Xử lý ARN

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Hình 1: Sơ đồ xử lý mARN sơ khai :</br> Gen A phiên thành ARN sơ khai.
ARN sơ khai bị cắt rồi nối.
Tạo vòng khi cắt và nối tạo ARN trưởng thành.

Xử lý ARN là quá trình biến đổi tự nhiên phân tử ARN sơ khai vừa được tổng hợp, thành ARN trưởng thành. Quá trình này gặp ở hầu hết các loài sinh vật nhân thực, xảy ra ngay sau khi phiên mã (tổng hợp ARN) nên thường gọi là biến đổi sau phiên mã (post-transcriptional modification).[1][2][3] Thuật ngữ này dịch từ nguyên gốc tiếng Anh: RNA processing dùng để chỉ quá trình biến đổi ARN sơ khai vừa được phiên mã từ gen, qua khâu cắt intrôn, ghép êxôn và một số bién đổi khác nữa để tạo nên ARN trưởng thành. Quá trình xử lý ARN cũng gọi là biến đổi sau phiên mã này được phát hiện vào khoảng từ năm 1978, cũng còn được dịch là quá trình chế biến ARN.[4]

Tổng quan[sửa | sửa mã nguồn]

  • Gen ở các loài sinh vật nhân thực thường bao gồm các êxôn (có mã) xen kẽ với intrôn (không có mã). Sau khi gen hoạt động phiên mã, sẽ tạo ra ARN có cả êxôn xen kẽ với intrôn - đó là ARN sơ khai - chưa đủ chức năng làm khuôn cho dịch mã để tạo thành prôtêin. Việc xử lý ARN sơ khai sẽ tạo ra ARN trưởng thành có đủ chức năng sinh học. Thuật ngữ này dịch từ nguyên gốc tiếng Anh: RNA processing, dùng để chỉ quá trình biến đổi ARN sơ khai vừa được phiên mã từ gen, qua khâu cắt intrôn và ghép êxôn, từ đó tạo nên ARN trưởng thành.[5]
  • Quá trình xử lý ARN như vậy - nói chung - có thể chia thành hai giai đoạn chính
  1. Giai đoạn "đội mũ - gắn đuôi" gồm gắn mũ (cap) 7-methylguanosine và gắn thêm chuỗi pôly A như cái đuôi phân tử, nhờ sự đa ađênin hoá (polyadenylation).
  2. Giai đoạn cắt - nối ARN sơ khai, trong tiếng Anh gọi là RNA splicing (xem trang cắt nối ARN).
  • Bởi vì ADN của sinh vật nhân thực rất phức tạp, trong vùng mã hóa lại có cả các đoạn intrôn (không có mã) xen kẽ với các đoạn êxôn (có mã di truyền), thêm vào đó, lại có loại gen mã hoá nhiều ARN nhỏ liền nhau, sau phiên mã mới tách rời nhau, nên phiên mã xong mới chỉ tạo ra ARN sơ khai chưa có chức năng sinh học và thường bị tế bào phân giải. Do đó, xử lý ARN là quá trình bắt buộc trong sự biểu hiện gen.
  • Xử lý ARN thường gồm 3 sự kiện chính (hình 1):

- Gắn mũ (chóp) GTP.

- Thêm đuôi pôlyA.

- Cắt và nối (splicing).

Gắn mũ[sửa | sửa mã nguồn]

Các ARN thông tin của sinh vật nhân thực và virus có một cấu trúc đặc biệt ở hai đầu cuối. Ngay sau khi tiền ARN thông tin (pre-mRNA) được tạo thành và thoát ra khỏi phân tử ARN pôlymeraza, một loạt các enzym sẽ tiến hành phản ứng lên đầu 5' để tạo thành 5' methylated cap, gọi là "mũ" – thực chất là phân tử 7-methyl-guanosine gắn với nucleotide cuối của ARN thông tin qua liên kết "không bình thường" là 5'-5' triphosphate.

Quá trình gắn mũ này xảy ra trong quá trình phiên mã, sau khi phiên mã được khoảng 20-50 nucleotide [6] Ở virus, các enzyme gắn mũ cho ARN thông tin gắn với ARN polymerase của virus. Còn ở sinh vật nhân thực, khác với ARN polymerase I và ARN polymerase III, ARN polymerase II có phần CTD (carboxy-terminal domain) [7] tương tác với enzyme gắn mũ. Nhờ vậy, mũ được bảo đảm đặc hiệu cho cấu trúc đầu 5' ARN thông tin. Mục tiêu của việc gắn mũ này là tránh việc phân tử ARN bị các enzyme khác làm phân hóa và trợ giúp cho ARN có khả năng ra khỏi nhân tế bào đến được tế bào chất. Cụ thể hơn, cấu trúc mũ này có tác dụng bảo vệ ARN mới hình thành khỏi các enzyme exonuclease 5'-3', là vị trí gắn trực tiếp cho phức hợp gắn với mũ (CBC - cap-binding complex) – chuẩn bị cho các bước biến đổi tiền ARN thông tin kế tiếp và cũng là vị trí gắn cho các nhân tố trong tế bào chất cần thiết trong quá trình dịch mã.

