Cơ chế:
- Nhận diện codon kết thúc: Khi ribosome di chuyển dọc theo mRNA, vị trí A (aminoacyl) của ribosome sẽ gặp một trong ba codon kết thúc: UAG (amber), UAA (ochre), hoặc UGA (opal).
- Liên kết của các yếu tố giải phóng (Release factors – RFs): Các codon kết thúc này không được nhận diện bởi tRNA mang amino acid. Thay vào đó, chúng được nhận diện bởi các protein được gọi là yếu tố giải phóng (RFs). Ở sinh vật nhân sơ, RF1 nhận diện UAA và UAG, trong khi RF2 nhận diện UAA và UGA. Một yếu tố giải phóng thứ ba, RF3, là một GTPase, nó hỗ trợ hoạt động của RF1 và RF2. Ở sinh vật nhân thực, eRF1 nhận diện cả ba codon kết thúc, và eRF3, một GTPase, tương tác với eRF1.
- Thủy phân liên kết peptidyl-tRNA: Khi RF liên kết với vị trí A, nó kích hoạt hoạt động peptidyl transferase của ribosome. Tuy nhiên, thay vì chuyển chuỗi polypeptide đang phát triển sang một amino acid mới, hoạt động này sẽ thủy phân liên kết giữa chuỗi polypeptide và tRNA ở vị trí P (peptidyl). Điều này giải phóng chuỗi polypeptide hoàn chỉnh khỏi ribosome.
- Tách rời các thành phần: Sau khi polypeptide được giải phóng, các RFs tách khỏi ribosome. Ribosome sau đó được tách rời khỏi mRNA và phân ly thành các tiểu đơn vị 40S và 60S (ở sinh vật nhân thực) hoặc 30S và 50S (ở sinh vật nhân sơ), sẵn sàng tham gia vào một vòng dịch mã mới.
Kết thúc dịch mã là một quá trình được điều chỉnh chặt chẽ, đảm bảo rằng tổng hợp protein được hoàn thành chính xác. Quá trình này bao gồm việc nhận diện codon kết thúc bởi RFs, thủy phân liên kết peptidyl-tRNA và giải phóng polypeptide, mRNA và các tiểu đơn vị ribosome.
Bảng tóm tắt codon kết thúc:
| Codon kết thúc | Tên gọi |
|---|---|
| UAG | Amber |
| UAA | Ochre |
| UGA | Opal |
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kết thúc dịch mã:
Hiệu quả của quá trình kết thúc dịch mã, tức là khả năng ribosome dừng lại chính xác tại codon kết thúc và giải phóng polypeptide hoàn chỉnh, có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm:
- Mạch mRNA xung quanh codon kết thúc: Các nucleotide nằm gần codon kết thúc, đặc biệt là nucleotide ngay sau codon kết thúc (+1), có thể ảnh hưởng đến hiệu quả liên kết của các RFs. Một số trình tự nucleotide đặc biệt ở vùng này có thể tăng hoặc giảm hiệu quả kết thúc dịch mã. Vùng này thường được gọi là vùng ribozyme downstream.
- Sự cạnh tranh giữa các RFs và tRNAs gần giống: Một số tRNA có thể nhận diện một phần codon kết thúc, dẫn đến sự cạnh tranh với RFs và gây ra hiện tượng đọc xuyên codon kết thúc (translational readthrough). Hiện tượng này có thể tạo ra các protein dài hơn dự kiến.
- Các đột biến: Đột biến trên gen mã hóa cho các RFs hoặc các thành phần khác của bộ máy dịch mã có thể làm giảm hiệu quả kết thúc dịch mã. Điều này có thể dẫn đến sự sản sinh các protein không hoàn chỉnh hoặc có chức năng bất thường.
- Các yếu tố bên ngoài: Các yếu tố như nhiệt độ, pH và nồng độ ion cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các RFs và ribosome, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả kết thúc dịch mã.
