Biểu hiện protein (Protein Expression)

1. Phiên mã (Transcription)

Trong bước này, thông tin di truyền được mã hóa trong DNA được sao chép thành một phân tử RNA thông tin (mRNA). Enzyme RNA polymerase liên kết với vùng khởi động của gen và di chuyển dọc theo chuỗi DNA, tổng hợp một phân tử mRNA bổ sung với chuỗi DNA khuôn mẫu. Chuỗi mRNA này mang thông tin di truyền từ DNA ra khỏi nhân tế bào đến ribosome. Quá trình phiên mã bao gồm 3 giai đoạn chính: Khởi đầu, kéo dài và kết thúc. Giai đoạn khởi đầu liên quan đến việc RNA polymerase nhận diện và liên kết với promoter của gen. Trong giai đoạn kéo dài, RNA polymerase di chuyển dọc theo mạch DNA khuôn và tổng hợp phân tử mRNA. Cuối cùng, giai đoạn kết thúc xảy ra khi RNA polymerase gặp tín hiệu kết thúc và mRNA được giải phóng.

2. Dịch mã (Translation)

mRNA di chuyển đến ribosome, nơi diễn ra quá trình dịch mã. Ribosome “đọc” trình tự nucleotide trên mRNA theo từng bộ ba nucleotide gọi là codon. Mỗi codon tương ứng với một axit amin cụ thể. RNA vận chuyển (tRNA) mang các axit amin đến ribosome và khớp anticodon của chúng với codon trên mRNA. Ribosome liên kết các axit amin lại với nhau bằng liên kết peptide, tạo thành một chuỗi polypeptide. Quá trình dịch mã cũng diễn ra theo 3 giai đoạn: Khởi đầu, kéo dài và kết thúc. Giai đoạn khởi đầu bao gồm việc ribosome gắn vào mRNA và tRNA mang methionine (codon khởi đầu AUG) liên kết với vị trí P trên ribosome. Giai đoạn kéo dài liên quan đến việc các tRNA mang axit amin đến ribosome và liên kết với codon tương ứng trên mRNA tại vị trí A. Ribosome xúc tác hình thành liên kết peptide giữa các axit amin. Giai đoạn kết thúc xảy ra khi ribosome gặp codon kết thúc (UAA, UAG, hoặc UGA).

3. Sửa đổi sau dịch mã (Post-translational modification)

Sau khi chuỗi polypeptide được tổng hợp, nó có thể trải qua các sửa đổi sau dịch mã. Các sửa đổi này rất quan trọng đối với chức năng, định vị và sự ổn định của protein. Một số sửa đổi phổ biến bao gồm:

• Glycosyl hóa: Thêm các nhóm đường.
• Phosphoryl hóa: Thêm các nhóm phosphate.
• Acetyl hóa: Thêm các nhóm acetyl.
• Ubiquitin hóa: Thêm ubiquitin, thường đánh dấu protein để phân hủy.
• Cắt gọt protein: Loại bỏ một phần của chuỗi polypeptide.
• Gấp cuộn protein: Chuỗi polypeptide gấp cuộn thành cấu trúc ba chiều đặc trưng, quyết định chức năng của protein.

Các yếu tố ảnh hưởng đến biểu hiện protein

Biểu hiện protein được điều chỉnh chặt chẽ và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm:

• Yếu tố phiên mã: Protein liên kết với DNA và điều chỉnh tốc độ phiên mã.
• Tín hiệu môi trường: Nhiệt độ, chất dinh dưỡng, stress…
• Các phân tử tín hiệu: Hormone, cytokine…
• Biểu sinh di truyền: Các sửa đổi trên DNA và histone ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã.

