết dỡng. Để có thể nuôi các chủng đột biến này, Beadle và Tatum phải nuôi chúng trong môi trờng đủ, gồm các thành phần của môi trờng tối thiểu, ngoài ra bổ sung thêm 20 loại axit amin và một số chất dinh dỡng khác nữa. Trong môi trờng đủ, mọi thể đột biến đều có khả năng sống dù chúng không có khả năng tổng hợp một chất nào đó. Để phân tích đặc điểm của các dạng sai hỏng trao đổi chất ở các chủng đột biến khuyết dỡng, Beadle và Tatum đã tiến hành lấy mẫu bằng cách nuôi chúng trong môi trờng đủ, rồi phân phối chúng vào các ống đựng mẫu. Trong mỗi ống đựng mẫu, họ bổ sung môi trờng tối thiểu, ngoài ra chỉ bổ sung thêm một chất dinh dỡng nhất định (vốn khác nhau giữa môi trờng đủ và mối trờng tối thiểu). Chất bổ sung đặc thù cho phép nấm men đột biến có thể sinh trởng sẽ cung cấp thông tin về kiểu sai hỏng chuyển hóa ở chủng nấm men đột biến. Ví dụ, nếu chủng đột biến đợc tìm thấy có khả năng phát triển trong môi trờng bổ sung axit amin arginine, thì các nhà nghiên cứu kết luận rằng thể đột biến đó bị sai hỏng trong con đờng chuyển hóa tổng hợp arginine so với chủng kiểu dại. Beadle và Tatum sau đó tiếp tục xác định tính đặc thù của mỗi thể đột biến. Hình 17.2 minh họa cách họ dùng các phép thử tiếp theo để phân biệt ba thể đột biến khác nhau dù chúng đều là các đột biến khuyết dỡng về arginine. Mỗi thể đột biến này đều cần một nhóm chất khác nhau dọc theo con đờng sinh tổng hợp arginine gồm ba bớc. Từ kết quả thí nghiệm, các nhà nghiên cứu cho rằng các thể đột biến đã bị ức chế ở các bớc khác nhau của cùng con đờng chuyển hóa trong đó mỗi thể đột biến thiếu một enzym tơng ứng với bớc chuyển hóa bị ức chế. Do trong nghiên cứu của Beadle và Tatum, các sai hỏng ở các thể đột biến đều liên quan đến một gen duy nhất, nên kết quả nghiên cứu của họ đã ủng hộ cho Giả thiết một gen - một enzym mà chính hai nhà khoa học này đã đa ra. Giả thiết một gen - một enzym phát biểu rằng: chức năng của một gen là điều khiển sự tổng hợp một enzym đặc thù. Giả thiết này sau đó tiếp tục đợc củng cố khi ngày càng có nhiều thể đột biến đợc xác định thiếu một enzym đặc thù nào đó so với các dạng kiểu dại. Năm 1958, Beadle và Tatum đợc trao giải thởng Nobel về phát hiện của họ cho thấy các gen điều khiển các sự kiện hóa học xác định (Trích nguyên văn từ ủy ban Nobel). Sản phẩm biểu hiện của gen: Câu chuyện tiếp tục phát triển Khi các nhà nghiên cứu ngày càng hiểu rõ hơn về protein, họ bắt đầu xem lại giả thiết một gen - một enzym. Trớc hết, không phải mọi protein đều là enzym. Ví dụ nh, keratin là một protein cấu trúc có trong thành phần lông, tóc ở động vật; hay nh insulin là một protein có chức năng điều hòa (hoocmôn), đều là các protein nhng không phải là enzym. Do có nhiều protein không phải là enzym nhng vẫn là các sản phẩm của gen, nên các nhà sinh học phân tử bắt đầu nghĩ về khái niệm một gen - một protein. Tuy vậy, rất nhiều protein đợc cấu tạo nên từ hai hay nhiều chuỗi polypeptit khác nhau, mà mỗi chuỗi polypeptit lại đợc mã hóa bởi một gen riêng. Ví dụ nh, protein vận chuyển ôxy trong máu của động vật có xơng sống là hemoglobin đợc cấu tạo nên từ hai loại polypeptit đợc mã hóa tơng ứng bởi hai gen khác nhau (xem Hình 5.21). Vì vậy, ý tởng của Beadle và Tatum đã đợc phát biểu lại là Giả thiết một gen - một chuỗi polypeptit. Mặc dù vậy, khái niệm này cũng không hoàn toàn chính xác. Thứ nhất, nhiều gen ở sinh vật nhân thật có thể đồng thời mã hóa cho nhiều chuỗi polypeptit khác nhau nhng có quan hệ với nhau thông qua cách hoàn thiện các sản phẩm phiên mã và dịch mã khác nhau mà chúng ta sẽ đề cập đến ở phần sau của chơng này. Thứ hai, một số gen mã hóa cho các phân tử ARN có chức năng quan trọng trong tế bào, mặc dù chúng không bao giờ đợc dịch mã thành protein. Tuy vậy, hiện nay chúng ta chủ yếu tập trung vào các gen mã hóa cho các chuỗi polypeptit. (Trong thực tế hiện nay sản phẩm của các gen thờng đợc hiểu với nghĩa phổ biến là protein, chứ không phải chính xác hơn là các chuỗi polypeptit - một thực tế bạn cũng sẽ gặp trong cuốn sách này). Chơng 17 Từ gen đến protein 327 Có phải các gen quy định các enzym biểu hiện chức năng trong các con đờng hóa sinh? 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). Giả sử kết quả thí nghiệm là: các thể đột biến nhóm I chỉ sinh trởng đợc trên môi trờng MM bổ sung thêm hoặc ornithine hoặc arginine và các đột biến nhóm II sinh trởng đợc trên môi trờng MM đợc bổ sung thêm hoặc citruline, ornithine hay arginine. Beadle và Tatum sẽ rút ra những kết luận gì về con đờng chuyển hóa và những sải hỏng ở các thể đột biến thuộc nhóm I và II? Hình 1 7 . 2 Nghiên cứu phát hiện Thí nghiệm Kết quả Kết luận Nguồn Nếu thì sao ? Khi nghiên cứu ở Neurospora crassa , George Beadle và Edward Tatum tại Đại học Stanford đã phân lập đợc các thể đột biến cần bổ sung arginine vào môi trờng sinh trởng của chúng. Các nhà nghiên cứu thấy rằng các thể đột biến này chia làm ba nhóm, mỗi nhóm bị sai hỏng một gen khác nhau. Cân nhắc trên các dữ liệu thí nghiệm, họ dự đoán con đờng sinh tổng hợp arginine liên quan đến một tiền chất trong môi trờng dinh dỡng và các phân tử trung gian là ornithine và citruline. Thí nghiệm nổi tiếng nhất của họ đợc minh họa ở đây vừa chứng minh giả thiết một gen - một enzym vừa xác nhận con đờng tổng hợp arginine mà họ đã dự đoán. Trong thí nghiệm này, họ đã nuôi ba nhóm nấm men đột biến trong 4 điều kiện môi trờng khác nhau nh đợc minh họa ở phần Kết quả dới đây. ở đây, họ đã dùng môi trờng tối thiểu (MM) làm đối chứng do trong môi trờng này các tế bào kiểu dại có thể sinh trởng, trong khi các tế bào đột biến thì không. (Xem hình minh họa các ống nghiêm bên phải.) Chủng kiểu dại có khả năng sinh tr ởng trong tất cả các điều kiện thí nghiệm khác nhau, chỉ đòi hỏi môi trờng tối thiểu. Trong khi đó, ba nhóm đột biến đều cần bổ sung những chất dinh dỡng đặc thù cho mỗi nhóm. Ví dụ: các đột biến nhóm II