Đọc xuyên codon kết thúc (Translational Readthrough):
Trong một số trường hợp, ribosome có thể “đọc xuyên” codon kết thúc và tiếp tục dịch mã, dẫn đến sự hình thành một protein dài hơn. Hiện tượng này, còn được gọi là sự ức chế kết thúc dịch mã (termination suppression), có thể xảy ra do sự cạnh tranh giữa tRNA và RFs tại codon kết thúc, hoặc do các yếu tố khác ảnh hưởng đến hoạt động của bộ máy dịch mã, ví dụ như các codon gần nhận biết (near-cognate codons). Đọc xuyên codon kết thúc có thể có vai trò sinh lý quan trọng trong một số trường hợp, ví dụ như trong việc tạo ra các dạng đồng dạng protein (protein isoforms), nhưng cũng có thể gây ra các vấn đề bệnh lý nếu protein tạo ra là bất thường. Một số virus cũng sử dụng cơ chế này để sản xuất các protein cần thiết cho vòng đời của chúng.
Ý nghĩa của kết thúc dịch mã:
Kết thúc dịch mã là một bước quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp protein, đảm bảo rằng các protein được tổng hợp với độ chính xác cao. Sự sai sót trong quá trình này có thể dẫn đến việc sản xuất các protein bị lỗi hoặc không hoàn chỉnh, gây ra các vấn đề cho tế bào và cơ thể. Việc kiểm soát chính xác quá trình kết thúc dịch mã là cần thiết cho sự khả thi của tế bào (cellular viability) và chức năng bình thường của cơ thể (normal organismal function).
Kết thúc dịch mã là giai đoạn cuối cùng và thiết yếu trong quá trình sinh tổng hợp protein. Quá trình này chịu trách nhiệm cho việc giải phóng chuỗi polypeptide đã hoàn chỉnh khỏi ribosome, đánh dấu sự kết thúc việc dịch thông tin di truyền từ mRNA sang protein. Có ba codon kết thúc chính: UAG (amber), UAA (ochre), và UGA (opal). Các codon này không mã hóa cho bất kỳ amino acid nào, mà thay vào đó, chúng hoạt động như tín hiệu dừng cho bộ máy dịch mã.
Các yếu tố giải phóng (RFs) đóng vai trò then chốt trong việc nhận diện các codon kết thúc. Khi ribosome gặp một codon kết thúc, RFs sẽ liên kết với vị trí A, kích hoạt hoạt động peptidyl transferase của ribosome. Điều này dẫn đến việc thủy phân liên kết giữa chuỗi polypeptide và tRNA, giải phóng chuỗi polypeptide mới được tổng hợp. Sự chính xác và hiệu quả của quá trình kết thúc dịch mã rất quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của protein được tạo ra.
Hiệu quả kết thúc dịch mã có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm trình tự mRNA xung quanh codon kết thúc, sự cạnh tranh giữa RFs và tRNAs, đột biến, và các yếu tố môi trường. Đọc xuyên codon kết thúc, hiện tượng ribosome tiếp tục dịch mã qua codon kết thúc, đôi khi có thể xảy ra, dẫn đến sự hình thành các protein dài hơn. Mặc dù hiện tượng này có thể có vai trò sinh lý nhất định, nhưng nó cũng có thể gây ra các vấn đề nếu không được kiểm soát.
Tóm lại, kết thúc dịch mã là một quá trình phức tạp và được điều chỉnh chặt chẽ, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự chính xác và hiệu quả của sinh tổng hợp protein. Sự hiểu biết về cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này là cần thiết để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của tế bào và các quá trình sinh học cơ bản.
Tài liệu tham khảo:
- 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.
Câu hỏi và Giải đáp
Làm thế nào mà ribosome phân biệt được codon kết thúc với các codon mã hóa amino acid khác?
Trả lời: Ribosome không trực tiếp phân biệt codon kết thúc. Thay vào đó, các yếu tố giải phóng (RFs) nhận diện các codon kết thúc. Các RFs có cấu trúc cho phép chúng liên kết đặc hiệu với các codon kết thúc tại vị trí A của ribosome, trong khi các tRNA lại không thể liên kết với các codon này.
