Phiên mã (Transcription)

Phiên mã bao gồm ba giai đoạn chính: Khởi đầu, Kéo dài và Kết thúc.

Các thành phần tham gia phiên mã

Để quá trình phiên mã diễn ra, cần có sự tham gia của các thành phần sau:

• DNA khuôn mẫu (template strand): Chỉ một mạch đơn của DNA được sử dụng làm khuôn mẫu cho quá trình phiên mã. Mạch này còn được gọi là mạch đối nghĩa (antisense strand) hoặc mạch không mã hóa (non-coding strand). Mạch còn lại được gọi là mạch mã hóa (coding strand) hoặc mạch có nghĩa (sense strand) và có trình tự giống với RNA được tạo ra (trừ việc T được thay bằng U trong RNA).
• Enzyme RNA polymerase: Enzyme này xúc tác quá trình tổng hợp RNA từ DNA khuôn mẫu. RNA polymerase liên kết với vùng khởi động (promoter) trên DNA và di chuyển dọc theo mạch khuôn mẫu, thêm các nucleotide RNA bổ sung. Ở sinh vật nhân thực, có ba loại RNA polymerase chính: RNA polymerase I tổng hợp rRNA, RNA polymerase II tổng hợp mRNA, và RNA polymerase III tổng hợp tRNA và các RNA nhỏ khác.
• Nucleotide RNA: RNA được tổng hợp từ 4 loại nucleotide: Adenine (A), Uracil (U), Guanine (G) và Cytosine (C). Lưu ý rằng RNA sử dụng Uracil (U) thay vì Thymine (T) như trong DNA. Các nucleotide này được thêm vào mạch RNA đang phát triển theo nguyên tắc bổ sung với mạch DNA khuôn mẫu: A bắt cặp với T (trong DNA) hoặc U (trong RNA), G bắt cặp với C.
• Yếu tố phiên mã (Transcription factors): Đây là các protein điều hòa quá trình phiên mã bằng cách liên kết với vùng khởi động hoặc các vùng điều hòa khác trên DNA. Chúng giúp RNA polymerase nhận diện và liên kết với vùng khởi động, đồng thời điều chỉnh tốc độ phiên mã. Ở sinh vật nhân thực, các yếu tố phiên mã đóng vai trò quan trọng trong việc khởi đầu phiên mã.

Các bước trong quá trình phiên mã

Quá trình phiên mã diễn ra theo ba bước chính:

• Khởi đầu (Initiation): RNA polymerase nhận diện và liên kết với vùng khởi động (promoter) trên DNA. Vùng khởi động là một trình tự nucleotide đặc biệt đánh dấu điểm bắt đầu của gen. Ở sinh vật nhân thực, các yếu tố phiên mã liên kết với vùng khởi động trước, sau đó RNA polymerase mới liên kết vào tạo thành phức hợp khởi đầu phiên mã. RNA polymerase sau đó mở xoắn kép DNA tại vùng khởi động, tạo ra bong bóng phiên mã.
• Kéo dài (Elongation): RNA polymerase di chuyển dọc theo mạch DNA khuôn mẫu, mở xoắn DNA phía trước và đóng xoắn DNA phía sau. Đồng thời, nó thêm các nucleotide RNA bổ sung vào đầu 3′ của mạch RNA đang phát triển. Quá trình này diễn ra theo chiều 5′ đến 3′ trên mạch RNA mới được tổng hợp.
• Kết thúc (Termination): RNA polymerase gặp một trình tự nucleotide đặc biệt gọi là trình tự kết thúc (terminator sequence). Trình tự này báo hiệu cho RNA polymerase dừng phiên mã và tách khỏi DNA. Cơ chế kết thúc phiên mã khác nhau giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

Sản phẩm của phiên mã

Sản phẩm của phiên mã là một phân tử RNA. Có ba loại RNA chính được tạo ra trong quá trình phiên mã, mỗi loại đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein:

• mRNA (messenger RNA): Mang thông tin di truyền từ DNA đến ribosome, nơi diễn ra quá trình dịch mã để tổng hợp protein.
• tRNA (transfer RNA): Vận chuyển các amino acid đến ribosome trong quá trình dịch mã. Mỗi tRNA mang một anticodon đặc hiệu bổ sung với codon trên mRNA và mang một amino acid tương ứng.
• rRNA (ribosomal RNA): Là thành phần cấu tạo của ribosome, đóng vai trò xúc tác trong quá trình hình thành liên kết peptide giữa các amino acid.