Ứng dụng của nghiên cứu biểu hiện protein

Nghiên cứu biểu hiện protein có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Sản xuất protein tái tổ hợp: Sử dụng các hệ thống biểu hiện protein như vi khuẩn, nấm men, tế bào côn trùng hoặc tế bào động vật có vú để sản xuất protein với số lượng lớn cho mục đích nghiên cứu hoặc điều trị. Ví dụ như sản xuất insulin, hormone tăng trưởng, kháng thể,…
• Chẩn đoán và điều trị bệnh: Xác định các protein biomarker cho các bệnh khác nhau, giúp chẩn đoán sớm và theo dõi diễn tiến bệnh.
• Phát triển thuốc: Nghiên cứu tương tác giữa thuốc và protein đích, giúp thiết kế và phát triển các loại thuốc mới hiệu quả hơn.
• Nghiên cứu cơ bản về chức năng protein: Tìm hiểu vai trò của protein trong các quá trình sinh học, từ đó hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của tế bào và cơ thể.

Tóm lại, biểu hiện protein là một quá trình phức tạp và được điều chỉnh chặt chẽ, đóng vai trò trung tâm trong tất cả các quá trình sống. Hiểu biết về quá trình này là rất quan trọng cho việc nghiên cứu cơ bản về sinh học cũng như cho các ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học.

Các hệ thống biểu hiện protein

Để nghiên cứu hoặc sản xuất protein, người ta thường sử dụng các hệ thống biểu hiện protein. Mỗi hệ thống có ưu và nhược điểm riêng. Một số hệ thống phổ biến bao gồm:

• Vi khuẩn (ví dụ: E. coli): Hệ thống dễ sử dụng, chi phí thấp, tốc độ tăng trưởng nhanh, sản lượng protein cao. Tuy nhiên, khả năng sửa đổi sau dịch mã hạn chế và có thể gặp vấn đề với việc gấp cuộn protein phức tạp.
• Nấm men (ví dụ: Saccharomyces cerevisiae): Hệ thống eukaryote đơn giản, dễ nuôi cấy, có khả năng thực hiện một số sửa đổi sau dịch mã.
• Tế bào côn trùng (ví dụ: Sf9, Sf21): Thường được sử dụng với hệ thống baculovirus, cho phép biểu hiện protein eukaryote phức tạp với sửa đổi sau dịch mã.
• Tế bào động vật có vú (ví dụ: CHO, HEK293): Hệ thống cho phép biểu hiện protein với sửa đổi sau dịch mã gần giống với protein người nhất, nhưng chi phí cao và tốc độ tăng trưởng chậm hơn.
• Hệ thống biểu hiện protein in vitro: Sử dụng dịch chiết tế bào không có tế bào để dịch mã mRNA thành protein. Hệ thống này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng nhưng sản lượng protein thường thấp hơn so với các hệ thống in vivo.

Kỹ thuật nghiên cứu biểu hiện protein

Một số kỹ thuật thường được sử dụng để nghiên cứu biểu hiện protein bao gồm:

• SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate Polyacrylamide Gel Electrophoresis): Kỹ thuật phân tách protein dựa trên khối lượng phân tử.
• Western blotting: Kỹ thuật phát hiện protein cụ thể bằng kháng thể.
• ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay): Kỹ thuật định lượng protein cụ thể.
• Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): Kỹ thuật phân tách và tinh sạch protein.
• Khối phổ (Mass spectrometry): Kỹ thuật xác định và định lượng protein.
• Phân tích microarray: Kỹ thuật nghiên cứu biểu hiện của nhiều gen đồng thời.
• RNA-Seq: Kỹ thuật xác định và định lượng RNA trong một mẫu sinh học.

Biểu hiện protein và bệnh tật

Biểu hiện protein bất thường có thể góp phần vào sự phát triển của nhiều bệnh, bao gồm ung thư, bệnh Alzheimer, bệnh Parkinson và bệnh tiểu đường. Nghiên cứu biểu hiện protein có thể giúp xác định các protein biomarker cho các bệnh này và phát triển các phương pháp điều trị mới.

• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào mà tế bào điều chỉnh chính xác lượng protein được sản xuất?

