Sinh học phân tử - CHƯƠNG VI.doc

CHNG VI
PHIấN M, SINH TNG HP RNA
I. t vn
Hiện nay nhờ thành tựu của công nghệ xác định trình tự DNA toàn genome,
chúng ta có thể xác định đợc số lợng gen của một số sinh vật từ đơn giản đến phức tạp
nh : vi khuẩn E. Coli có 3200 gen, nấm men Saccharomyces cerevisiae có 6300 gen,
ruồi dấm có 13.600 gen. Tại hội nghị khoa học Quốc tế về genome ngời năm 2000,
các nhà khoa học dự đoán ở ngời có từ 26000 đến 150000 gen, chính xác hơn là 25947
gen. Nh vậy tại sao ngời có tổ chức bộ não phức tạp nh vậy mà chỉ có số lợng gen lớn
gấp đôi loài giun tròn và tơng tự nh cỏ cay (Arabidopsis thaliana). Điều này đợc lí giải
vào cuối những năm 1970, khi ngời ta phát hiện thấy gen có cấu trúc khảm, bao gồm
những đoạn exon xen kẽ những đoạn intron. Protein của sinh vật bậc cao đợc tổng hợp
từ một gen ch không phải là một sợi liên tục gm nhiu gen nh ở vi khuẩn. mRNA là
một tập hợp của nhiều đoạn nhỏ exon đợc nối lại ca 1 gen, còn những đoạn intron bị
cắt bỏ trong quá trình thành thục, nhờ bộ máy sinh học có tên là spliceosome, sau đó
các mRNA chớn mi ra ngoài tế bào chất để tổng hợp nên protein. Nhờ cơ chế cắt v
gắn khác nhau mà một gen có thể tạo ra đợc nhiều mRNA và nhiều protein, thí dụ ở
ngời có khoảng 25000 gen nhng đã phát hiện có hơn 100000 protein. Trong chơng này
chúng ta sẽ nghiên cứu quá trình phiên mã gen và thành thục của mRNA ở cả 2 hệ
thng sinh vật: tiền nhân và nhân chuẩn.

II. Quỏ trỡnh phiờn mó prokaryote
1. Quỏ trỡnh phiờn mó to ra RNA t khuụn DNA (gen) nh enzyme RNA polymerase
- RNA c tng hp t mt si khuụn DNA theo c ch b sung A-U v C-G.
- Khi tng hp, 2 mch đơn của DNA phải tỏch ri nhau, nu promoter nm bờn trỏi
(u 5) thỡ mt mch n nguyên bản t u 3 5 ca DNA s c dựng lm
khuụn (hỡnh 1.6), sợi RNA c tng hp luôn kéo dài từ đầu 5 3 .
- Trình tự các nu trên RNA giống hệt với mạch đơn nguyên bản 5 3, chỉ khác thay
T bằng U.
- Trong bộ genome, các gen ở các vị trí khác nhau, tùy vị trí của promoter nẵm ở đầu
3 hay 5 của gen ú mà hớng tổng hợp sẽ khác nhau.

- RNA polymerase phải đợc gắn vào promoter mới phiờn mó tng hp si mRNA.
77
- Ở sinh vật tiền nhân người ta phát hiện có 2 loại RNA polymerase:
+ Primase tổng hợp ®o¹n RNA mồi dùng trong qu¸ tr×nh tái bản cña DNA.
+ Loại khác tổng hợp cả 3 loại RNA (m, t và r RNA), cã kh¶ n¨ng bäc ®îc nhiÒu
promoter cña nhiÒu gen kh¸c nhau.
- Quá trình phiên mã mang tính chính xác cao, nhưng do không có cơ chế sửa sai đi kèm
nên độ chính xác kém hơn quá trình tái bản DNA.
- Do RNA không được sao chép lại, trừ trường hợp ở một số RNA của virut, nên nếu bị
sai sót thì chỉ có tác động tức thời không truyền lại cho thế hệ sau.
Hình 1.6. Phiên mã tổng hợp RNA trên cơ sở sợi khuôn DNA kép.
- Vị trí mà enzyme RNA polymerase bọc lấy trên phân tử DNA là một đoạn bắt đầu của
1 operon gọi là promoter. Tốc độ phiên mã tối đa của một đoạn DNA của gen nhất định
phụ thuộc vào trình tự các bazơ của promoter (hình 2.6). Promoter thường nằm ở đầu
phía 5’ kể từ vị trí bazơ xuất phát phiên mã, đoạn từ nu thứ -10 → -35 đây là vùng
promoter mà RNA polymerase sẽ bọc lấy. Nếu đột biến một trong số các bazơ ở vùng
promoter, như hình vẽ 2.6, sẽ gây ảnh hưởng khác nhau đến quá trình phiên mã đặc biệt
nếu đột biến các bazơ ở 2 hộp vị trí thứ -10 và -35.
Hình 2.6. Trình tự DNA đặc thù ở vùng promoter đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng
đến hiệu quả phiên mã của enzyme RNA polymerase. Trình tự 2 hộp -35 và -10 trước
78
điểm bắt đầu phiên mã này rất ổn định ở tất cả các promoter của E.coli. Các trường
hợp đột biến thay thế hoặc mất một vài nu ở vùng này sẽ ảnh hưởng khác nhau đến tốc
độ của quá trình phiên mã.
2. Chỉ 1 trong 2 mạch đơn của DNA được dùng làm khuôn để tổng hợp RNA
- 2 mạch đơn của DNA đều có thể
được dùng làm khuôn để phiên mã,
khi đó sẽ sinh ra 2 mRNA khác nhau,
khi dịch mã sẽ cho ra 2 polypeptide
khác nhau. Hình 3.6. tr×nh bÇy vị trí