Phiên mã ở sinh vật nhân thực và nhân sơ

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

• Vị trí: Ở sinh vật nhân thực, phiên mã diễn ra trong nhân, trong khi ở sinh vật nhân sơ, nó diễn ra trong tế bào chất.
• Sự biến đổi sau phiên mã (Post-transcriptional modification): Ở sinh vật nhân thực, RNA sơ cấp (pre-mRNA) phải trải qua quá trình biến đổi sau phiên mã, bao gồm cắt nối (splicing), gắn mũ 5′ (5′ capping) và gắn đuôi poly(A) (polyadenylation), trước khi trở thành mRNA trưởng thành và có thể được dịch mã. Quá trình cắt nối loại bỏ các intron (đoạn không mã hóa) và nối các exon (đoạn mã hóa) lại với nhau. Mũ 5′ bảo vệ mRNA khỏi bị phân hủy và giúp ribosome nhận diện mRNA. Đuôi poly(A) cũng giúp bảo vệ mRNA khỏi bị phân hủy và tăng cường hiệu quả dịch mã. Ở sinh vật nhân sơ, mRNA được dịch mã trực tiếp mà không cần biến đổi.
• RNA polymerase: Sinh vật nhân sơ chỉ có một loại RNA polymerase, trong khi sinh vật nhân thực có ba loại RNA polymerase chính như đã đề cập ở trên.

Điều hòa phiên mã

Phiên mã không phải là một quá trình diễn ra liên tục mà được điều hòa chặt chẽ để đảm bảo rằng các gen được biểu hiện đúng lúc, đúng chỗ và ở mức độ phù hợp. Điều hòa phiên mã có thể xảy ra ở nhiều giai đoạn khác nhau, bao gồm:

• Điều hòa khởi đầu: Đây là bước điều hòa quan trọng nhất. Các yếu tố phiên mã có thể liên kết với vùng khởi động hoặc các vùng điều hòa khác trên DNA, kích hoạt hoặc ức chế hoạt động của RNA polymerase. Ví dụ, các enhancer (vùng tăng cường) có thể nằm cách xa gen nhưng vẫn ảnh hưởng đến tốc độ phiên mã bằng cách tương tác với các yếu tố phiên mã và RNA polymerase.
• Điều hòa kéo dài: Tốc độ kéo dài của RNA polymerase cũng có thể được điều hòa. Một số yếu tố có thể làm tăng hoặc giảm tốc độ di chuyển của RNA polymerase dọc theo mạch DNA khuôn mẫu.
• Điều hòa kết thúc: Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến vị trí kết thúc phiên mã, dẫn đến việc tạo ra các phiên bản mRNA khác nhau từ cùng một gen.

Ức chế phiên mã

Ức chế phiên mã là quá trình ngăn chặn sự biểu hiện của một gen. Có nhiều cơ chế ức chế phiên mã khác nhau, bao gồm:

• Ức chế cạnh tranh: Các protein ức chế có thể liên kết với vùng khởi động, ngăn cản RNA polymerase liên kết.
• Ức chế không cạnh tranh: Các protein ức chế có thể liên kết với các vùng điều hòa khác trên DNA, ảnh hưởng đến hoạt động của RNA polymerase mà không cần cạnh tranh trực tiếp với vị trí liên kết của RNA polymerase.
• Can thiệp RNA (RNA interference – RNAi): Các phân tử RNA nhỏ, chẳng hạn như siRNA (small interfering RNA) và miRNA (microRNA), có thể liên kết với mRNA và ức chế quá trình dịch mã hoặc gây ra sự phân hủy mRNA. Cơ chế này đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gen và bảo vệ tế bào khỏi virus.