không sinh trởng đợc trong môi trờng chỉ bổ sun g ornithrine, mà chỉ sinh trởng trong các môi trờng hoặc bổ sung citruline hay arginine. Từ những yêu cầu về nguồn dinh dỡng của các thể đột biến, Beadle và Tatum đã suy luận ra rằng mỗi nhóm đột biến không thể thực hiện một bớc trong con đờng sinh t ổng hợp arginine, mà theo giả thiết là do chúng thiếu những enzym đặc thù. Do mỗi nhóm đột biến bị đột biến ở một gen duy nhất, họ kết luận rằng mỗi gen bình thờng qui định việc tế bào sản xuất một enzym. Kết quả nghiên cứu này ủng hộ cho giả thiết một gen - một enzym của họ và đồng thời cũng xác nhận con đờng chuyển hóa tổng hợp arginine. (Chú ý trong phần Kết quả là các thể đột biến chỉ sinh trởng đợc trong các môi trờng bổ sung một hợp chất hình thành sau bớc sai hỏng của quá trình chuyển hóa, vì điều này mới có thể giúp khắc phục sai hỏng.) Sinh trởng: Các tế bào kiểu dại sinh trởng và phân chia Không sinh trởng: Các tế bào đột biến không sinh trởng và phân chia Môi trờng tối thiểu Các nhóm Neurospora crassa Kiểu dại Nhóm đột biến I Nhóm đột biến II Nhóm đột biến III Điều kiện môi trờng Môi trờng tối thiểu (MM) (Đối chứng) MM + ornithine MM + citruline MM + argini ne (Đối chứng) Sinh trởng trong mọi điều kiện thí nghiệm Sinh trởng khi có ornithine, citruline hoặc arginine Chỉ sinh trởng khi có citruline hoặc arginine Nhất thiết phải có arginine mới có thể sinh trởng Tiền chất Tiền chất Tiền chất Tiền chất Enzym A Enzym B Enzym C Enzym B Enzym B Enzym C Enzym C Enzym A Enzym A Gen A Gen B Gen C Kiểu dại Nhóm đột biến I (đột biến ở gen A) Nhóm đột biến II (đột biến ở gen B) Nhóm đột biến III (đột biến ở gen C) 328 khối kiến thức 3 Di truyền học Các nguyên lý cơ bản của phiên m và dịch m Gen cung cấp bản hớng dẫn để tế bào tổng hợp nên các protein đặc thù. Tuy vậy, gen không trực tiếp tạo nên protein. Cầu nối giữa ADN và sự tổng hợp protein là axit nucleic ARN. Từ Chơng 5, chúng ta đã biết ARN có cấu trúc hóa học giống ADN, trừ hai đặc điểm: i) nó chứa đờng ribose thay cho đờng deoxyribose, và ii) nó mang bazơ nitơ loại uracil chứ không phải loại thymine (xem Hình 5.27). Vì vậy, nếu nh các loại nucleotit chạy dọc mạch ADN có các bazơ thuộc các loại A, G, C và T, thì mỗi nucleotit của ARN có các bazơ điển hình là A, G, C và U. Một phân tử ARN thờng tồn tại ở dạng mạch đơn. Nh một thông lệ, dòng thông tin từ gen đến protein thờng đợc mô tả nh sự truyền tải của các dạng ngôn ngữ bởi vì các loại axit nucleic cũng nh protein đều là các đa phân tử (polyme) truyền tải thông tin trên cơ sở trình tự đặc thù của các đơn phân (monome), cũng giống nh cách chúng ta dùng Tiếng Việt hay Tiếng Anh là trình tự đặc thù của các chữ cái để trao đổi thông tin. Trong phân tử ADN và ARN, các monome là bốn loại nucleotit khác nhau về thành phần bazơ. Các gen điển hình có chiều dài hàng trăm hoặc hàng nghìn nucleotit, mỗi gen có một trình tự bazơ đặc thù. Mỗi chuỗi polypeptit của một phân tử protein cũng có các monome sắp xếp thành một chuỗi thẳng hàng có trình tự nhất định (cấu trúc bậc 1 của protein); nhng các monome của chúng là các axit amin. Nh vậy, các axit nucleic và protein mang thông tin đợc viết bằng hai ngôn ngữ hóa học khác nhau. Sự truyền tải thông tin từ ADN tới protein cần qua hai giai đoạn chính: phiên mã và dịch mã. Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN dới sự chỉ dẫn của ADN. Cả hai loại axit nucleic này đều dùng ngôn ngữ hóa học giống nhau; vì vậy, thông tin đợc phiên mã đơn giản, hoặc đợc sao chép, từ phân tử này thành phân tử khác. Cụ thể, mạch ADN có thể đợc dùng làm khuôn để tổng hợp một mạch bổ sung mới trong sao chép ADN, cũng nh nó có thể làm khuôn để lắp ráp một trình tự bổ sung của các nuleotit ARN trong phiên mã. Đối với các gen mã hóa protein, các phân tử ARN thu đợc là bản phiên mã trung thực từ bản hớng dẫn tổng hợp protein đợc mã hóa trong gen. Nó không khác mấy bản sao bảng điểm học tập của bạn; và cũng giống một bản phiên mã, nó có thể đợc gửi đi dới dạng nhiều bản sao khác nhau. Loại phân tử ARN nh vậy đợc gọi là ARN thông tin (mARN) bởi vì nó mang thông điệp di truyền từ ADN tới bộ máy tổng hợp protein của tế bào. (Phiên mã là thuật ngữ chung cho quá trình tổng hợp mọi loại ARN trên cơ sở mạch khuôn ADN. ở phần sau của chơng này, chúng ta sẽ đề cập đến các loại ARN khác cũng đợc tạo ra từ phiên mã.) Dịch mã là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit diễn ra dới sự chỉ dẫn của ARN. Trong giai đoạn này, có một sự thay đổi ngôn ngữ: Tế bào phải phiên dịch trình tự các bazơ của một phân tử mARN thành trình tự các axit amin của một chuỗi polypeptit. Vị trí diễn ra sự dịch mã là các ribosome; đó là phức hệ dạng hạt tạo điều kiện thuận lợi cho sự kết nối các axit amin theo một trật tự nhất định để hình thành nên các chuỗi polypeptit. Phiên mã và dịch mã là các quá trình có ở mọi cơ thể sống. Từ Chơng 1, chúng ta biết rằng sinh giới gồm ba liên giới: Vi khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cực đoan (Archaea) và Sinh vật nhân thật (Eukarya). Hai liên giới đầu đợc gọi chung là các sinh vật nhân sơ (prokaryote) bởi vì tế bào của chúng không có cấu trúc nhân đợc bao bọc bởi màng - vốn là đặc điểm rõ rệt của các tế bào sinh vật nhân thật. Phần lớn các nghiên cứu về phiên mã và dịch mã đến nay đợc thực hiện ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật; và vì vậy, đó cũng là những nội dung chính đợc tập trung đề cập ở chơng này. Mặc dù những hiểu biết về những quá trình này ở liên giới vi khuẩn cực đoan còn hạn chế, nhng ở phần cuối chơng chúng ta cũng sẽ thảo luận về một số khía cạnh của sự biểu hiện gen ở liên giới sinh vật này. Các nguyên lý động học cơ bản của phiên mã và dịch mã là giống nhau ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật, nhng có một đặc điểm khác biệt quan trọng trong dòng thông tin di truyền ở trong các tế bào. Do vi khuẩn không có