Phiên mã là gì? Quá trình tổng hợp quan trọng cho sự sống

Phiên mã là nhân tố quan trọng trong việc hình thành tính trạng của sinh vật và truyền thông tin di truyền theo nguyên tắc bổ sung

Phiên mã là thuật ngữ quan trọng trong lĩnh vực sinh học. Nó thể hiện quá trình chuyển đổi thông tin di truyền từ ngôn ngữ mã hóa của ADN thành ARN. Đây là quá trình quyết định cơ bản đối với sự hoạt động của tất cả các tế bào sống. Bài viết dưới đây sẽ giải đáp chi tiết toàn bộ thông tin liên quan đến phiên mã và ý nghĩa của nó trong nghiên cứu y sinh học.

1. Phiên mã là gì?

Phiên mã là quá trình tổng hợp, truyền thông tin di truyền RNA từ khuôn mẫu DNA mạch kép. Nó được thực hiện dựa trên việc thay đổi trình tự đêôxyribônuclêôtit ở mạch khuôn ADN thành trình tự ribônuclêôtit của RNA theo nguyên tắc bổ sung (Phạm Thành Hổ: “Di truyền học” - Nhà xuất bản Giáo dục, 1998). Về khía cạnh hóa học và enzyme, phiên mã có nhiều điểm tương đồng với quá trình tái bản DNA. Chúng đều liên quan đến enzyme tổng hợp chuỗi nucleic acid mới bổ sung với khuôn mẫu DNA. Đồng thời, cả hai quá trình cũng có những khác biệt. Điển hình là quá trình phiên mã tạo chuỗi mới từ các ribonucleotide thay vì deoxyribonucleotide. Các nguyên tắc cơ bản của phiên mã được thực hiện dựa vào nghiên cứu trên prokaryote. Đồng thời, nó cũng phổ biến cho cả eukaryote. Thế nhưng, do sự khác biệt về genome và enzyme nên phiên mã ở prokaryote và eukaryote vẫn mang những đặc trưng riêng. Quá trình này cũng tạo ra nhiều ARN khác nhau. Bao gồm: mARN, tARN, rARn, tmARN,…

2. Cấu trúc và chức năng của các loại ARN

• ARN thông tin (mARN): phiên bản của gen mang bộ ba mã sao. Nó có chức năng hình thành khuôn mẫu cho dịch mã ở ribôxôm.
• ARN vận chuyển (tARN) giúp vận chuyển axit amin và bộ ba đối mã tới riboxom để dịch mã. Có rất nhiều tARN trong tế bào. Mỗi loại tARN vận chuyển một loại axit amin tương ứng.
• ARN riboxom (rARN) được tạo ra do liên kết mạch đơn với nhiều vùng riboxom tạo thành vùng xoắn cục bộ. Chúng góp phần cấu tạo nên riboxom nhờ kết hợp protein.

3. Quá trình phiên mã xảy ra ở đâu?

Quá trình phiên mã xảy ra ở cả sinh vật nhân sơ và nhân thực. Ở sinh vật nhân thực, phần lớn quá trình tổng hợp ARN xảy ra trong nhân tế bào, ở kì trung gian. Cụ thể là giữa 2 lần phân bào tại thời điểm NST đang dãn xoắn. Còn ở sinh vật nhân sơ, do không có màng nhân nên quá trình này diễn ra ở ngoài tế bào chất.

4. Các đặc điểm cơ bản của quá trình phiên mã

4.1 Tạo RNA bổ sung với một sợi DNA

Các ribonucleotide nối tiếp của RNA được xác định dựa trên NTBS với nucleotide trên DNA khuôn mẫu. Khi bắt cặp chính xác, với sự hỗ trợ của enzyme xúc tác, ribonucleotide tiếp theo sẽ liên kết đồng hóa trị với chuỗi RNA. Điều này đảm bảo các sản phẩm phiên mã được kéo dài và bổ sung chính xác sợi ADN khuôn mẫu. Mặc dù độ chính xác cao nhưng vẫn còn hạn chế so với quy trình tái bản DNA (tỷ lệ mắc lỗi là 1/10.000 nucleotide so với 1/10.000.000 trong tái bản). Nguyên nhân là do thiếu cơ chế sửa sai hữu hiệu. Dù trong quá trình tổng hợp RNA đã có. Thế nhưng, các RNA phiên mã lại không sao chép được nên trình trạng sai sót trong truyền đạt thông tin cho thế hệ sau.

