RNA sợi đôi (Double-stranded RNA / dsRNA)

Cấu trúc

Tương tự DNA, dsRNA được hình thành bởi hai sợi polynucleotide xoắn quanh nhau tạo thành một chuỗi xoắn kép. Các nucleotide trên mỗi sợi liên kết với nhau thông qua liên kết phosphodiester ($PO_4^{3-}$). Hai sợi liên kết với nhau thông qua liên kết hydro giữa các base bổ sung: adenine (A) liên kết với uracil (U) bằng hai liên kết hydro, và guanine (G) liên kết với cytosine (C) bằng ba liên kết hydro. Sự khác biệt chính so với DNA là RNA sử dụng uracil (U) thay vì thymine (T).

Chức năng

dsRNA tham gia vào nhiều quá trình sinh học quan trọng, bao gồm:

• Phản ứng miễn dịch kháng virus: Ở nhiều sinh vật nhân thực, dsRNA được coi là dấu hiệu của nhiễm virus. Sự hiện diện của dsRNA kích hoạt các cơ chế miễn dịch bẩm sinh, chẳng hạn như sản xuất interferon, để chống lại sự lây nhiễm. Các thụ thể nhận diện dsRNA đặc hiệu, như Toll-like receptor 3 (TLR3), RIG-I, và MDA5, sẽ phát hiện dsRNA và khởi động các con đường tín hiệu dẫn đến phản ứng miễn dịch.
• Điều hòa gen (RNA interference – RNAi): dsRNA đóng vai trò trung tâm trong RNAi, một cơ chế điều hòa gen hậu phiên mã. Các phân tử dsRNA nhỏ, như siRNA (small interfering RNA) và miRNA (microRNA), có thể liên kết với mRNA đích thông qua sự bắt cặp base bổ sung và gây ra sự phân hủy mRNA hoặc ức chế dịch mã, từ đó điều chỉnh biểu hiện gen. Quá trình này liên quan đến các enzyme như Dicer (xử lý dsRNA thành siRNA/miRNA) và RISC (RNA-induced silencing complex).
• Vật chất di truyền của một số virus: Một số virus, ví dụ như reovirus và rotavirus, có bộ gen được cấu thành từ dsRNA. Các virus này cần các enzyme đặc biệt (RNA-dependent RNA polymerase) để sao chép bộ gen dsRNA của chúng.

Nguồn gốc dsRNA

dsRNA có thể bắt nguồn từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm:

• Nhiễm virus: Như đã đề cập, nhiều virus có bộ gen là dsRNA hoặc tạo ra dsRNA trong quá trình sao chép. Đây là nguồn dsRNA ngoại sinh phổ biến nhất.
• Phiên mã gen đối xứng: Một số gen trong bộ gen của sinh vật có thể được phiên mã theo cả hai hướng, tạo ra các phân tử RNA bổ sung có thể bắt cặp với nhau tạo thành dsRNA. Hiện tượng này thường xảy ra ở các vùng lặp lại hoặc các yếu tố di truyền vận động (transposable elements).
• Sự hình thành cấu trúc kẹp tóc RNA: Một sợi RNA đơn có thể tự gấp lại và bắt cặp với chính nó ở những vùng có trình tự bổ sung, tạo thành cấu trúc “kẹp tóc” (hairpin) chứa dsRNA. Cấu trúc kẹp tóc này có thể là tiền chất của siRNA hoặc miRNA.
• Hoạt động của RNA polymerase phụ thuộc RNA (RNA-dependent RNA polymerase – RdRP): RdRP là enzyme có khả năng tổng hợp RNA sử dụng mạch RNA làm khuôn. RdRP có thể tạo ra dsRNA từ mạch RNA đơn.

Ứng dụng

dsRNA được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và có tiềm năng ứng dụng lớn trong y học, ví dụ:

• Nghiên cứu chức năng gen: RNAi sử dụng dsRNA để ức chế biểu hiện của các gen cụ thể, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chức năng của chúng *in vitro* và *in vivo*. Kỹ thuật này đã trở thành một công cụ thiết yếu trong sinh học phân tử và di truyền học.
• Phát triển thuốc: Các liệu pháp dựa trên RNAi đang được phát triển để điều trị các bệnh như ung thư, các bệnh di truyền, và các bệnh truyền nhiễm. Các thuốc này hoạt động bằng cách nhắm mục tiêu và làm suy giảm mRNA của gen gây bệnh. Một số thuốc RNAi đã được phê duyệt để sử dụng trên người, và nhiều thuốc khác đang trong quá trình thử nghiệm lâm sàng.
• Công nghệ sinh học nông nghiệp: RNAi cũng được ứng dụng để tạo ra cây trồng biến đổi gen có khả năng kháng virus, côn trùng, hoặc có các đặc tính mong muốn khác.