nhân, nên ADN của vi khuẩn không bị tách biệt hoàn toàn về không gian với ribosome cũng nh với các thành phần khác của bộ máy tổng hợp protein (Hình 17.3a). Nh bạn sẽ thấy ở phần sau, do không có sự tách biệt rõ ràng về không gian, nên ở vi khuẩn quá trình dịch mã một phân tử mARN có thể bắt đầu ngay cả khi sự phiên mã tổng hợp phân tử mARN đó vẫn đang diễn ra. Ngợc lại, ở các tế bào sinh vật nhân thật, màng nhân tách biệt hoàn toàn hai quá trình phiên mã và dịch mã về không gian và thời gian (Hình 17.3b). Cụ thể, phiên mã diễn ra trong nhân, rồi mARN đợc chuyển ra tế bào chất; ở đó nó đợc dùng làm khuôn để dịch mã. Tuy vậy, trớc khi mARN rời khỏi nhân, bản phiên mã ARN ở sinh vật nhân thật từ các gen mã hóa protein thờng đợc biến đổi qua một số bớc để hình thành nên phân tử mARN cuối cùng hoàn thiện về chức năng. Sự phiên mã một gen mã hóa protein ở sinh vật nhân thật ban đầu tạo ra một phân tử tiền-mARN; phân tử này trải qua quá trình hoàn thiện để hình thành nên phân tử mARN cuối cùng. Các bản phiên mã ARN đầu tiên đợc hình thành từ mỗi gen, bao gồm cả các gen chỉ mã hóa cho các loại ARN mà không đợc dịch mã thành protein, đợc gọi chung là các bản phiên mã sơ cấp. Có thể tóm tắt sự phiên mã và dịch mã nh sau: các gen lập trình sự tổng hợp protein thông qua các thông điệp di truyền ở dạng ARN thông tin. Có thể hiểu theo cách khác là các tế bào đợc chi phối bởi một chuỗi lệch ở cấp phân tử theo dòng thông tin di truyền có hớng là: ADN ARN protein. Khái niệm này đợc Francis Crick đa ra lần đầu tiên vào năm 1956 và đợc gọi là nguyên lý trung tâm. Khái niệm này đã tồn tại nh thế nào qua thời gian? Vào những năm 1970, các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng một số phân tử ARN có thể làm khuôn để tổng hợp ADN thông qua một quá trình mà chúng ta sẽ đề cập đến ở Chơng 19. Tuy vậy, cơ chế ngoại lệ này không hề phủ nhận khái niệm chung là dòng thông tin di truyền chủ yếu đi từ ADN tới ARN rồi tới protein. ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận về nội dung bằng cách nào bản hớng dẫn cách lắp ráp các axit amin theo một trật tự đặc thù trong chuỗi polypeptit đợc mã hóa trong các axit nucleic. M di truyền Khi các nhà sinh học bắt đầu nghi ngờ rằng bản hớng dẫn tổng hợp protein đợc ghi trong các phân tử ADN, họ nhận ra một vấn đề: Chỉ có 4 loại bazơ trong các nucleotit để xác định cho 20 loại axit amin. Do đó, mã di truyền không thể ở dạng ngôn ngữ kiểu tợng hình nh Tiếng Trung quốc đợc, nghĩa là mỗi ký tự tơng ứng với một từ riêng. Vậy, bao nhiêu bazơ trong các nucleotit thì tơng ứng với một axit amin? Chơng 17 Từ gen đến protein 329 Codon: Mã bộ ba của các bazơ Nếu mỗi bazơ nucleotit đợc dịch mã thành một axit amin, thì chỉ có nhiều nhất 4 axit amin đợc xác định. Thế còn nếu mã di truyền là mã bộ hai thì sao? Chẳng hạn, trình tự hai bazơ AG xác định một axit amin, còn trình tự bazơ GT xác định một axit amin khác. Do ở mỗi vị trí, có 4 khả năng lựa chọn các bazơ nucleotit khác nhau, nên chúng ta sẽ có tối đa 16 (tức là 4 2 ) khả năng tổ hợp; điều này cho thấy mã bộ hai không đủ để mã hóa cho tất cả 20 axit amin. Bộ ba các bazơ nucleotit là số nguyên nhỏ nhất, đồng đều có thể mã hóa cho tất cả các axit amin. Nếu mỗi cách sắp xếp cứ 3 bazơ kế tiếp nhau xác định một axit amin, thì chúng ta sẽ có 64 (tức là 4 3 ) khả năng mã hóa; số lợng này thừa đủ để xác định tất cả các axit amin. Trên cơ sở đó, các số liệu thí nghiệm sau này cũng đã xác nhận rằng: dòng thông tin đi từ gen đến protein dựa trên mã bộ ba; nói cách khác, bản hớng dẫn tổng hợp một chuỗi polypeptit đợc viết trên ADN là một chuỗi những từ gồm 3 nucleotit và có đặc điểm không gối lên nhau. Ví dụ, bộ ba các bazơ AGT tại một vị trí nhất định (trong vùng mã hóa) trên mạch ADN sẽ dẫn đến sự lắp ráp một axit amin Serine tại vị trí tơng ứng trên chuỗi polypeptit đợc tạo ra. Trong quá trình phiên mã, các gen xác định trình tự các bazơ nằm dọc chiều dài phân tử mARN (Hình 17.4). Trong phạm vi mỗi gen, chỉ một trong hai mạch ADN đợc phiên mã. Mạch này đợc gọi là mạch khuôn bởi vì nó cung cấp kiểu mẫu, hay khuôn mẫu, cho sự lắp ráp các nucleotit trên bản phiên mã ARN. Một mạch ADN thờng làm khuôn cho một số hoặc nhiều gen nằm dọc theo phân tử ADN; trong khi đó, mạch bổ sung với nó có thể làm khuôn cho sự phiên mã của những Hình 17.3 Tổng quan: vai trò c a phiên mã và dịch mã trong dòng thông tin di truyền. Trong tế bào, dòng thông tin di truyền đi từ ADN đến ARN rồi đến protein. Hai giai đoạn chính của dòng thông tin này là Phiên mã và Dịch mã. Hai hình ảnh thu gọn ở trên, (a) và (b), phản ánh một số đặc điểm của các quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra ở vi khu ẩn và sinh vật nhân thật đợc đề cập trong chơng này. (a) Tế bào vi khuẩn. Trong tế bào vi khuẩn, do thiếu nhân, mARN đợc tạo ra từ phiên mã đợc dùng ngay để dịch mã mà không cần biến đổi gì thêm. ADN Phiên mã Màng nhân Hoàn thiện ARN Dịch mã Phiên mã Dịch mã mARN Ribosome Polypeptide (b) Tế bào sinh vật nhân thật. Nhân tạo thành không gian tách biệt cho phiên mã. Bản phiên mã ARN đầu tiên, gọi là tiền- ARN, đợc biến đổi qua một số bớc trớc khi rời nhân ở dạng mARN hoàn thiện. Ribosome Po lypeptide ADN mARN Tiền - mARN Hình 17.4 Mã bộ ba. Với mỗi gen, chỉ một trong hai mạch ADN đợc dùng làm khuôn để phiên mã. Giống nh trong sao chép ADN, nguyên tắc kết cặp giữa các bazơ nucleotit cũng đợc dùng trong phiên mã, chỉ thay thế thymin e (T) trong ADN bằng uracil (U) trong ARN. Mỗi codon (mã bộ ba) xác định một axit amin đợc bổ sung vào chuỗi polypeptit đang kéo dài. Phân tử mARN đợc dịch mã theo chiều 5' 3'. Phân tử ADN mARN Gen 1 Mạch ADN khuôn Codon Gen 2 Gen 3 Protein Ph iên mã dịch mã Axit amin 330 khối kiến thức 3 Di truyền học gen khác. Điều đáng lu ý là trong phạm vi mỗi gen nhất định, luôn chỉ có một mạch ADN đợc làm khuôn để phiên mã. Một phân tử mARN chỉ có trình tự bổ sung