Cơ chế Phiên mã và Dịch mã (Transcription and Translation)

1. Phiên Mã (Transcription):

Phiên mã là quá trình sao chép thông tin di truyền từ một đoạn DNA thành một phân tử RNA. Quá trình này diễn ra trong nhân tế bào (đối với sinh vật nhân thực) hoặc trong tế bào chất (đối với sinh vật nhân sơ). Nói một cách đơn giản, phiên mã là “sao chép” thông tin từ ngôn ngữ DNA sang ngôn ngữ RNA.

• Các bước chính trong phiên mã:
  • Khởi đầu: Enzyme RNA polymerase bám vào vùng khởi động (promoter) trên DNA. Promoter là một trình tự nucleotide đặc biệt đánh dấu điểm bắt đầu của gen. Các yếu tố phiên mã (transcription factors) có thể hỗ trợ RNA polymerase nhận biết và bám vào promoter.
  • Kéo dài: RNA polymerase di chuyển dọc theo mạch DNA khuôn mẫu, tháo xoắn chuỗi xoắn kép và sử dụng một trong hai mạch DNA làm khuôn để tổng hợp phân tử RNA. Quá trình tổng hợp RNA diễn ra theo nguyên tắc bổ sung với mạch khuôn DNA: A (trên DNA) liên kết với U (trên RNA), T (trên DNA) liên kết với A (trên RNA), G (trên DNA) liên kết với C (trên RNA) và C (trên DNA) liên kết với G (trên RNA). Phân tử RNA mới được tổng hợp sẽ có trình tự nucleotide bổ sung với mạch khuôn DNA, với uracil (U) thay thế thymine (T).
  • Kết thúc: RNA polymerase gặp trình tự kết thúc (terminator) trên DNA, báo hiệu kết thúc quá trình phiên mã. RNA polymerase tách khỏi DNA và phân tử RNA mới được giải phóng. Ở một số trường hợp, có thể cần đến các yếu tố protein hỗ trợ quá trình kết thúc.
• Các loại RNA được tạo ra trong quá trình phiên mã:
  • mRNA (messenger RNA): Mang thông tin di truyền từ DNA đến ribosome để tổng hợp protein. mRNA chứa các codon, là các bộ ba nucleotide quy định cho từng axit amin trong chuỗi polypeptide.
  • tRNA (transfer RNA): Vận chuyển axit amin đến ribosome trong quá trình dịch mã. Mỗi tRNA có một anticodon, là bộ ba nucleotide bổ sung với một codon trên mRNA, và mang axit amin tương ứng.
  • rRNA (ribosomal RNA): Là thành phần cấu tạo của ribosome, nơi diễn ra quá trình dịch mã. rRNA có vai trò xúc tác và cấu trúc trong quá trình tổng hợp protein.
  • Ngoài ra, còn có một số loại RNA nhỏ khác như snRNA (small nuclear RNA), snoRNA (small nucleolar RNA) tham gia vào các quá trình xử lý RNA.

2. Dịch Mã (Translation):

Dịch mã là quá trình chuyển đổi thông tin di truyền từ mRNA sang chuỗi polypeptide, sau đó gấp cuộn thành protein chức năng. Quá trình này diễn ra tại ribosome trong tế bào chất. Nếu như phiên mã là “sao chép” thì dịch mã là “giải mã” thông tin từ ngôn ngữ RNA sang ngôn ngữ protein (axit amin).

• Các bước chính trong dịch mã:
  • Khởi đầu: Ribosome (bao gồm tiểu đơn vị nhỏ và tiểu đơn vị lớn) bám vào mRNA tại codon khởi đầu (thường là AUG). tRNA mang methionine (Met) – ở sinh vật nhân sơ là formylmethionine (fMet) – đến và bắt cặp anticodon của nó (UAC) với codon khởi đầu (AUG) trên mRNA.
  • Kéo dài: Ribosome di chuyển dọc theo mRNA, đọc từng codon (bộ ba nucleotide). Mỗi codon tương ứng với một axit amin cụ thể. tRNA mang axit amin tương ứng đến ribosome và bắt cặp anticodon của nó với codon trên mRNA theo nguyên tắc bổ sung (A-U, G-C). Liên kết peptide được hình thành giữa axit amin mới được mang đến và chuỗi polypeptide đang hình thành, nhờ hoạt động xúc tác của rRNA (ribozyme).
  • Kết thúc: Ribosome gặp một trong ba codon kết thúc (UAA, UAG hoặc UGA). Không có tRNA nào có anticodon tương ứng với codon kết thúc. Thay vào đó, các yếu tố giải phóng (release factors) nhận biết codon kết thúc và bám vào ribosome, làm chuỗi polypeptide tách khỏi tRNA cuối cùng và ribosome. Ribosome cũng tách rời khỏi mRNA.
• Mã di truyền: Mã di truyền là một tập hợp các quy tắc xác định mối quan hệ giữa codon (bộ ba nucleotide) trên mRNA và axit amin tương ứng. Mã di truyền được coi là phổ biến (universal), nghĩa là nó được sử dụng bởi hầu hết các sinh vật sống, tuy nhiên, vẫn có một số ngoại lệ nhỏ. Mã di truyền có tính thoái hóa (degenerate), nghĩa là một axit amin có thể được mã hóa bởi nhiều codon khác nhau. Điều này giúp giảm thiểu tác động của đột biến điểm.