Phiên mã ngược (Reverse Transcription)

Phiên mã ngược là quá trình tổng hợp DNA từ RNA khuôn mẫu. Quá trình này được xúc tác bởi enzyme reverse transcriptase. Phiên mã ngược được sử dụng bởi một số loại virus, chẳng hạn như retrovirus (ví dụ: HIV), để tích hợp bộ gen RNA của chúng vào DNA của tế bào chủ. Phiên mã ngược cũng được sử dụng trong kỹ thuật sinh học phân tử, ví dụ như để tạo ra cDNA (complementary DNA) từ mRNA. cDNA rất hữu ích trong việc nghiên cứu biểu hiện gen vì nó chỉ chứa các exon (đoạn mã hóa).

Bệnh lý liên quan đến phiên mã

Nhiều bệnh lý có liên quan đến sự rối loạn quá trình phiên mã. Ví dụ, đột biến ở các gen mã hóa cho yếu tố phiên mã hoặc RNA polymerase có thể dẫn đến các rối loạn phát triển hoặc ung thư. Sự rối loạn điều hòa phiên mã cũng có thể góp phần vào sự phát triển của các bệnh khác như bệnh tim mạch, tiểu đường và bệnh Alzheimer.

• 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

Làm thế nào mà RNA polymerase biết được vị trí bắt đầu và kết thúc phiên mã trên DNA?

Trả lời: RNA polymerase nhận diện các trình tự DNA đặc biệt gọi là vùng khởi động (promoter) và trình tự kết thúc (terminator). Vùng khởi động nằm ở đầu 5′ của gen và chứa các trình tự consensus như hộp TATA (TATA box) ở sinh vật nhân thực và hộp Pribnow (Pribnow box) ở sinh vật nhân sơ. Trình tự kết thúc nằm ở đầu 3′ của gen và có thể có nhiều dạng khác nhau, ví dụ như trình tự giàu GC theo sau bởi một chuỗi U, tạo thành cấu trúc kẹp tóc (hairpin loop) trên RNA, làm cho RNA polymerase tách khỏi DNA.

Sự khác biệt chính giữa phiên mã ở sinh vật nhân thực và sinh vật nhân sơ là gì?

Trả lời: Có nhiều sự khác biệt, bao gồm:

• Vị trí: Nhân tế bào ở sinh vật nhân thực, tế bào chất ở sinh vật nhân sơ.
• RNA polymerase: Sinh vật nhân thực có nhiều loại RNA polymerase (I, II, III), trong khi sinh vật nhân sơ chỉ có một loại.
• Biến đổi sau phiên mã: RNA sơ cấp (pre-mRNA) ở sinh vật nhân thực cần được biến đổi (cắt nối, gắn mũ 5′, gắn đuôi poly(A)) trước khi dịch mã, trong khi ở sinh vật nhân sơ mRNA được dịch mã trực tiếp.
• Yếu tố phiên mã: Điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn và liên quan đến nhiều yếu tố phiên mã hơn so với sinh vật nhân sơ.

Vai trò của các yếu tố phiên mã trong điều hòa phiên mã là gì?

Trả lời: Yếu tố phiên mã là các protein liên kết với DNA tại vùng khởi động hoặc các vùng điều hòa khác, tác động đến khả năng liên kết của RNA polymerase với vùng khởi động. Chúng có thể hoạt hóa hoặc ức chế phiên mã tùy thuộc vào loại yếu tố và gen cụ thể.

Can thiệp RNA (RNAi) ảnh hưởng đến phiên mã như thế nào?

Trả lời: RNAi không trực tiếp ảnh hưởng đến phiên mã. Thay vào đó, nó tác động lên mRNA sau khi phiên mã đã hoàn thành. Các phân tử RNA nhỏ như siRNA và miRNA có thể liên kết với mRNA đích, dẫn đến sự phân hủy mRNA hoặc ức chế quá trình dịch mã.

Tại sao hiểu về phiên mã lại quan trọng?

Trả lời: Phiên mã là bước đầu tiên trong biểu hiện gen, quy định quá trình tổng hợp protein. Hiểu biết về phiên mã là rất quan trọng để hiểu cách thức hoạt động của tế bào, cơ chế phát triển, cũng như nguyên nhân của nhiều bệnh lý liên quan đến rối loạn biểu hiện gen, bao gồm cả ung thư. Nghiên cứu về phiên mã cũng đóng góp vào việc phát triển các liệu pháp điều trị mới nhắm vào quá trình này.