với mạch làm khuôn ADN theo nguyên tắc kết cặp của các bazơ, chứ không giống hệt mạch làm khuôn này. Sự kết cặp giữa các bazơ là giống nhau trong sao chép ADN và phiên mã, chỉ có đặc điểm khác là U thay thế cho T là thành phần bazơ của ARN; ngoài ra các nucleotit của ARN mang thành phần đờng là ribose thay cho deoxyribose trong phân tử ADN. Giống với mạch ADN mới, phân tử ARN đợc tổng hợp theo chiều đối song song với mạch ADN làm khuôn. (Xem các khái niệm về "đối song song" và "chiều 5 3" của chuỗi axit nucleic trên Hình 16.7). Ví dụ nh, trình tự ba bazơ ACC dọc phân tử ADN (viết là 3-ACC-5) làm khuôn tổng hợp nên trình tự 5-UGG-3 trên phân tử mARN. Mỗi bộ ba các bazơ của phân tử mARN đợc gọi là codon; và theo thói quen, chúng thờng đợc viết theo chiều 5 3. Trong ví dụ trên đây, UGG là codon mã hóa cho axit amin Tryptophan (viết tắt là Trp). Thuật ngữ codon trong thực tế cũng đợc dùng để chỉ bộ ba các bazơ thuộc mạch không làm khuôn trên phân tử ADN. Những codon này có trình tự các nucleotit bổ sung với mạch ADN làm khuôn, và vì vậy sẽ giống với trình tự các nucleotit trên mARN, trừ việc U đợc thay thế bằng T. (Vì lý do này, mạch ADN không làm khuôn lại đợc gọi là mạch mã hóa.) Trong quá trình dịch mã, trình tự các codon dọc phân tử mARN đợc giải mã, hay dịch mã, thành trình tự các axit amin từ đó hình thành nên chuỗi polypeptit. Các codon đợc bộ máy dịch mã đọc theo chiều 5 3 của mạch mARN. Mỗi codon xác định một trong 20 loại axit amin đợc lắp ráp vào đúng vị trí tơng ứng dọc chuỗi polypeptit. Do các codon là mã bộ ba, nên số nucleotit cần để mã hóa một thông điệp di truyền cần nhiều hơn ít nhất ba lần so với số các axit amin trong sản phẩm protein. Ví dự nh, để mã hóa một chuỗi polypeptit gồm 100 axit amin, cần một trình tự gồm 300 nucleotit dọc mạch ARN. Giải mã sự sống Các nhà sinh học phân tử đã giải mã sự sống thành công vào những năm đầu của thập kỷ 1960, khi một loạt các thí nghiệm hợp lý đã giúp làm sáng tỏ sự dịch mã các axit amin từ mỗi codon trên mARN. Codon đầu tiên đợc giải mã bởi Marshall Nirenberg và cộng sự tại Viện Y học Quốc gia Hoa Kỳ (NIH) vào năm 1961. Nirenberg đã tổng hợp nhân tạo đợc một phân tử mARN gồm toàn các nucleotit ARN thuộc loại uracil (U) liên kết với nhau. Bất kể khi mạch ARN đợc bắt đầu và kết thúc dịch mã nh thế nào, thì mã bộ ba lặp lại cũng luôn là UUU. Nirenberg đã bổ sung phân tử poly U này vào ống nghiệm chứa dung dịch hỗn hợp gồm các loại axit amin, ribosome và các thành phần khác cần cho sự tổng hợp protein. Hệ thống nhân tạo của Nirenberg và cộng sự đã dẫn đến sự hình thành một chuỗi polypeptit chỉ gồm toàn các axit amin phenylalanine (Phe) kết thành chuỗi liên tiếp, còn đợc gọi là chuỗi polyphenylalanine. Bằng cách đó, Nirenberg đã xác định đợc rằng codon UUU trên phân tử mARN xác định axit amin phenylalanine. Ngay sau đó, các axit amin đợc xác định bằng các codon AAA, GGG và CCC cũng đã đợc xác định. Mặc dù phải áp dụng một số kỹ thuật phức tạp hơn mới có thể giải mã các codon khác, nh AUA và CGA; nhng có thể nói đến giữa những năm 1960, tất cả 64 codon đã đợc giải mã hết. Nh đợc liệt kê trên Hình 17.5, trong số 64 codon có 61 codon mã hóa cho các axit amin. Ba codon không mã hóa cho bất cứ axit amin nào đợc gọi là các tín hiệu kết thúc dịch mã (stop codon); ở đó, quá trình dịch mã kết thúc. Điều đáng lu ý là codon AUG có hai chức năng: nó vừa mã hóa cho axit amin methinonine (Met), vừa là tín hiệu bắt đầu dịch mã (start codon). Điều này có nghĩa là, các thông điệp di truyền trên phân tử mARN luôn đợc bắt đầu từ codon AUG (trừ một số ngoại lệ); nói cách khác, đây cũng chính là tín hiệu thông báo cho bộ máy dịch mã bắt đầu quá trình dịch mã mARN. (Do AUG đồng thời mã hóa cho methionine, nên tất cả các chuỗi polypeptit đều bắt đầu bằng axit amin này khi chúng đợc tổng hợp. Tuy vậy, sau đó một enzym có thể cắt bỏ axit amin khởi đầu này hoặc không). Có một đặc điểm cần chú ý trên Hình 17.5 là mã di truyền có tính thoái hóa, nhng luôn đặc thù. Cụ thể nh, mặc dù các mã bộ ba GAA và GAG có thể đồng thời mã hóa cho axit glutamic (tính thoái hóa), nhng không có bất kỳ mã bộ ba nào đồng thời mã hóa cho hai axit amin trở lên (tính đặc thù). Ngoài ra, tính thoái hóa của mã bộ ba cũng không phải là ngẫu nhiên. Trong nhiều trờng hợp, các codon khác nhau có cùng nghĩa (mã hóa cho cùng một loại axit amin), mà chỉ khác nhau về bazơ thứ ba trong bộ ba nucleotit của chúng. ở phần sau của chơng này, chúng ta sẽ thấy u điểm của tính thoái hóa của mã di truyền trong các quá trình biểu hiện các gen. Hình 17.5 Từ điển mã di truyền. Thứ tự ba bazơ của các codon mARN đợc minh họa theo chiều 5' 3' trên phân tử mARN. (Thực hành sử dụng "Từ điển mã di truyền này" bằng việc tìm ra các codon trên Hình 17.4). Codon AUG không chỉ mã hóa axit amin methionine (Met) mà còn là tín hiệu "báo hiệu" cho ribosome bắt đầu dịch mã tại điểm này. Có 3 trong 64 codon có chức năng là "tín hiệu kết thúc dịch mã" (stop codon); nó báo hiệu sự kết thúc của một "thông điệp di truyền". Xem Hình 5.17 về cách viết tắt các axit amin bằng ba chữ cái. Bazơ mARN thứ hai Bazơ mARN thứ nhất Bazơ mARN thứ ba Chơng 17 Từ gen đến protein 331 Để có thể hiểu đợc một thông điệp hay một câu đợc viết theo một ngôn ngữ nào đó thì chúng ta phải đọc đợc các kí hiệu của ngôn ngữ đó khi chúng đợc xếp theo những những nhóm nhất định; nói cách khác là trong một khung đọc đúng. Hãy xem câu nói sau: con chó bắt con mèo. Nếu sự xếp nhóm của các chữ trong câu này bắt đầu từ một vị trí sai, thì câu sẽ trở nên vô nghĩa; chẳng hạn nh onc hób ắtc onm èo. Khung đọc cũng có vai trò quan trọng nh vậy trong ngôn ngữ phân tử của tế bào. Chẳng hạn nh đoạn polypeptit ngắn trên Hình 17.4 sẽ chỉ đợc tạo ra chính xác một khi các nucleotit trên phân tử mARN đợc đọc từ trái qua phải (chiều 5 3) đúng theo từng nhóm 3 kí tự là UGG UUU GGC UCA. Mặc dù thông điệp di