Splicing in mRNA processing

PHẦN I - CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH SPLICING
Việc biểu hiện thông tin của một gen thông thường liên quan đến phân tử RNA được
phiên mã từ khuôn DNA. Sau khi được tổng hợp, phân tử RNA (ở một số bacteria và đa số
ở Eukaryote) phải trải qua một số quá trình “sơ chế” trước khi ra khỏi nhân tế bào. Một sự
kiện thú vị nhất xảy ra trong quá trình chuyển hóa phân tử RNA là processing (chế biến
mRNA). Ngạc nhiên hơn nữa, một số enzyme xúc tác cho các phản ứng này là phân tử
RNA chứ không phải là protein. Việc phát hiện ra những chất xúc tác là RNA (hay còn gọi
là ribozyme), đã mang lại một cuộc cách mạng trong suy nghĩ về chức năng của phân tử
RNA và về nguồn gốc của sự sống.
Phân tử RNA mới được tổng hợp xong được gọi là primary transcript (bảng phiên
mã sơ cấp) hay còn gọi là pre-mRNA. Bảng phiên mã sơ cấp của phân tử mRNA (ở
Eukaryote) chủ yếu chứa các trình tự hoàn thiện của một gen, mặc dù các trình tự này có
thể mã hóa cho các chuỗi polypeptide không kế tiếp nhau.
Những vùng không mã hóa của phân tử pre-mRNA gọi là intron và phần mã hóa
được gọi là exon.
Nhìn chung, các bước tổng quát trong quá trình xử lý mRNA bao gồm các sự kiện: -
Gắn mũ vào đầu 5’ và gắn đuôi poly(A) vào đầu 3’ (xảy ra cùng lúc phiên mã).
- Splicing (cắt nối gen)
Ở đây, chúng tôi xin bàn kĩ về quá trình splicing.
Thật ra, splicing là quá trình cắt bỏ các đoạn intron và nối các đoạn exon lại với
nhau. Cả intron và exon đều được phiên mã từ DNA.
Ở bacteria, một chuỗi polypeptide thường được mã hóa bởi một đoạn DNA, quá
trình mã hóa cứ tiếp tục dọc theo đoạn DNA cho đến khi thông tin cần thiết để xác định cho
chuỗi polypeptide hoàn tất mà không có bất kì sự ngắt quãng nào. Tuy nhiên, khái niệm
rằng tất cả các gen là liên tục bị bác bỏ vào năm 1977 khi Phillip Sharp và Richard Roberts
độc lập khám phá ra rằng nhiều gen polypeptide ở sinh vật nhân chuẩn bị gián đoạn bởi các
trình tự không mã hoá (intron).
Phần lớn các gen ở động vật có xương sống có chứa intron (trong số các trường hợp
ngoại lệ là những gen mã hoá histone). Sự xuất hiện của intron ở các loài Eukaryote là khác
1
nhau. Nhiều gen trong nấm men Saccharomyces cerevisiae là thiếu intron, mặc dù ở một số

loài nấm men khác intron phổ biến hơn. Intron cũng được tìm thấy trong một vài gen của
eubacterial và archaebacterial.
Intron trong DNA được phiên mã dọc theo phần còn lại của gen nhờ enzyme RNA
polymerase. Các đoạn intron trong bảng phiên mã sơ cấp sau đó được cắt đi, các đoạn exon
nối lại với nhau tạo thành phân tử RNA trưởng thành và đầy đủ chức năng.
Trong phân tử mRNA của Eukaryote, hầu hết các đoạn exon có chiều dài dưới 1000
nucleotide, mã hóa từ 30 đến 60 acid amin trong một chuỗi polypeptide. Các đoạn intron
khác nhau về kích thước, từ 50 đến 20000 nucleotide. Có nhiều gen ở Eukaryote (bao gồm
cả con người), số lượng intron còn nhiều hơn cả exon.
Có 4 nhóm intron, mỗi nhóm khác nhau về chi tiết cắt nối nhưng có chung một điểm
là chúng tự cắt nối (self-splicing) chứ không nhờ bất cứ enzyme protein nào tham gia.
Nhóm intron I được tìm thấy thỉnh thoảng ở nhân, ty thể, lạp thể, mã hóa cho các
phân tử mRNA, tRNA và rRNA. Nhóm intron II thông thường được tìm thấy ở bảng phiên
mã sơ cấp của ty thể hoặc lục lạp của nấm, tảo và thực vật. Thi thoảng, nhóm intron I và II
cũng được tìm thấy ở bacteria. Cả 2 nhóm này đều không đòi hỏi cao về năng lượng (như
ATP) cho quá trình splicing.
Cơ chế splicing của cả 2 nhóm đều liên quan đến 2 bước phản ứng trao đổi este
(transesterification).
Một phân tử đường ribose chứa nhóm OH ở vị trí 2’ hoặc 3’ sẽ tấn công vào nhóm
phosphor và trong mỗi bước, một liên kết phosphodiester được tạo thành, duy trì cân bằng
năng lượng.
Ở nhóm intron I, phản ứng cắt nối cần một phân tử Guanine nucleoside hoặc
nucleotide (cofactor), các cofactor này không đóng vai trò cung cấp năng lượng mà thay
vào đó, nhóm 3’OH của Guanosine (G) được dùng như một nucleophile (tác nhân thân
hạch) trong bước đầu tiên của quá trình splicing. Nhóm 3’OH sẽ hình thành nên một liên
kết 3’,5’-phosphodiester với đầu 5’ của intron. Nhóm 3’OH của đoạn exon được chuyển
chỗ trong bước này và lại hoạt động như một nucleophile, tướng tác với đầu 3’ của đoạn
intron. Kết quả là các đoạn intron được cắt chính xác và nối các đoạn exon lại.
2
Hình 1: Phản ứng trao đổi este