Tóm tắt:

DNA $\xrightarrow{\Phiên\ mã}$ RNA $\xrightarrow{Dịch\ mã}$ Protein

Ví dụ đơn giản về mối quan hệ giữa DNA, RNA và Protein:

Mạch khuôn DNA: 3′-TAC-CGT-ATC-5′
Mạch mRNA: 5′-AUG-GCA-UAG-3′
Chuỗi polypeptide: Met-Ala-STOP

Sự Khác Biệt Giữa Phiên Mã và Dịch Mã ở Sinh Vật Nhân Sơ và Sinh Vật Nhân Thực:

Mặc dù các nguyên tắc cơ bản của phiên mã và dịch mã là giống nhau ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực, vẫn có một số khác biệt quan trọng:

• Vị trí: Ở sinh vật nhân sơ, cả phiên mã và dịch mã đều diễn ra trong tế bào chất. Ở sinh vật nhân thực, phiên mã diễn ra trong nhân, còn dịch mã diễn ra trong tế bào chất (trên ribosome tự do hoặc ribosome gắn trên lưới nội chất). Điều này cho phép sinh vật nhân thực có thêm một bước kiểm soát biểu hiện gen thông qua việc xử lý và vận chuyển RNA ra khỏi nhân.
• Thời gian: Ở sinh vật nhân sơ, phiên mã và dịch mã có thể diễn ra đồng thời (coupled transcription-translation). mRNA vừa được tổng hợp vừa được ribosome sử dụng ngay để tổng hợp protein. Ở sinh vật nhân thực, hai quá trình này diễn ra tách biệt về thời gian và không gian. mRNA phải được xử lý hoàn chỉnh trong nhân trước khi được vận chuyển ra tế bào chất để dịch mã.
• Chỉnh sửa RNA: Ở sinh vật nhân thực, pre-mRNA (RNA tiền thân) trải qua quá trình chỉnh sửa phức tạp, bao gồm:
  • Capping (Gắn mũ 5′): Thêm một nucleotide guanine đã được methyl hóa vào đầu 5′ của pre-mRNA. Mũ 5′ giúp bảo vệ mRNA khỏi bị thoái hóa và tăng cường khả năng gắn của ribosome.
  • Splicing (Cắt bỏ intron và nối exon): Cắt bỏ intron (đoạn không mã hóa) và nối exon (đoạn mã hóa) lại với nhau. Quá trình này tạo ra mRNA trưởng thành (mature mRNA).
  • Polyadenylation (Gắn đuôi poly(A)): Thêm một chuỗi khoảng 200 nucleotide adenine (A) vào đầu 3′ của pre-mRNA. Đuôi poly(A) giúp bảo vệ mRNA khỏi bị thoái hóa và tăng cường hiệu quả dịch mã.

  Quá trình chỉnh sửa RNA này không xảy ra ở sinh vật nhân sơ (trừ một số trường hợp ngoại lệ ở vi khuẩn cổ). mRNA của sinh vật nhân sơ thường không có intron và được dịch mã trực tiếp sau khi phiên mã.

• RNA polymerase: Sinh vật nhân sơ chỉ có một loại RNA polymerase, trong khi sinh vật nhân thực có ba loại RNA polymerase (I, II, và III) chịu trách nhiệm phiên mã các loại RNA khác nhau:
  • RNA polymerase I: Tổng hợp rRNA (trừ 5S rRNA).
  • RNA polymerase II: Tổng hợp mRNA và các RNA nhỏ như snRNA.
  • RNA polymerase III: Tổng hợp tRNA, 5S rRNA và một số RNA nhỏ khác.
• Ribosome: Ribosome của sinh vật nhân sơ và nhân thực có kích thước và thành phần khác nhau. Ribosome của sinh vật nhân sơ là 70S (bao gồm tiểu đơn vị 30S và 50S), trong khi ribosome của sinh vật nhân thực là 80S (bao gồm tiểu đơn vị 40S và 60S).

Điều Hòa Biểu Hiện Gen:

Phiên mã và dịch mã được điều hòa chặt chẽ để đảm bảo rằng các gen được biểu hiện đúng lúc, đúng nơi và với mức độ phù hợp. Sự điều hòa này có thể xảy ra ở nhiều mức độ khác nhau, bao gồm:

• Điều hòa phiên mã: Kiểm soát sự gắn kết của RNA polymerase vào promoter thông qua các yếu tố phiên mã (transcription factors) và các trình tự DNA điều hòa (regulatory DNA sequences). Các yếu tố phiên mã có thể hoạt hóa (activators) hoặc ức chế (repressors) quá trình phiên mã.
• Điều hòa sau phiên mã: Kiểm soát quá trình chỉnh sửa RNA (như splicing), vận chuyển mRNA ra khỏi nhân và độ bền của mRNA. Các protein liên kết RNA (RNA-binding proteins) và các RNA không mã hóa (non-coding RNAs) đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
• Điều hòa dịch mã: Kiểm soát sự gắn kết của ribosome vào mRNA, tốc độ dịch mã và sự ổn định của protein. Các yếu tố khởi đầu dịch mã (translation initiation factors), các trình tự trên mRNA (như cấu trúc ở đầu 5′ không được dịch – 5′ UTR) và các microRNA (miRNA) có thể ảnh hưởng đến quá trình dịch mã.
• Điều hòa sau dịch mã: Protein sau khi tổng hợp có thể được biến đổi hóa học như phosphoryl hóa, glycosyl hóa…, ảnh hưởng đến hoạt tính, tuổi thọ, tương tác…

Ứng Dụng của Hiểu Biết về Phiên Mã và Dịch Mã:

Hiểu biết về phiên mã và dịch mã có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Phát triển thuốc: Thiết kế thuốc nhắm vào các bước cụ thể trong phiên mã hoặc dịch mã để điều trị bệnh. Ví dụ, một số thuốc kháng sinh ức chế quá trình phiên mã hoặc dịch mã ở vi khuẩn. Các liệu pháp gen cũng dựa trên nguyên tắc điều khiển quá trình phiên mã và dịch mã.
• Công nghệ sinh học: Sử dụng kỹ thuật tái tổ hợp DNA (recombinant DNA technology) để sản xuất protein mong muốn (như insulin, hormone tăng trưởng) trong các tế bào vi khuẩn hoặc nấm men.
• Chẩn đoán bệnh: Phát hiện các đột biến gen gây bệnh bằng cách phân tích mRNA hoặc protein. Kỹ thuật PCR (polymerase chain reaction) và giải trình tự gen (gene sequencing) được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán bệnh di truyền và ung thư.
• Nghiên cứu cơ bản: Tìm hiểu về chức năng của gen và cơ chế điều hòa biểu hiện gen, từ đó hiểu rõ hơn về các quá trình sinh học cơ bản và các bệnh lý liên quan.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
• Lewin B. Genes VIII. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall; 2004.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Làm thế nào mà tế bào đảm bảo rằng chỉ mạch DNA chính xác được sử dụng làm khuôn mẫu trong quá trình phiên mã?

Trả lời: Enzyme RNA polymerase nhận diện và liên kết với vùng khởi động (promoter) trên DNA. Vùng khởi động này có trình tự nucleotide đặc hiệu, định hướng RNA polymerase đến mạch khuôn mẫu chính xác. Hướng của promoter quyết định mạch DNA nào sẽ được phiên mã.

Câu 2: Vai trò của các yếu tố phiên mã trong quá trình phiên mã là gì?

Trả lời: Các yếu tố phiên mã là các protein liên kết với DNA và điều hòa quá trình phiên mã. Chúng có thể hoạt động như chất hoạt hóa, tăng cường phiên mã, hoặc chất ức chế, ức chế phiên mã. Chúng tương tác với RNA polymerase và các protein khác để kiểm soát tốc độ phiên mã của một gen cụ thể.

Câu 3: Sự khác biệt chính giữa cấu trúc của mRNA ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực là gì?

Trả lời: mRNA ở sinh vật nhân sơ thường là polycistronic, nghĩa là một phân tử mRNA có thể mã hóa cho nhiều protein. mRNA ở sinh vật nhân thực thường là monocistronic, nghĩa là mỗi phân tử mRNA chỉ mã hóa cho một protein. Ngoài ra, mRNA ở sinh vật nhân thực trải qua quá trình chỉnh sửa, bao gồm cắt bỏ intron và nối exon, cũng như thêm mũ 5′ và đuôi poly(A).

Câu 4: Quá trình dịch mã kết thúc như thế nào?

Trả lời: Dịch mã kết thúc khi ribosome gặp một codon kết thúc (UAA, UAG, hoặc UGA) trên mRNA. Không có tRNA nào tương ứng với codon kết thúc. Thay vào đó, các yếu tố giải phóng (release factors) liên kết với ribosome, gây ra sự thủy phân liên kết giữa chuỗi polypeptide và tRNA cuối cùng. Chuỗi polypeptide sau đó được giải phóng khỏi ribosome.

Câu 5: Đột biến gen có thể ảnh hưởng đến phiên mã và dịch mã như thế nào?

Trả lời: Đột biến gen, tức là sự thay đổi trong trình tự DNA, có thể ảnh hưởng đến phiên mã và dịch mã theo nhiều cách. Ví dụ, đột biến ở vùng khởi động có thể làm giảm hoặc ngăn cản sự liên kết của RNA polymerase, ảnh hưởng đến phiên mã. Đột biến trong vùng mã hóa có thể dẫn đến sự thay đổi codon, gây ra sự thay đổi axit amin trong protein (đột biến sai nghĩa) hoặc tạo ra codon kết thúc sớm (đột biến vô nghĩa), làm protein bị ngắn lại.