truyền đợc viết liên tục (không có khoảng cách) giữa các mã bộ ba, nhng bộ máy tổng hợp protein của tế bào đọc đợc thông điệp đó bằng việc xếp các chữ cái (nucleotit) thành chuỗi các từ (codon) gồm ba chữ cái liên tục và không gối lên nhau. Thông điệp di truyền không đợc đọc theo kiểu các codon gối lên nhau, chẳng hạn nh UGG UUU; trong trờng hợp mã gối lên nhau, nghĩa của thông điệp sẽ thay đổi. Sự tiến hóa của mã di truyền Mã di truyền có tính phổ biến, nghĩa là giống nhau ở tất cả các loài từ các vi khuẩn đơn bào đơn giản nhất cho đến các loài động vật và thực vật có cấu trúc phức tạp nhất. Chẳng hạn nh, mã bộ ba CCG trên phân tử mARN đợc dịch mã thành axit amin proline ở mọi loài sinh vật đã từng nghiên cứu. Nhờ tính phổ biến của mã di truyền, trong phòng thí nghiệm, các gen đợc chuyển (biến nạp) từ loài này sang loài khác nhìn chung đợc phiên mã và dịch mã một cách hiệu quả đáng ngạc nhiên, nh ví dụ trên Hình 17.6 ! Một số protein của ngời đợc dùng trong y học, nh insulin, có thể đợc sản xuất bằng các tế bào vi khuẩn sau khi gen mã hóa protein đó đợc chuyển từ hệ gen ngời vào hệ gen vi khuẩn. Những thành tựu nh vậy của kỹ thuật "chuyển gen" đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học trong những năm gần đây (xem Chơng 20). Tuy vậy, có một số ngoại lệ so với tính phổ biến chung của mã di truyền. ở những trờng hợp này, hệ thống dịch mã đọc các mã bộ ba với nghĩa thay đổi chút ít so với các mã bộ ba tiêu chuẩn. Những thay đổi nhỏ này đã đợc tìm thấy ở một số loài sinh vật nhân thật đơn bào và trong hệ gen tế bào chất (ti thể và lạp thể) của một số loài. Ngoài ra, cũng có những ngoại lệ liên quan đến việc một mã bộ ba kết thúc đợc dịch mã thành một trong hai loại axit amin hiếm vốn không thấy có ở phần lớn các loài. Một trong những axit amin hiếm nh vậy (pyrrolysine) cho đến nay mới chỉ gặp ở liên giới vi khuẩn cực đoan (Archeae); trong khi đó, axit amin hiếm thứ hai (selenocysteine) đợc tìm thấy trong protein của vi khuẩn và thậm chí ở một số enzym của ngời. Mặc dù có ngoại lệ, nhng có thể nói tính phổ biến của mã di truyền là rõ ràng. Một ngôn ngữ đợc mọi hệ thống sống sử dụng chung là bằng chứng cho thấy nó xuất hiện ngay từ giai đoạn sớm của quá trình tiến hóa. Nói cách khác, ngôn ngữ này có mặt đủ sớm trong tổ tiên chung của mọi sinh vật còn tồn tại đến ngày nay. Ngôn ngữ di truyền đợc dùng chung đồng thời là một bằng chứng gợi nhớ về mối quan hệ họ hàng giữa mọi dạng sống trên Trái đất. Bây giờ chúng ta sẽ đề cập đến tính logic về khía cạnh ngôn ngữ và ý nghĩa tiến hóa của mã di truyền. Trớc tiên, chúng ta sẽ xem chi tiết hơn các bớc của phiên mã, giai đoạn thứ nhất trong quá trình biểu hiện của các gen mã hóa protein. Các thành phần phân tử của phiên m ARN thông tin, phân tử mang thông tin từ ADN tới bộ máy tổng hợp protein của tế bào, đợc phiên mã từ mạch làm khuôn của một gen. Một enzym đợc gọi là ARN polymerase có thể tách hai mạch ADN của chuỗi xoắn kép và lắp ráp các nucleotit ARN dọc theo mạch ADN làm khuôn dựa trên nguyên tắc kết cặp giữa các bazơ nucleotit (Hình 17.7). Giống với ADN Hình 17.6 Sự biểu hiện gen ở các loài khác nhau . Do các loài sinh vật khác nhau sử dụng chung một ngôn ngữ (bảng mã) di truyền, nên một loài có thể đợc "lập trình" để sản xuất một loại protein vốn trong tự nhiên chỉ có đặc thù ở một loài thứ hai bằng cách chuyển ADN từ loài thứ hai vào loài thứ nhất. (a) Lợn biểu hiện gen của sứa. Một gen mã hóa protein phát huỳnh quang đợc chuyển từ sứa vào trứng lợn đã thụ tinh. Một trứng nh vậy đã phát triển thành lợn phát huỳnh quang. (b) Cây thuốc lá biểu hiện gen của côn trùng. Màu vàng của cây đợc tạo ra bởi một phản ứng hóa học đợc xúc tác bởi một enzym do gen của côn trùng mã hóa. 17.1 1. Bạn mong đợi một chuỗi polypeptit do một đoạn mARN dài 30 nucleotit G (poly-G) mã hóa nh thế nào? 2. Mạch khuôn của một gen chứa trình tự nucleotit 3-TTCAGTCGT-5. Hãy vẽ mạch không làm khuôn và trình tự mARN, chỉ rõ các đầu 5 và 3. Hãy so sánh trình tự nucleotit của hai mạch vừa đợc vẽ. 3. Giả sử mạch không làm khuôn ở câu 2 đợc dùng để phiên mã thay cho mạch làm khuôn bình thờng. Hãy vẽ trình tự mARN và trình tự các axit amin trên chuỗi polypeptit đợc dịch mã dựa vào Hình 17.5. (Lu ý chiều các đầu 5 và 3). Dự đoán protein đợc tạo ra từ mạch không làm khuôn sẽ biểu hiện chức năng thế nào so với protein thông thờng. Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A. Kiểm tra khái niệm vẽ tiếp Điều gì nếu 1 7 . 2 Khái niệm Phiên m là quá trình tổng hợp ARN do ADN điều khiển: Quan sát gần hơn 332 khối kiến thức 3 Di truyền học polymerase trong sao chép ADN, ARN polymerase chỉ lắp ráp đợc các nucleotit vào chuỗi polynucleotit đang kéo dài theo chiều 5 3. Tuy vậy, không giống ADN polymerase, ARN polymerase có thể khởi đầu sự tổng hợp chuỗi polynucleotit ARN mà không cần một đoạn mồi sẵn có. Các đoạn trình tự nucleotit đặc thù trên phân tử ADN xác định vị trí mà quá trình phiên mã một gen bắt đầu và kết thúc. Đoạn trình tự mà ở đó các enzym ARN polymerase đính kết vào ADN và khởi đầu sự phiên mã đợc gọi là promoter (hay trình tự khởi đầu phiên mã); ở vi khuẩn, trình tự là tín hiệu kết thúc sự phiên mã đợc gọi là terminator (hay tín hiệu kết thúc phiên mã). (Sự kết thúc phiên mã ở sinh vật nhân thật diễn ra theo một cơ chế khác sẽ đợc đề cập sau). Các nhà sinh học phân tử thờng xem chiều phiên mã của một gen là xuôi dòng, trong khi chiều ngợc lại đợc gọi là ngợc dòng. Những thuật ngữ này còn đợc dùng để mô tả vị trí các trình tự nucleotit (đôi khi gọi là các yếu tố trình tự) trên các phân tử ADN và ARN. Vì vậy, trên ADN các promoter của một gen luôn nằm ngợc dòng so với terminator tơng ứng của nó. Đoạn trình tự ADN đợc dùng để phiên mà thành một phân tử ARN hoành chỉnh chức năng đợc gọi là một đơn vị phiên mã. Vi khuẩn có một loại ARN polymerase duy nhất không chỉ xúc tác tổng hợp mARN mà