4.2 Mang bản chất phản ứng enzyme

Enzyme đảm nhận nhiệm vụ trong quá trình phiên mã với tế bào prokaryote và eukaryote đều được gọi là RNA polymerase phụ thuộc DNA (DNA-dependent RNA polymerase). RNA polymerase hỗ trợ hình thành phosphodiester để kết nối ribonucleotide thành chuỗi thẳng. Enzyme dịch chuyển từng bước dọc theo DNA khuôn mẫu. Đồng thời, kéo dài chuỗi RNA với góc từ 5’®3’. Một số cơ chất được sử dụng trong quá trình tổng hợp như ATP, GTP, CTP và UTP. Quá trình thủy phân cầu nối giàu năng lượng của chúng giúp cung cấp năng lượng cho hoạt động phiên mã.

4.3 Sao chép chọn lọc một số phần của genome và tạo ra nhiều bản sao

Việc lựa chọn vùng phiên mã cần được chọn lọc kỹ càng. Vùng phiên mã điển hình gồm một hoặc nhiều gen, có trình tự DNA đặc hiệu hướng dẫn khởi đầu và kết thúc. Tại đây, có đến cả nghìn bản sao RNA được hình thành. Tổng hợp phân tử RNA sau được bắt đầu trước khi phân tử RNA trước hoàn thành. Chỉ trong một giờ, có đến hơn một nghìn phân tử RNA được hình thành từ một gen độc lập. Bởi vậy, dù trong cùng một tế bào, tùy từng thời điểm sẽ có nhóm gen được phiên mã khác nhau.

4.4 Chỉ một trong hai sợi đơn của phân tử DNA được dùng làm khuôn mẫu

Việc gắn RNA polymerase vào promoter giúp lựa chọn sợi trong DNA làm khuôn mẫu. Promoter, không chỉ mang vị trí gắn RNA polymerase. Nó còn chứa thông tin xác định sợ DNA được phiên mã cũng như vị trí bắt đầu.

4.5 Khởi phát không cần mồi

RNA polymerase có thể bắt đầu tổng hợp ARN mà không cần chất xúc tác như DNA polymerase. Nó đòi hỏi ribonucleotide đầu tiên được phiên mã phải ổn định trên DNA khuôn mẫu. Còn ribonucleotide thứ hai đang được đưa đến để tiến hành phản ứng trùng hợp.

Xem thêm:

• Dịch mã là gì? Chi tiết toàn bộ quá trình và ý nghĩa
• Quá trình nhân đôi ADN là gì? Chi tiết các bước và ý nghĩa

5. Cơ chế phiên mã

5.1 Thành phần tham gia

Quá trình phiên mã không hề đơn giản. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học đã thực hiện phiên mã ngoài tế bào sống. Tức là phiên mã in vitro trong phòng thí nghiệm. Dưới đây là một số thành phần cần thiết cho quá trình:

• Nguyên vật liệu: các NTP (nucleoside triphosphate) chính là các ribonucleotit A, U, G và X (hay C tức cytosine) đã được hoạt hoá. Cụ thể: ATP, UTP, GTP và CTP
• Enzym ARN polimeraza giúp nhận biết điểm khởi đầu phiên mã
• ADN mạch khuôn
• Mạch mã gốc trên ADN mang thông tin di truyền tổng hợp ARN.
• Dung môi nước cất
• Diethyl pyrocarbonate (DEPC) hay diethyl dicarbonate khử hoạt tính RNase (enzyme ribô nuclêôtiđaza) trong dung dịch và dụng cụ
• pH và nhiệt độ ủ thích hợp (khoảng 37oC)

5.2 Diễn biến

Tổng quan

Một mạch đơn gen - mạch gốc (Sinh học 12, Nhà xuất bản Giáo dục, 2018) gồm các đêô ribônuclêôtit được RNA-polymerase sử dụng làm khuôn. Chúng trực tiếp mang mã di truyền (bản mã phiên). Quá trình tổng hợp ribônuclêôtit diễn ra theo nguyên tắc bổ sung. Tại đây, chuỗi trình tự đêôxyribônuclêôtit chuyển thành ribônuclêôtit. Chẳng hạn A-T-G-X tạo nên U-A-X-G. Bởi vậy, nó có tên là phiên, chứ không phải là chép hoặc dịch. Sau khi quá trình tổng hợp hoàn thành, bản mã phiên sẽ tách khỏi mã gốc và nhân, tRNA giải mã thành bản dịch là chuỗi pôlipeptit. Cùng BCC tìm hiểu chi tiết các bước trong quá trình phiên mã.