Đây là bước đầu tiên trong quá trình splicing của nhóm I. Ở đây, đầu 3’ của
Guanosine (G) đóng vai trò như nucleophile
Hình 2: Cơ chế splicing của nhóm intron I
Các nucleophile có thể là Guanosine, GMP, GDP, GTP. Các đoạn intron bị cắt ra
cuối cùng sẽ suy biến.
Cơ chế tự cắt nối của intron lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1982 trong các
nghiên cứu về cơ chế splicing của các đoạn intron nhóm I của rRNA từ mao sinh vật đơn
3
Nhóm 3’OH của Guanosine hoạt
động như một nucleophile, tấn
công vào vùng 5’ của đoạn intron
Pre-mRNA
Đầu 3’OH của exon đầu trở thành
nucleophile và tiếp tục phản ứng với
nhóm phosphate ở đầu 5’ của exon sau
Giai đoạn trung gian
RNA sau khi cắt nối
bào Tetrahymena thermophila, được thực hiện bởi Thomas Cech và các đồng nghiệp. Họ
phân lập DNA (bao gồm cả intron) từ Tetrahymena rồi tiến hành sao chép trong ống
nghiệm bằng cách sử dụng enzyme RNA polymerase tinh khiết từ vi khuẩn. Kết quả là
RNA tự cắt nối chính xác mà không có sự tham gia của bất kỳ enzyme protein nào từ
Tetrahymena. Việc phát hiện ra các phân tử RNA có thể có chức năng xúc tác như là một
mốc quan trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về hệ thống sinh học.
Ở nhóm intron II, các phản ứng xảy ra tương tự như trên trong bước 1, nhưng ở đây,
nhóm 2’OH của Adenosine nằm phía trong đoạn intron. Một cấu trúc thòng lọng (lariat)
được tạo thành như một cầu nối trung gian.
Hình 3: Cơ chế cắt nối của nhóm intron II
Về mặt hóa học thì nhìn chung là tương tự nhóm intron I, ngoại trừ việc Adenosine
đóng vai trò là nucleophile (thay vì là Guanosine) và cấu trúc thòng lọng được hình thành
với liên kết 2’,5’ phosphodiester giữa Adenosine và đầu 5’ của intron.

4
Đầu 2’OH của Adenosine nằm
trong intron hoạt động như
nucleophile, tấn công vào đầu
5’của đoạn intron để tạo nên cấu
trúc thòng lọng
Pre-mRNA
Giai đoạn trung gian
RNA sau khi cắt nối
Đầu 3’OH của exon đầu trở thành
nucleophile và tiếp tục phản ứng với
nhóm phosphate ở đầu 5’ của exon sau
Adenosine trong cấu trúc
thòng lọng có 3 liên kết
phosphodiester
Nhóm intron III và là nhóm lớn nhất được tìm thấy ở bảng phiên mã sơ cấp nằm
trong nhân. Chúng được gọi là spliceosomal intron, bởi vì việc loại bỏ chúng diễn ra trong
vòng và được xúc tác bởi một phức hệ protein lớn gọi là spliceosome. Trong các
spliceosome, các đoạn intron trải qua quá trình splicing bởi cơ chế thòng lọng, tương tự
như nhóm intron II.
Spliceosome được tạo thành từ một phức hợp đặc biệt gồm snRNA và protein gọi là
snRNP (small nuclear ribonucleoprotein). Các snRNA (small nuclear RNA) có chiều dài từ
100-200 nucleotide, có 5 loại snRNA liên quan đến quá trình splicing được tìm thấy trong
nhân tế bào Eukaryote là U1, U2, U4, U5, U6. Các RNA và protein trong snRNP được bảo
tồn cao trong tế bào Eukaryote từ nấm men cho đến người.
Các spliceosomal intron thường chứa trình tự dinucleotide GU và AG ở đầu 5’ và
3’ và những vùng này là nơi xảy ra splicing.
Do SnRNA U1 có chứa một chuỗi bổ sung cho trình tự gần đầu 5’ của đoạn intron
nên nó liên kết với pre-mRNA ở vị trí này. Đồng thời, các snRNP U2, U4, U5, và U6 cũng
đến tụ họp lại hình thành nên các spliceosome. Các snRNP đóng góp 5 loại RNA và khoảng

50 protein cho các spliceosome. Việc lắp ráp các spliceosome đòi hỏi cần có ATP, nhưng
phản ứng cắt nối RNA dường như không yêu cầu ATP.
Một số intron của mRNA được ghép bởi ít nhất một loại spliceosome, trong đó
snRNP U1 và U2 được thay thế bằng snRNP U11 và U12 (chúng nhận biết trình tự AU và
AC ở 2 đầu 5’ và 3’ thay vì là GU và AG) như thể hiện trong hình 4.
Một số thành phần của bộ máy cắt nối xuất hiện được nối với CTD của RNA
polymerase. Khi bước cắt đầu tiên được tiến hành, nó bị ràng buộc bởi một tethered
spiceosome, sau bước cắt thứ hai đã tạo điều kiện cho 2 đầu cuối của đoạn intron nằm gần
nhau và tiếp theo đó là quá trình nối. Sau khi cắt thì đoạn intron vẫn còn nằm trong nhân,
và sau đó chúng cũng bị suy biến.
Nhóm intron thứ 4 được tìm thấy trong một số tRNA, chúng phân biệt với nhóm
intron I va II ở chỗ là cần ATP và enzyme Endonuclease cho quá trình cắt nối.
Endonuclease sẽ cắt liên kết phosphodiester ở cả 2 đầu của intron và 2 đoạn exon sẽ nối lại
với nhau bằng cơ chế tương tự như phản ứng của enzyme DNA ligase.
5