còn xúc tác tổng hợp các loại ARN khác, bao gồm cả các ARN là thành phần bộ máy tổng hợp protein nh ARN ribosome. Ngợc lại, các tế bào sinh vật nhân thật có ít nhất ba loại ARN polymerase khác nhau có trong nhân tế bào. Một loại đợc dùng trong phiên mã tổng hợp các mARN đợc gọi là ARN polymerase II. Các ARN polymerase khác đợc dùng để phiên mã các gen mã hóa cho ARN nhng không đợc dịch mã thành protein. Trong phần phiên mã đợc đề cập sau đây, chúng ta sẽ nêu trớc tiên những đặc điểm chung trong phiên mã ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật, sau đó sẽ mô tả một số đặc điểm khác nhau cơ bản nhất. Tổng hợp bản phiên m ARN Nh đợc mô tả trên Hình 17.7, ba giai đoạn của sự phiên mã bao gồm khởi đầu phiên mã, kéo dài chuỗi ARN và kết thúc phiên mã. Xem kỹ Hình 17.7 để làm quen với các khái niệm và các giai đoạn cơ bản của một quá trình phiên mã. ARN polymerase và khởi đầu phiên mã Trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) của một gen bao gồm điểm bắt đầu phiên mã (tức là nucleotit ở đó sự tổng hợp ARN thực sự bắt đầu) và phần mở rộng thờng nằm ngợc dòng hàng chục nucleotit kể từ điểm bắt đầu phiên mã. Ngoài chức năng là Tr ì nh t ự kh ở i đầ u phiên mã (Promoter) Đơn vị phiên mã Điểm bắt đầu phiên mã ADN ARN polyemrase Khởi đầu phiên mã . Sau khi ARN polymerase đã liên kết vào promoter, các mạch ADN giãn xoắn và enzym bắt đầu tổng hợp ARN từ điểm bắt đầu phiên mã trên mạch làm khuôn. Kéo dài chuỗi . Enzym ARN polymerase di chuyển xuôi dòng, làm giãn xoắn ADN và kéo dài bản phiên mã ARN theo chiều 5 3; ngay sau đó, các mạch ADN tái liên kết về dạng chuỗi xoắn kép. Bản phi ê n mã ARN ADN giãn xoắn Mạch khuôn ADN Kết thúc phiên mã . Cuối cùng, bản phiên mã ARN hoàn chỉnh đợc giải phóng và enzym polymerase rời khỏi ADN. Bản phi ê n mã ARN ADN "đóng xoắn" trở lại Bản phi ê n m ã ARN ho à n ch ỉ nh Hình 17.7 Các giai đoạn phiên mã: khởi đầu phiên mã, kéo dài chuỗi và kết thúc phiên mã. Hình mô tả các giai đoạn phiên mã ở đây là giống nhau ở cả vi khuẩn và sinh vật nhân thật; tuy vậy, chi tiết giai đoạn kết thúc phiên mã là khác nhau ở hai liên giới (xem mô tả trong phần diễn giải). Ngoài ra, ở vi khuẩn, bản phiên mã ARN có thể dùng ngay để dịch mã nh một phân tử mARN hoàn thiện; trong khi đó, ở sinh vật nhân thật, bản phiên mã thờng phải trải qua quá trình hoàn thiện trớc khi có thể đợc dùng làm khuôn để dịch mã. Kéo dài chuỗi ARN polymerase Mạch ARN mới tổng hợp Mạch ADN không làm khuôn Các nucleotit ARN Chiều phiên mã ("xuôi dòng") Mạch ADN làm khuôn Chơng 17 Từ gen đến protein 333 vị trí liên kết của ARN polymerase và xác định điểm bắt đầu phiên mã, promoter còn có vai trò xác định mạch nào trong hai mạch của chuỗi xoắn kép ADN đợc dùng làm khuôn. Một số phần của promoter có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự liên kết của ARN polymerase vào mạch khuôn ADN. ở vi khuẩn, bản thân enzym ARN polymerase (thực ra là tiểu phần polypeptit của nó) có khả năng nhận ra và liên kết vào promoter. ở sinh vật nhân thật, một nhóm gồm nhiều protein gọi là các yếu tố phiên mã điều hòa việc liên kết của ARN polymerase vào promoter và khởi đầu phiên mã của các gen. Từ Chơng 16, chúng ta nhớ rằng ADN trong nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thật đợc đóng gói ở dạng phức hợp với histone và một số protein khác và đợc gọi là chất nhiễm sắc. Vai trò của các protein này trong việc xác định khả năng bộc lộ của ADN đối với các yếu tố phiên mã sẽ đợc chúng ta đề cập ở Chơng 18. Chỉ khi một số yếu tố phiên mã nhất định đã liên kết vào promoter, ADN polymerase mới có thể liên kết vào nó. Toàn bộ phần phức hệ gồm các yếu tố phiên mã và ARN polymerase II đã liên kết vào promoter đợc gọi là phức hệ khởi đầu phiên mã. Hình 17.8 mô tả vai trò của các yếu tố phiên mã và một trình tự ADN thiết yếu thuộc promoter đợc gọi là hộp TATA trong quá trình hình thành phức hệ khởi đầu phiên mã ở một promoter của sinh vật nhân thật. Sự tơng tác giữa ARN polymerase II với các yếu tố phiên mã là một ví dụ điển hình về tầm quan trọng của tơng tác protein - protein trong điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân thật. Một khi enzym polymerase đã liên kết ổn định với trình tự ADN tại promoter, hai mạch ADN tại đó sẽ giãn xoắn, và enzym sẽ bắt đầu sự phiên mã dựa trên mạch làm khuôn. Kéo dài mạch ARN Khi ARN polymerase di chuyển dọc mạch ADN khuôn, nó tiếp tục tháo xoắn chuỗi xoắn kép và vào mỗi thời điểm nó bộc lộ ra một đoạn dài khoảng 10 - 20 bazơ ADN để các bazơ ARN có thể tiến hành bắt cặp (xem Hình 17.7). Enzym này lần lợt bổ sung các nucleotit vào phía đầu 3 của phân tử ARN đang kéo dài khi nó di chuyển dọc chuỗi xoắn kép. Cùng với việc bộ máy tổng hợp ARN tiến về phía trớc, phân tử ARN mới tổng hợp sẽ tách khỏi mạch khuôn ADN, đồng thời chuỗi xoắn kép ADN hình thành trở lại. ở sinh vật nhân thật, quá trình phiên mã diễn ra với tốc độ khoảng 40 nucleotit mỗi giây. Sự phiên mã của mỗi gen đơn lẻ có thể đợc đồng thời xúc tác bởi nhiều enzym ARN polymerase cùng lúc (có thể tởng tợng giống nh nhiều chiếc xe tải nối đuôi nhau thành một đoàn dài). Từ mỗi phân tử enzym ARN polymerase, một mạch ARN đang kéo dài chui ra với chiều dài tơng ứng với khoảng cách mà enzym ARN polymerase đã trợt dọc trên mạch khuôn ADN kể từ điểm khởi đầu phiên mã (xem các phân tử mARN trên Hình 17.24). Sự tập hợp đồng thời của nhiều phân tử polymerase giúp lợng mARN đợc phiên mã từ mỗi gen tăng lên vào cùng một thời điểm; qua đó, tế bào có thể tổng hợp đợc một lợng lớn protein đặc thù vào các thời điểm khác nhau theo yêu cầu sinh trởng của nó. Kết thúc phiên mã Cơ chế kết thúc phiên mã có đặc điểm khác nhau giữa vi khuẩn và sinh vật nhân thật. ở vi khuẩn, sự phiên mã vợt qua một trình tự (tín hiệu) kết thúc phiên mã trên mạch khuôn ADN. Trình tự kết thúc phiên mã (terminator) có mặt trên mạch ARN đợc tạo ra có vai trò nh tín