Ngoài ba codon kết thúc phổ biến (UAG, UAA, UGA), có codon nào khác có thể hoạt động như codon kết thúc không?
Trả lời: Trong một số trường hợp hiếm hoi, codon UGA có thể mã hóa cho selenocysteine (Sec) thay vì hoạt động như codon kết thúc. Điều này xảy ra khi có sự hiện diện của một trình tự SECIS đặc biệt trên mRNA. Ngoài ra, một số sinh vật sử dụng các codon kết thúc khác, ví dụ như một số vi khuẩn sử dụng UAG như một codon sense.
Đọc xuyên codon kết thúc được điều hòa như thế nào?
Trả lời: Đọc xuyên codon kết thúc được điều hòa bởi nhiều yếu tố, bao gồm trình tự mRNA xung quanh codon kết thúc (đặc biệt là nucleotide ở vị trí +1), sự có mặt của các yếu tố trans-acting (như các protein liên kết RNA), và nồng độ của các tRNA gần giống với codon kết thúc.
Sự sai hỏng trong kết thúc dịch mã có thể dẫn đến những hậu quả gì?
Trả lời: Sự sai hỏng trong kết thúc dịch mã có thể dẫn đến việc sản xuất các protein dài hơn hoặc ngắn hơn dự kiến, có thể gây ra rối loạn chức năng protein, ảnh hưởng đến các quá trình tế bào và thậm chí gây ra bệnh tật.
Các yếu tố giải phóng ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực có gì khác nhau?
Trả lời: Sinh vật nhân sơ sử dụng RF1 (nhận diện UAA và UAG), RF2 (nhận diện UAA và UGA), và RF3 (một GTPase). Sinh vật nhân thực sử dụng eRF1 (nhận diện cả ba codon kết thúc) và eRF3 (một GTPase). Mặc dù chức năng tương tự nhau, nhưng cấu trúc và cơ chế hoạt động của các RFs ở hai nhóm sinh vật này có sự khác biệt.
- Codon UGA, hay còn gọi là opal, đôi khi có thể mã hóa cho selenocysteine: Mặc dù UGA thường được coi là codon kết thúc, trong một số trường hợp hiếm hoi, nó có thể mã hóa cho selenocysteine, amino acid thứ 21. Điều này xảy ra khi có một trình tự nucleotide đặc biệt, gọi là SECIS element, nằm ở vùng 3’UTR của mRNA. Sự “tái lập trình” codon kết thúc này cho thấy sự linh hoạt và phức tạp của mã di truyền.
- Một số virus sử dụng đọc xuyên codon kết thúc như một chiến lược để điều hòa biểu hiện gen: Một số virus lợi dụng hiện tượng đọc xuyên codon kết thúc để sản xuất nhiều protein khác nhau từ cùng một mRNA. Bằng cách điều chỉnh hiệu quả đọc xuyên codon kết thúc, virus có thể kiểm soát tỷ lệ giữa các protein khác nhau và tối ưu hóa quá trình nhân lên của chúng.
- Sự sai hỏng trong kết thúc dịch mã có thể liên quan đến một số bệnh: Các đột biến ảnh hưởng đến các RFs hoặc các thành phần khác của bộ máy dịch mã có thể dẫn đến sự sai sót trong quá trình kết thúc dịch mã, góp phần gây ra một số bệnh lý. Ví dụ, một số đột biến liên quan đến ung thư và các bệnh di truyền khác đã được chứng minh là ảnh hưởng đến hiệu quả kết thúc dịch mã.
- Các RFs có cấu trúc tương tự với tRNA: Mặc dù RFs là protein, chúng có một số đặc điểm cấu trúc tương tự với tRNA. Điều này cho phép RFs liên kết với vị trí A của ribosome và tương tác với codon kết thúc một cách đặc hiệu, bắt chước hoạt động của tRNA.
- Khám phá về các codon kết thúc và RFs đã được trao giải Nobel: Các nhà khoa học đã có những đóng góp quan trọng trong việc khám phá ra các codon kết thúc và cơ chế kết thúc dịch mã đã được trao giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của quá trình này trong sinh học phân tử và y học.