Bước 1: Khởi đầu

ADN được cuộn xoắn liên kết protein. Khi có tín hiệu phiên mã, đoạn ADN gốc sẽ dãn dần để lộ vùng điều hòa. Lúc này, ARN polimezara phát hiện mạch mã gốc và bám vào trượt trên mạch gốc ADN theo chiều 3′ - 5 ‘. Sigma hỗ trợ nhận biết điểm khởi đầu của phiên mã. RNA polymerase gắn với promoter của gen tạo phức hợp promoter-polymerase. Phức hợp này có thể thay đổi cấu trúc cần thiết cho quá trình khởi đầu.

• Phức hợp đóng (closed complex)

Ngay khi RNA polymerase gắn vào promoter, phức hợp hình thành ở trạng thái đóng. Tại đây, DNA vẫn là chuỗi kép và enzyme gắn vào một phía của vòng xoắn.

• Phức hợp mở (open complex)

DNA xung quay điểm bắt đầu phiên mã được mở xoắn. Đồng thời, phá vỡ liên kết giữa các cặp base bổ sung. Hai sợi DNA 14 bp quay vị trí bắt đầu sẽ tách rời và hình thành vòng phiên mã. Việc mở DNA giúp sợi khuôn mẫu được giải phóng. Hai nucleotide đầu tiên được mang đến vị trí bắt đầu hoạt hóa, kết nối với nhau và xếp hàng trên khuôn mẫu. RNA polymerase dịch chuyển dọc theo khuôn mẫu, mở xoắn và tái gắn kết hai sợi DNA ở sau. Nhờ đó, các ribonucleotide tiếp theo được gắn vào chuỗi RNA đang phát triển. Đoạn RNA lúc đầu với số lượng ribonucleotide ít hơn 10 bị loại bỏ và tái tổng hợp lại nhờ enzyme.

• Phức hợp tam nguyên bền (stable ternary complex)

Enzyme di chuyển được hơn 10 bp tức là nó đã được giải phóng khỏi promoter. Đây là thời điểm hình thành với ba thành phần là enzyme, DNA và RNA. Đồng thời, chuyển sang kéo dài quá trình phiên mã.

Bước 2: Kéo dài chuỗi

Kéo dài chuỗi chiếm phần lớn thời gian của quá trình phiên mã. Bước này được diễn ra khi RNA polymerase tổng hợp được một đoạn RNA khoảng 10 base. Nó đòi hỏi nhiều biến đổi về cấu hình RNA polymerase giúp giữ chặt khuôn mẫu. Ngoài việc tổng hợp enzyme, protein còn mở xoắn DNA trước mặt và tái gắn DNA phía sau. Đồng thời, tách dần RNA khỏi khuôn mẫu khi đang di chuyển dọc theo gen và thực hiện cơ chế đọc sửa sai. Quá trình tổng hợp ARN bắt đầu cũng là lúc yếu tố sigma rời khỏi phức hệ phiên mã. Sau đó, enzyme ARN polimezara trượt trên mạch gốc ADN. Còn các Nucleotit tự do liên kết lần lượt với nucleotit trên ADN theo nguyên tắc bổ sung:

• A (mạch gốc ADN) liên kết với U trên ARN
• T (mạch gốc ADN) liên kết với A trên ARN
• G (mạch gốc ADN) liên kết với X trên ARN
• X t(mạch gốc ADN) liên kết với G trên ARN

Các chuỗi nu mới liên kết với nhau bằng liên kết photphodieste. Từ đó, chuỗi poliribonucleotit liên tục được tạo ra có chiều 5′ - 3′ cần sử dụng năng lượng ATP. Các đoạn ARN pol đã đi qua nhanh chóng đóng xoắn về dạng ADN kép như ban đầu.

Bước 3: Kết thúc

Khi nhận được tín hiệu kết thúc phiên mã, ARN pol rời khỏi ADN và tái kết với yếu tố sigma. Đồng thời, sử dụng cho những lần phiên mã sau. Cuối cùng, hai mạch của gen liên kết trở lại.