Trả lời: Tế bào điều chỉnh lượng protein được sản xuất thông qua nhiều cơ chế phức tạp ở cả giai đoạn phiên mã và dịch mã. Ở giai đoạn phiên mã, các yếu tố phiên mã liên kết với DNA và hoặc kích hoạt hoặc ức chế hoạt động của RNA polymerase, enzyme chịu trách nhiệm tổng hợp mRNA. Các yếu tố phiên mã này đáp ứng với các tín hiệu từ môi trường và bên trong tế bào. Ở giai đoạn dịch mã, tốc độ dịch mã có thể bị ảnh hưởng bởi sự sẵn có của ribosome, tRNA và các yếu tố dịch mã khác. Ngoài ra, sự ổn định của mRNA cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lượng protein được sản xuất. mRNA ổn định hơn sẽ được dịch mã nhiều lần hơn so với mRNA không ổn định. Cuối cùng, các sửa đổi sau dịch mã, như ubiquitin hóa, có thể điều chỉnh sự phân hủy protein, do đó ảnh hưởng đến lượng protein tồn tại trong tế bào.

Sự khác biệt chính giữa biểu hiện protein ở prokaryote và eukaryote là gì?

Trả lời: Một trong những khác biệt chính là vị trí diễn ra phiên mã và dịch mã. Ở prokaryote, cả hai quá trình này đều diễn ra trong tế bào chất do không có nhân tế bào. Điều này cho phép phiên mã và dịch mã diễn ra gần như đồng thời. Ngược lại, ở eukaryote, phiên mã diễn ra trong nhân và mRNA được xử lý và vận chuyển ra tế bào chất trước khi dịch mã diễn ra. Một sự khác biệt quan trọng khác là sự hiện diện của intron trong gen eukaryote. Intron là các đoạn DNA không mã hóa protein và phải được loại bỏ khỏi pre-mRNA trước khi dịch mã. Quá trình này được gọi là splicing RNA. Prokaryote không có intron.

Làm thế nào mà các đột biến gen có thể ảnh hưởng đến biểu hiện protein?

Trả lời: Đột biến gen có thể ảnh hưởng đến biểu hiện protein theo nhiều cách. Đột biến trong vùng promoter của gen có thể làm thay đổi khả năng liên kết của các yếu tố phiên mã, dẫn đến tăng hoặc giảm phiên mã. Đột biến trong vùng mã hóa của gen có thể dẫn đến thay đổi trình tự axit amin của protein, ảnh hưởng đến cấu trúc và chức năng của nó. Đột biến cũng có thể tạo ra codon dừng sớm, dẫn đến protein bị cắt ngắn. Ngoài ra, đột biến trong intron có thể ảnh hưởng đến quá trình splicing RNA, dẫn đến sản xuất mRNA bất thường.

Vai trò của chaperone phân tử trong biểu hiện protein là gì?

Trả lời: Chaperone phân tử là các protein hỗ trợ quá trình gấp cuộn protein chính xác. Chúng liên kết với các chuỗi polypeptide mới sinh, ngăn ngừa sự kết tập không chính xác và hướng dẫn chúng đến cấu trúc ba chiều chính xác. Chaperone cũng có thể hỗ trợ trong việc tái gấp cuộn protein bị biến tính do stress. Một số chaperone, như heat shock proteins, được biểu hiện ở mức độ cao hơn trong điều kiện stress để giúp tế bào đối phó với protein bị gấp cuộn sai.

Làm thế nào mà kiến thức về biểu hiện protein được ứng dụng trong phát triển thuốc?

Trả lời: Kiến thức về biểu hiện protein đóng vai trò quan trọng trong phát triển thuốc theo nhiều cách. Ví dụ, nhiều loại thuốc nhắm mục tiêu vào các protein cụ thể liên quan đến bệnh. Bằng cách hiểu cách các protein này được biểu hiện và điều hòa, các nhà nghiên cứu có thể phát triển các loại thuốc ức chế hoặc kích hoạt hoạt động của chúng. Ngoài ra, các hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp được sử dụng rộng rãi để sản xuất protein điều trị, như kháng thể đơn dòng và hormone. Hơn nữa, nghiên cứu biểu hiện protein có thể giúp xác định các biomarker mới cho bệnh, có thể được sử dụng để chẩn đoán sớm và theo dõi tiến triển của bệnh.