Kết luận

dsRNA là một phân tử quan trọng với cấu trúc xoắn kép tương tự DNA nhưng với uracil thay thế thymine. Nó đóng vai trò quan trọng trong phản ứng miễn dịch, điều hòa gen và là vật chất di truyền của một số virus. Việc hiểu về dsRNA là cần thiết để nghiên cứu các quá trình sinh học cơ bản và phát triển các ứng dụng y học mới.

So sánh dsRNA và DNA

Mặc dù có cấu trúc xoắn kép tương tự, dsRNA và DNA có một số điểm khác biệt quan trọng:

• Đường: DNA sử dụng deoxyribose, trong khi RNA sử dụng ribose. Ribose có một nhóm hydroxyl (-OH) bổ sung trên nguyên tử carbon 2′, làm cho RNA phản ứng mạnh hơn và kém ổn định hơn DNA.
• Base: DNA sử dụng thymine (T) làm base, trong khi RNA sử dụng uracil (U). Uracil về cơ bản là thymine mất đi một nhóm methyl ($CH_3$).
• Cấu trúc: DNA thường tồn tại dưới dạng xoắn kép dài và ổn định, trong khi dsRNA có thể tồn tại dưới dạng xoắn kép dài (như trong một số virus) hoặc ngắn (như siRNA và miRNA). dsRNA cũng có thể hình thành các cấu trúc phức tạp hơn DNA, ví dụ như cấu trúc kẹp tóc.
• Vị trí: DNA chủ yếu nằm trong nhân tế bào, trong khi dsRNA có thể được tìm thấy trong cả nhân và tế bào chất.

Vai trò của dsRNA trong miễn dịch bẩm sinh

Như đã đề cập, dsRNA là một dấu hiệu quan trọng cho thấy sự nhiễm virus. Các thụ thể nhận dạng mẫu (PRR) như TLR3 (Toll-like receptor 3), MDA5 (melanoma differentiation-associated protein 5) và RIG-I (retinoic acid-inducible gene I) có thể nhận diện dsRNA trong tế bào. Khi các thụ thể này liên kết với dsRNA, chúng kích hoạt một loạt các tín hiệu dẫn đến sản xuất interferon và các cytokine tiền viêm khác. Interferon có tác dụng kháng virus mạnh mẽ, ngăn chặn sự lây lan của virus bằng cách ức chế sao chép virus và kích hoạt các tế bào miễn dịch khác. Ngoài ra, các cytokine tiền viêm sẽ thu hút các tế bào miễn dịch đến vị trí nhiễm trùng và thúc đẩy phản ứng viêm.

TLR3 là một protein xuyên màng nằm trong endosome của tế bào. Khi dsRNA xâm nhập vào endosome, TLR3 sẽ nhận diện và liên kết với dsRNA. Sự liên kết này dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của TLR3, cho phép nó tương tác với các protein truyền tín hiệu nội bào như TRIF. TRIF sau đó kích hoạt các kinase như TBK1 và IKKε, dẫn đến phosphoryl hóa và hoạt hóa các yếu tố phiên mã IRF3 và NF-κB. IRF3 và NF-κB di chuyển vào nhân tế bào và thúc đẩy sự phiên mã của các gen mã hóa interferon loại I (IFN-α và IFN-β) và các cytokine tiền viêm khác.

Các loại dsRNA khác

Ngoài siRNA và miRNA, còn có các loại dsRNA khác với chức năng điều hòa, bao gồm:

• piRNA (PIWI-interacting RNA): piRNA liên kết với protein PIWI và đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ dòng mầm khỏi các yếu tố di truyền vận động (transposon). Chúng chủ yếu được tìm thấy trong các tế bào sinh dục.
• lncRNA (long non-coding RNA): Một số lncRNA có thể hình thành cấu trúc dsRNA và tham gia vào điều hòa gen theo nhiều cách khác nhau, bao gồm tương tác với protein, DNA, hoặc các RNA khác.