5.3 Kết quả của quá trình phiên mã

Phân tử ARN được tạo ra sau mỗi lần phiên mã. Có thể là mARN, tARN hoặc r ARN với trình tự giống với mạch bổ sung ADN. Tuy nhiên, T được thay bằng U. Sau đó, tham gia vào quá trình dịch mã tiếp theo.

5.4 Ý nghĩa

Các ARN được tạo ra tham gia trực tiếp vào quá trình sinh tổng hợp protein. Những protein này sẽ tham gia vào tính trạng của sinh vật.

5.5 Sự khác nhau giữa phiên mã ở nhân sơ và nhân thực

Phiên mã ở sinh vật nhân thực và nhân sơ về cơ bản là giống nhau về các giai đoạn trên. Tuy nhiên, giữa chúng có một số điểm khác biệt. Cụ thể:

• Phiên mã ở nhân sơ chỉ cần một loại RNA-polimeraza xúc tác, kể cả mRNA, tRNA hoặc rRNA. Tuy nhiên, ở nhân thực lại cần nhiều enzyme khác nhau tham gia như RNA, tRNA và rRNA khi phiên mã được xúc tác bởi RNA-polymerase riêng (Transcription in Prokaryotes).
• Do vi khuẩn (nhân sơ) không có màng nhân. Do đó, bản phiên mã mRNA được dùng làm khuôn dịch mã ngay dù chưa tổng hợp xong. Tức là cùng lúc xảy ra phiên mã và dịch mã. Phiên mã xong thì dịch mã cũng hoàn tất (Campbell và cộng sự, Sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục, 2010).
• Ngay khi RNA được hình thành, tại nhân sơ, RNA này được sử dụng ngay trong tế bào. Tuy nhiên, ở nhân thực, chuỗi pôliribônuclêôtit mới chỉ là RNA sơ khai. Nó phải trải qua quá trình chế biến để tạo thành mRNA trưởng thành. Chúng sẽ đi qua lỗ trên màng nhân vào mạng lưới nội chất để làm khuôn dịch mã. Khi đó, mRNA sơ khai phải được cắt bỏ các intron (không có cođon). Còn các exon (có các cođon) còn lại được nối với nhau. Nó được gọi là chế biến hay xử lý RNA (RNA processing).

Xem thêm:

• Axit nucleic là gì? Cơ chế hoạt động và chức năng cần biết
• Mã di truyền là gì? Giải mã chi tiết bản chất và các đặc điểm

6. So sánh giữa nhân đôi ADN và phiên mã

6.1 Giống nhau

• Chỉ thực hiện tự nhân đôi hoặc phiên mã thì NST chứa ADN phải tháo xoắn
• Quá trình được thực hiện theo nguyên tắc bổ sung và khuôn mẫu
• Được thực hiện trong nhân tế bào với khuôn mẫu là ADN
• Mạch mới luôn được tổng hợp theo chiều 5′ - 3′

6.2 Khác nhau

Tự nhân đôi ADN

• Do enzyme ADN polimeraza điều khiển
• Thực hiện trên cả hai mạch. Mạch gốc tổng hợp liên tục, mạch bổ sung tổng hợp gián đoạn.
• Bốn loại NU được sử dụng là A, T, G, X
• Sản phẩm tạo thành là ADN mạch kép

Phiên mã

• Do enzyme ARN polimeraza điều khiển
• Chỉ thực hiện trên mạch gốc do ARN chỉ có mạch đơn
• Bốn loại NU được sử dụng là A, U, G, X.
• Sản phẩm tạo thành là ARN mạch đơn

Phiên mã là quá trình chuyển đổi thông tin gen từ DNA thành RNA, đặc biệt là mRNA. Điều này có tác động quan trọng đối với quá trình tổng hợp protein và hiểu biết về cơ chế gen hóa. Việc nghiên cứu về phiên mã hỗ trợ nghiên cứu về khoa học phân tử. Từ đó, mang đến những đột phá trong lĩnh vực y học bao gồm điều trị bệnh và tùy chỉnh gen để cải thiện sức khỏe con người. Đây chính là chìa khóa quan trọng tạo nên tính đột phá trong nghiên cứu sinh học hiện đại. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Tế bào trong mọi lĩnh vực.