gắn cña enzyme RNA polymerase.
- Quyết định mạch nào làm khuôn là
do enzyme RNA polymerase quyết
định, do vị trí gắn và hướng di chuyển
từ bên phải hay bên trái đoạn DNA
(gen) của enzyme quyết định(hình
3.6).
- Hướng tổng hợp RNA luôn luôn từ
đầu 5’-3’ tương ứng lÊy sợi đơn
nguyên bản từ 3’-5’ lµm khu«n, do
vậy vị trí của promoter nằm ở phía bên nào của gen sẽ quyết định sợi nào sẽ làm nguyên
bản và kết quả tạo ra mRNA nào.
- Tuỳ từng gen (alen), trội hay đồng trội mà một hoặc có thể cả 2 nhiễm sắc thể đều
được dùng làm khuôn, cã mét sè trường hợp gen phiên mã chỉ xảy ra ở 1 nhiễm sắc thể,
hoặc có thể xảy ra ở nhiều gen lặp lại. VËy vấn đề là khi đó liệu có xảy ra hiện tượng
khuếch đại gen hay triệt tiêu lẫn nhau hay không, và trong trường hợp nào sẽ xẩy ra thì
cần phải được làm sáng tỏ cụ thể.
3. Đặc điểm cấu tạo của enzyme RNA polymerase
- Ở sinh vật tiền nhân, enzyme RNA polymerase có cấu tạo bậc 4 phức tạp, gồm 5
chuỗi polypeptide. β’, β, σ, α và ω, nối với nhau bằng liên kết hóa học yếu. Gen và khối
lượng phân tử cña từng chuỗi cấu thành enzyme RNA polymerase gồm như sau:
Protein MW (dalton) Gen
Omega 11000 ?
Alpha 36000 rpoA
79
H×nh 3.6. VÞ trÝ vµ híng tæng hîp cña RNA pol.
Sigma 70000 rpoB
Beta’ 151000 rpoC
Beta 155000 rpoB
- Vị trí xúc tác trùng phân để tạo ra RNA nằm ở polypeptide beta, polypeptide này còn