Tương lai của nghiên cứu dsRNA

Nghiên cứu về dsRNA đang phát triển nhanh chóng và hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng mới trong y học và công nghệ sinh học. Các lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng bao gồm:

• Phát triển các loại thuốc RNAi mới: Các nhà khoa học đang nghiên cứu các cách để cải thiện hiệu quả, độ đặc hiệu, và khả năng vận chuyển của thuốc RNAi đến các mô và tế bào đích.
• Sử dụng dsRNA làm vaccine: dsRNA có thể được sử dụng để kích hoạt phản ứng miễn dịch chống lại các mầm bệnh cụ thể, bao gồm cả virus và vi khuẩn.
• Chẩn đoán bệnh: dsRNA có thể được sử dụng làm dấu ấn sinh học (biomarker) để chẩn đoán các bệnh nhiễm trùng và các bệnh khác, chẳng hạn như ung thư. Việc phát hiện dsRNA đặc hiệu cho virus có thể giúp chẩn đoán sớm và chính xác các bệnh do virus.
• Công cụ chỉnh sửa gen: Các hệ thống chỉnh sửa gen như CRISPR-Cas có thể được kết hợp với RNAi để tạo ra các công cụ mạnh mẽ cho việc nghiên cứu và thao tác gen.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Fire A, Xu S, Montgomery MK, Kostas SA, Driver SE, Mello CC. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature. 1998;391(6669):806-811.
• Bernstein E, Caudy AA, Hammond SM, Hannon GJ. Role for a bidentate ribonuclease in the initiation step of RNA interference. Nature. 2001;409(6818):363-366.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài vai trò trong phản ứng miễn dịch kháng virus và RNAi, dsRNA còn có chức năng sinh học nào khác không?

Trả lời: Có, dsRNA còn có nhiều chức năng khác. Ví dụ, một số dsRNA dài không mã hóa (lncRNA) có thể điều chỉnh cấu trúc nhiễm sắc thể và phiên mã gen. dsRNA cũng đóng vai trò trong quá trình xử lý RNA và chỉnh sửa RNA. Hơn nữa, một số dsRNA có thể hoạt động như riboswitch, điều chỉnh biểu hiện gen dựa trên sự liên kết với các phân tử nhỏ.

Làm thế nào tế bào phân biệt giữa dsRNA của virus và dsRNA nội sinh?

Trả lời: Tế bào sử dụng nhiều cơ chế để phân biệt dsRNA ngoại lai và nội sinh. Vị trí của dsRNA trong tế bào là một yếu tố quan trọng. dsRNA của virus thường được tìm thấy ở tế bào chất, trong khi dsRNA nội sinh thường nằm trong nhân hoặc các bào quan cụ thể. Ngoài ra, các thụ thể nhận dạng mẫu (PRR) khác nhau có thể nhận ra các đặc điểm cấu trúc khác nhau của dsRNA của virus, chẳng hạn như chiều dài và các đầu 5′ triphosphate.

RNAi có thể được sử dụng để điều trị những bệnh nào?

Trả lời: RNAi đang được nghiên cứu như một phương pháp điều trị tiềm năng cho nhiều bệnh, bao gồm ung thư, bệnh truyền nhiễm, bệnh di truyền và bệnh thoái hóa thần kinh. Ví dụ, các loại thuốc RNAi đang được phát triển để nhắm mục tiêu các gen ung thư, ức chế sự sao chép của virus, và làm giảm biểu hiện của các protein gây bệnh trong bệnh Alzheimer.

Những thách thức nào cần vượt qua để phát triển các liệu pháp dựa trên RNAi hiệu quả?

Trả lời: Một số thách thức bao gồm việc phân phối dsRNA đến các tế bào đích, tránh kích hoạt phản ứng miễn dịch không mong muốn, đảm bảo độ đặc hiệu của RNAi để tránh tác dụng phụ ngoài mục tiêu, và ổn định dsRNA trong cơ thể.

dsRNA có liên quan như thế nào đến hiện tượng im lặng gen phiên mã (Transcriptional Gene Silencing – TGS)?

Trả lời: dsRNA có thể kích hoạt TGS, một cơ chế im lặng gen xảy ra ở cấp độ phiên mã. Trong TGS, dsRNA có thể dẫn đến sự biến đổi histone và methyl hóa DNA ở các vùng promotor của gen, dẫn đến ức chế phiên mã. Cơ chế này thường liên quan đến các phân tử dsRNA nhỏ, chẳng hạn như siRNA, nhắm mục tiêu các vùng DNA cụ thể.