hiệu kết thúc phiên mã làm tách enzym polymerase rời khỏi ADN đồng thời giải phóng bản phiên mã vốn sau đó đợc dùng làm khuôn (mARN) để dịch mã. ở sinh vật nhân thật, ARN polymerase II phiên mã một trình tự trên ADN đợc gọi là trình tự gắn đuôi polyA; trình tự này thờng mã hóa cho một tín hiệu gắn đuôi polyA (là AAUAAA) trên phân tử tiền-mARN. Sau đó, tại một điểm cách tín hiệu AAUAAA khoảng từ 10 đến 35 nucleotit, các protein liên kết với mạch ARN đang kéo dài sẽ cắt rời phân tử Hình 17.8 Sự khởi đầu phiên mã ở promoter củ a sinh vật nhân thật. Trong tế bào sinh vật nhân thật, các protein đợc gọi là các yếu tố phiên mã điều hòa sự khởi đầu phiên mã của enzym ARN polymerase II. Giải thích sự tơng tác giữa ARN polymerase với promoter sẽ có đặc điểm khác nh thế nào nếu hình trên mô tả sự khởi đầu phiên mã ở vi khuẩn. Phiên m ã Các yếu tố phiên mã Mạch ADN làm khuôn Ho à n thi ệ n ARN D ị ch m ã ADN Tiền - mARN mARN Ribosome Polypeptit Điểm bắt đầu phiên mã Hộp TATA Promoter Các yếu tố phiên mã ARN polymerase II Bản phiên mã ARN Promoter ở sinh vật nhân thật thờng có một hộp TATA, nằm ngợc dòng và cách điểm bắt đầu phiên mã khoảng 25 nucleotit. (Theo thói quen, trình tự các nucletotit thờng đợc trình bày theo mạch không làm khuôn , tức là mạch mã hóa.) Một số yếu tố phiên mã , mà một trong số chúng nhận ra hộp TATA, liên kết ADN (promoter) trớc khi ARN polymerase có thể liên kết vào vùng này. Các yếu tố phiên mã bổ sung liên kết vào ADN cùng với ARN polymerase để hình thành nên phức hệ khởi đầu phiên mã. Chuỗi xoắn kép ADN đợc tháo xoắn và sự tổng hợp ARN bắt đầu diễn ra từ điểm khởi đầu phiên mã trên mạch ADN làm khuôn. Phức hệ khởi đầu phiên m ? ?? ? 334 khối kiến thức 3 Di truyền học này khỏi ARN polymerase, đồng thời giải phóng ra phân tử tiền-mARN. Tuy vậy, sau hoạt động cắt này, enzym polymerase tiếp tục phiên mã ADN khoảng vài trăm nucleotit kể từ khi phân tử tiền-mARN đợc giải phóng ra. Các nghiên cứu gần đây ở nấm men cho thấy: đoạn ARN đợc tạo ra từ việc phiên mã tiếp tục này đợc phân giải bởi một enzym di chuyển dọc ARN. Các số liệu ủng hộ cho quan điểm là: sự phiên mã chỉ thực sự kết thúc và enzym polymerase rời khỏi ADN khi enzym phân giải trên đây tiếp cận đợc polymerase. Đồng thời lúc này phân tử tiền-mARN trải qua giai đoạn chế biến hay hoàn thiện để trở thành phân tử mARN hoàn thiện sẵn sàng cho dịch mã. Quá trình hoàn thiện mARN ở sinh vật nhân thật đợc đề cập trong mục dới đây. Các enzym trong nhân tế bào sinh vật nhân thật có thể biến đổi phân tử tiền-mARN theo một số cách đặc trng trớc khi bản phiên mã di truyền đợc chuyển ra tế bào chất. Trong quá trình hoàn thiện mARN này, cả hai đầu của phân tử mARN tiền thân đều đợc biến đổi. Ngoài ra, trong phần lớn trờng hợp, một số phần bên trong phân tử ARN cũng đợc cắt bỏ, trong khi các phần còn lại nối lại với nhau. Kết quả của những biến đổi này là tạo ra một phân tử mARN sẵn sàng cho dịch mã. Sự biến đổi ở các đầu mARN Mỗi đầu của một phân tử tiền-mARN đợc biến đổi theo một cách đặc trng (Hình 17.9). Đầu tiên, đầu 5 đợc tổng hợp; nó tiếp nhận một mũ đầu 5, về bản chất là một dạng biến đổi của nucleotit guanine (G) đợc bổ sung vào đầu 5 của mARN đang kéo dài sau khi phiên mã đã diễn ra đợc khoảng từ 20 đến 40 nucleotit đầu tiên. Đầu 3 của phân tử tiền-mARN cũng đợc biến đổi trớc khi mARN rời khỏi nhân. Chúng ta nhớ lại rằng, trong quá trình phiên mã, mARN đợc giải phóng ngay sau khi tín hiệu gắn đuôi polyA (AAUAAA) đợc phiên mã. Tại đầu 3, một enzym sẽ bổ sung một chuỗi gồm khoảng từ 50 đến 250 nucleotit loại adenine (A) liên tiếp nhau, gọi là đuôi polyA. Đầu 5 cũng nh đuôi polyA của mARN có cùng một số chức năng quan trọng. Thứ nhất, chúng tạo điều kiện thuận lợi cho sự vận chuyển phân tử mARN hoàn thiện ra khỏi nhân tế bào. Thứ hai, chúng bảo vệ phân tử mARN khỏi sự phân giải do hoạt động của các enzym thủy phân. Và thứ ba, chúng giúp các ribosome đính kết đợc vào đầu 5 của phân tử mARN khi phân tử này đi vào tế bào chất. Hình 17.9 minh họa sơ đồ cấu trúc của một phân tử mARN hoàn thiện điển hình ở sinh vật nhân thật gồm cả phần mũ và đuôi. Sơ đồ này đồng thời cho thấy các vùng không đợc dịch mã (UTR) có ở cả hai đầu 5 và 3 của phân tử mARN (các vùng này thờng đợc gọi tơng ứng là 5UTR và 3UTR). Các vùng UTR là các phần của phân tử mARN hoàn thiện không đợc dịch mã thành protein, nhng chúng có một số chức năng khác trong dịch mã, chẳng hạn nh một vị trí liên kết của ribosome. Gen phân mảnh và sự ghép nối ARN Một giai đoạn đáng chú ý trong quá trình hoàn thiện mARN trong nhân của sinh vật nhân thật là việc loại bỏ đi một phần lớn các phân đoạn bên trong phân tử mARN tiền thân; một công việc giống nh cắt - dán các file video bằng các phần mềm máy tính (Hình 17.10) và đợc gọi là sự ghép nối ARN. Chiều dài trung bình của một đơn vị phiên mã dọc theo phân tử ADN của ngời gồm khoảng 27.000 cặp bazơ (bp); vì vậy, phân tử mARN tiền thân thờng có chiều dài tơng ứng. Tuy vậy, để mã hóa một phân tử protein có kích thớc trung bình gồm 400 axit amin, chỉ cần một phân tử ARN có kích thớc gồm 1200 nucleotit. (Nhớ rằng, mỗi axit amin đợc mã hóa bởi một bộ ba nucleotit.) Điều này có nghĩa là phần lớn các gen ở sinh vật nhân thật và các bản phiên mã ARN tiền thân của chúng chứa các phân đoạn nucleotit dài không mã hóa; đây là những phân đoạn không đợc dịch mã. Điều đáng ngạc nhiên 17.2 1. So sánh giữa ADN polymerase và ARN polymerase về sự biểu hiện chức năng, yêu cầu về mạch khuôn và các đoạn mồi, chiều tổng hợp và các loại nucleotit làm cơ chất. 2. Promoter là gì? Nó nằm ngợc dòng hay xuôi dòng so với đơn vị tái bản? 3. Điều gì giúp ARN polymerase có thể khởi đầu phiên mã tại vị trí chính xác (điểm khởi đầu phiên mã) ở tế bào vi khuẩn và ở tế bào sinh vật nhân thật? 4. Giả sử việc chiếu xạ tia X gây nên sự thay đổi trình tự ở hộp TATA trong vùng promoter của một gen. Hậu quả xảy ra đối với sự phiên mã của gen đó sẽ có xu hớng nh thế nào? Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A. Kiểm tra khái niệm điều gì nếu 1 7 . 3 Khái niệm Tế bào sinh vật nhân thật biến đổi ARN sau phiên m Hình 17.9 Sự hoàn thiện ARN: bổ sung mũ đầu 5 và đuôi polyA. Các enzym làm biến đổi hai đầu của phân tử tiền-mARN ở sinh vật nhân thật. Các đầu sau khi biến đổi thúc đẩy sự vận chuyển mARN từ nhân ra tế bào chất; đồng thời giúp bảo vệ mARN khỏi sự phân giải. Khi mARN đã ra đến tế bào chất, các đầu biến đổi này kết hợp với một số protein ở tế bào chất thúc đẩy sự đính kết của ribosome. Phần mũ đầu 5' và đuôi polyA đầu 3' không đợc dịch mã và thuộc các vùng đợc gọi tơng ứng là vùng đầu 5' không đợc dịch mã (5'UTR) và vùng đầu 3' không đợc dịch mã (3'UTR). Phiên m ã Ho à n thi ệ n ARN D ị ch m ã ADN Tiền - mARN mARN Ribosome Polypeptit 5'UTR Mũ đầu 5 Codon bắt đầu Codon kết thúc 3'UTR Đuôi polyA Đoạn mã hóa protein Tín hiệu gắn đuôi polyA Đuôi polyA gồm khoảng từ 50 đến 250 nucleotit loại adenine đợc bổ sung vào đầu 3' Một dạng biến đổi của nucleotit guanine đợc bổ sung vào đầu 5' [...]... đầu dịch mã; sau đó, phức hệ này mới liên kết vào mũ đầu 5 của phân tử mARN Bắt đầu từ đây, phức hệ gồm tiểu phần nhỏ ribosome và tARN khởi đầu dịch mã trợt dọc (xuôi dòng) phân tử mARN cho đến khi nó gặp bộ ba mã bắt đầu dịch mã; ở vị trí này, tARN khởi đầu dịch mã sẽ hình thành liên kết hydro với mARN ở cả vi khuẩn và sinh vật nhân thật, bộ ba mã bắt đầu dịch mã đều là tín hiệu bắt đầu dịch mã; nó... của phiên m Sự tổng hợp ARN đợc xúc tác bởi ARN polymerase, và cũng diễn ra trên cơ sở nguyên tắc kết cặp bổ sung giữa các bazơ nh trong quá trình sao chép ADN, trừ một điểm là ở ARN, uracil thay thế cho thymine Đơn vị phiên mã Promoter Mạch khuôn ADN Bản phiên mã ARN ARN polymerase Tổng hợp bản phiên m ARN Ba giai đoạn của quá trình phiên mã là khởi đầu phiên mã, kéo dài chuỗi và kết thúc phiên mã. .. 1 Sự phiên mã và dịch mã đồng thời đợc vẽ trên Hình 17.24 có ở sinh vật nhân thật không? Giải thích 2 điều gì nếu ở sinh vật nhân thật, mARN khi dịch mã đợc giữ ở dạng vòng tròn do tơng tác giữa đuôi polyA ở đầu 3 với mũ đầu 5 qua protein Điều này giúp tăng hiệu quả dịch mã nh thế nào? Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A Chơng 17 Từ gen đến protein 347 ADN Phiên mã ARN đợc phiên mã từ một mạch khuôn ADN ARN... biết sự khởi đầu dịch mã là khác nhau giữa vi khuẩn và sinh vật nhân thật Về điều này, quá trình diễn ra ở archaea có vẻ giống vi khuẩn hơn ARN polymerase Gen l gì? Xem lại định nghĩa này ADN mARN Polyribosome ARN polymerase Chiều phiên mã ADN Polyribosome Polypeptit (đầu amino) Ribosome mARN (đầu 5') Hình 17.24 Phiên mã và dịch mã đồng thời ở vi khuẩn ở tế bào vi khuẩn, quá trình dịch mã các phân tử... đầu phiên mã (promoter) và các trình tự điều hòa khác trên ADN thuộc vào các vùng biên của gen Tuy các trình tự này không đợc phiên mã, nhng chúng đợc xem là phần chức năng thiết yếu của gen; bởi vì nếu thiếu chúng thì phiên mã không thể xảy ra Định nghĩa gen về góc độ phân tử phải đủ khái quát và bao gồm cả các trình tự ADN mã hóa cho các rARN, tARN và các loại ARN khác (vốn không đợc dịch mã) Mặc dù... ARN điều khiển: Quan sát gần hơn Phiên mã Dịch mã ADN mARN Ribosome Polypeptit Các axit amin Chuỗi polypeptit Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét kĩ hơn bằng cách nào dòng thông tin di truyền có thể đi từ mARN tới protein qua quá trình đợc gọi là dịch mã Cũng giống nh quá trình phiên mã, chúng ta sẽ tập trung vào những bớc cơ bản chung của dịch mã diễn ra ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật; sau đó sẽ... kết vào phân tử mARN ở tế bào vi khuẩn, tiểu phần này nhận ra một trình tự nucleotit đặc thù trên mARN nằm ngợc dòng bộ ba mã bắt đầu dịch mã (codon bắt đầu) Một tARN khởi đầu dịch mã mang bộ ba đối mã UAC kết cặp bazơ bổ sung với bộ ba mã bắt đầu dịch mã AUG tARN này luôn mang axit amin methionine 340 khối kiến thức 3 Di truyền học Khi tiểu phần lớn của ribosome liên kết vào, phức hệ khởi đầu dịch mã. .. cho sự dịch mã có thể diễn ra ở một số bớc của giai đoạn khởi đầu dịch mã và kéo dài chuỗi, năng lợng cần đợc cung cấp Tuy vậy, nguồn năng lợng này đợc cung cấp từ sự thủy phân GTP (guanosine triphosphate) là một dẫn xuất của ATP (chứ không phải từ ATP) Lắp ráp ribosome và khởi đầu dịch mã Giai đoạn khởi đầu dịch mã liên quan đến việc huy động các thành phần của phức hệ dịch mã, gồm: bản hiên mã mARN,... tARN khởi đầu dịch mã và tiểu phân nhỏ ribosome đã hình thành, tiểu phần lớn ribosome sẽ liên kết vào để tạo nên phức hệ khởi đầu dịch m Các protein có tên là các yếu tố khởi đầu dịch m giúp đa các thành phần của phức hệ trên đây tổ hợp với nhau Để hình thành đợc phức hệ khởi đầu dịch mã, tế bào dùng năng lợng ở dạng phân tử GTP Khi quá trình khởi đầu dịch mã kết thúc, tARN khởi đầu dịch mã đang ở vị... Mũ Dịch mã Bộ ba đối mã (anticodon) Các tARN lần lợt lắp ráp các axit amin của chúng vào chuỗi polypeptit khi mARN dịch chuyển qua ribosome mỗi lần một codon (Khi hoàn thành, chuỗi polypeptit đợc giải phóng khỏi ribosome.) Ribosome Hình 17.25 Tóm tắt sự phiên mã và dịch mã ở tế bào sinh vật nhân thật Sơ đồ này mô tả con đờng từ một gen đến một chuỗi polypeptit Nhớ rằng, mỗi gen trên ADN có thể đợc phiên . thiếu nhân, mARN đợc tạo ra từ phiên mã đợc dùng ngay để dịch mã mà không cần biến đổi gì thêm. ADN Phiên mã Màng nhân Hoàn thiện ARN Dịch mã Phiên mã Dịch mã mARN Ribosome Polypeptide . đầu phiên mã, kéo dài chuỗi ARN và kết thúc phiên mã. Xem kỹ Hình 17.7 để làm quen với các khái niệm và các giai đoạn cơ bản của một quá trình phiên mã. ARN polymerase và khởi đầu phiên mã. quá trình phiên mã và dịch mã về không gian và thời gian (Hình 17.3b). Cụ thể, phiên mã diễn ra trong nhân, rồi mARN đợc chuyển ra tế bào chất; ở đó nó đợc dùng làm khuôn để dịch mã. Tuy vậy,