là nơi chất kháng sinh rifampicin bọc vào. Protein sigma có chức năng nhận biết
promoter và khởi động quá trình tổng hợp RNA.
- Ở sinh vật nhân thật có 3 loại RNA polymerase trong tất cả các tế bào, mỗi chúng có
vai trò nhất định. Mỗi loại RNA (r,t,m) được mã hóa bởi một loại enzyme RNA
polymerase. RNA polymerase I (RNA-PI) tồn tại ở trong nucleolus, xúc tác cho việc
tổng hơp rRNA. Việc tổng hợp ra các mRNA là do RNA polymerase II (RNA-PII) đảm
nhận, có mặt ở trong nucleoplasm, là dịch protoplasm có ở trong nhân của tế bào sinh
vật nhân thật. Enzyme này có thêm chức năng gắn đuôi poly. A nhờ enzyme poly (A)
polymerase. Còn tRNA và các RNA nhỏ khác nằm trong nhân và tế bào chất được xúc
tác bởi enzyme RNA polymerase III. Do vậy chứng tỏ có ít nhất 3 loại promoter tương
ứng khác nhau cùng tồn tại và điều hoà một cách độc lập 3 loại gen này.
III. Quá trình phiên mã ở prokaryote
Chia làm 3 giai đoạn: khởi động, kéo dài và kết thúc.
1. Giai đoạn khởi động
Giai đoạn này lại gồm: tiền khởi động, khởi động và rời khỏi promoter của RNA
polymerase. Enzyme RNA polymerase, khởi động không cần mồi, nhờ có tiểu đơn vị σ
nhận biết được ®óng trình tự của promoter ®Ó khởi động. Nhiều nghiên cứu g©y tạo đột
biến mất σ cho thấy RNA polymerase ở thể đột biến này bắt đầu phiên mã từ những vị
trí tùy tiện khác nhau so với khi còn σ (dạng không đột biến) thì có khả năng gắn
chuyên biệt vào đúng chỗ promoter. Promoter có 2 hộp chứa trình tự mỗi hộp gồm 6 nu,
ở cách vị trí bắt đầu tổng hợp RNA 10 cặp bazơ (trình tự -10), còn trình tự kia cách -35
bp (trình tự -35). Hình 4.6. tr×nh bÇy tr×nh tù cấu trúc 3 loại promoter cña 3 operon lµ
Lac, Trp và bio B. Tryptophan synthetase là enzyme xúc tác cho quá trình kết hợp giữa
indole với serine để tạo thành tryptophan. Ở E.coli enzyme tổng hợp tryptophan là một
phức hợp gồm 4 cấu tử (2 chuỗi α và 2 chuỗi β). Indole là một hợp chất hoá học của
tiền tryptophan.
80
Hình 4.6. Trình tự 3 promoter của Lac, Trp và BioB operon
- Hộp pribnov (Pribnov box) là một đoạn DNA nằm ë phía trước điểm bắt đầu phiªn m·
của gen cấu trúc sinh vật tiền nhân, ở đó tiểu đơn vị σ của RNA polymerase bọc lấy,

gồm 6 nu, thường có trình tự là 5’-TATAAT-3’.
- RNA polymerase gắn vào promoter theo 2 bước, trước hết nó nhận biết và gắn một
cách lỏng lẻo vào trình tự hộp -35 hình thành một phức hợp "đóng". Sau đó ở trình tự
hộp -10 sẽ tháo xoắn dần, tạo ra sợi đơn DNA “mở" dưới dạng tự do, làm khuôn để
sinh tổng hợp RNA. Chính vì thế, promoter là vùng locus ảnh hưởng đến hoạt tính của
gen, nên người ta thường gọi promoter là cis-acting loci. Promoter locus không tổng hợp
protein nhưng là nơi gắn của những protein bọc DNA tương tự như enhancer và
operator.
- Sau khi liên kết phosphodiester đầu tiên của mRNA đầu 5’ được tổng hợp thì RNA
polymerase phải rời khỏi promoter và đầu 5’ của mRNA được giải phóng. Khi phiên
mã được 23 nu thì RNA polymerase trượt hẳn ra và giai đoạn kéo dài bắt đầu. Quá trình
này phụ thuộc vào ATP.
2. Giai đoạn kéo dài
Khi phân tử RNA bắt đầu kéo dài từ điểm khởi đầu mạch khuôn được 8 nu thì
tiểu cấu tử σ của RNA polymerase tách khỏi phức hợp enzyme. Lúc bấy giờ cấu tử σ lại
có thể gắn vào một promoter khác để khởi động một quá trình phiên mã mới. Quá trình
tách rời σ là cần thiết để mạch RNA tiếp tục kéo dài vì nếu vẫn còn cấu tử σ thì enzyme
RNA polymerase không thể tiếp tục kéo dài theo sợi khuôn DNA, thay thế vào vị trí cấu
tử σ là các nhân tố kéo dài (EF, elongation factor).
Trong quá trình kéo dài, RNA polymerase tháo xoắn liên tục phân tử DNA khuôn
trên theo một chiều dài khoảng 17 nu (kể từ điểm kéo dài cuối cùng) theo tiến triển của
quá trình sinh tổng hợp.
Sợi RNA mới sẽ tách dần khỏi mạch khuôn DNA trừ một đoạn khoảng 12 nu bắt
đầu từ điểm tăng trưởng vẫn còn liên kết với DNA.
Phần DNA bị tháo xoắn sau sẽ được RNA polymerase xoắn trả trở lại.
81