Thêm đuôi polyA[sửa | sửa mã nguồn]

Đầu còn lại sẽ bị tách bởi một enzyme phân hóa (endonuclease) để giải phóng nhóm hydroxyl ở 3' của nucleotide đầu cuối 3' và thêm vào adenylic acid nhờ vào enzyme poly(A) polymerase. Quá trình này liên quan mật thiết với việc kết thúc phiên mã, và một lần nữa, có sự tham gia của ARN polymerase II CTD để tương tác với các nhân tố gắn polyA. Tuy nhiên, người ta vẫn chưa thực sự hiểu rõ tác dụng của việc gắn đuôi polyA cho ARN thông tin để tạo thành ARN thông tin trưởng thành: bổ sung các nhân tố làm ngưng quá trình này không ảnh hưởng đến việc tổng hợp ARN thông tin và ARN thông tin không có đuôi poly(A) vẫn có thể được vận chuyển ra khỏi nhân và tham gia dịch mã nhưng với hiệu suất thấp hơn.

Cắt nối[sửa | sửa mã nguồn]

Ở sinh vật có nhân, gene không chỉ chứa các đoạn mang mã - chứa thông tin mã hóa protein (protein-coding sequence) mà còn xen kẽ bởi các đoạn không mang mã, lần lượt được gọi là exonintron. Trong quá trình xử lý tiền ARN thông tin (pre-mRNA), các đoạn intron này được loại bỏ và các đoạn exon được nối lại với nhau để tạo thành ARN thông tin trưởng thành. Chính ARN thông tin trưởng thành này mới là khuôn chính xác cho quá trình dịch mã ARN thông tin thành protein tương ứng. Sự kiện trên được gọi là quá trình cắt nối, cũng được thực hiện đồng thời với quá trình phiên mã và tiếp tục sau phiên mã bởi một phức hợp lớn gồm các snRNPs (small nuclear ribonucleoprotein) (gọi là spliceosome).

Sự cắt nối có vai trò rất quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến khuôn dịch mã protein, do vậy vị trí cắt nối phải được đánh dấu cực kỳ chính xác. Trình tự base tại đoạn nối intron-exon trên ARN các sinh vật nhân thật có chung một motif: trình tự intron bắt đầu bằng GU và kết thúc bằng AG. Ngoài ra còn có một vị trí đặc biệt bên trong intron gọi là vị trí nhánh (branch site) với một ribonucleotide A cố định. Những phần khác của intron có vẻ như không đóng vai trò quan trọng trong quá trình splicing: người ta có thể chèn thêm, loại bỏ hay thay thế các phần này mà vẫn không ảnh hưởng đến quá trình splicing nếu giữ nguyên vị trí nhánh, đầu 5'3'.

Về cơ chế hóa học, cắt nối là quá trình bao gồm 2 phản ứng chuyển ester (transesterification) liên tiếp nhau. Đầu tiên, liên kết phosphodiester giữa exon phía đầu (tạm gọi exon1) và đầu 5' của intron bị phá vỡ bởi nhóm hydroxyl của một ribonucleotide A tại vị trí nhánh, và một liên kết phosphodiester mới hình thành giữa đơn phân A này với nhóm phosphate ở đầu 5' của intron tạo thành cấu trúc trung gian hình nút thòng lọng. Nhóm 5'hydroxyl tự do của exon1 lúc này sẽ tấn công liên kết phosphodiester giữa intron và exon phía đuôi intron(exon2) tương tự như phản ứng trên. Kết quả là exon1 và exon2 được nối với nhau và đoạn intron được giải phóng ở dạng nút thòng lọng. Chú ý là số lượng liên kết phosphodiester được giữ nguyên suốt quá trình cắt nối – điều này rất cần thiết vì quá trình cắt nối nhờ vậy, diễn ra mà không hề tiêu tốn năng lượng.

Đây là một quá trình đặc biệt quan trọng để hình thành ARN thông tin trưởng thành. Các ARN thông tin không được cắt nối thích hợp sẽ bị giữ lại tại vị trí phiên mã (cơ chế chưa được nghiên cứu rõ).

Một trong những đặc điểm nổi bật của quá trình cắt nối chính là quá trình cắt nối lựa chọn (alternative splicing).

Các exon trên ARN thông tin gồm hai loại là exon cơ bản (constitutive exon) và exon lựa chọn (alternative exon), hay intron, trong đó, chỉ có exon cơ bản luôn được giữ lại trên ARN thông tin trưởng thành, các intron bị cắt xén đi. Quá trình cắt nối lựa chọn thực hiện nhờ cơ chế gọi là cơ chế định nghĩa exon, với sự tham gia của các nhân tố giao dịch(gắn với các nhân tố tăng cường hay ức chế splicing). Chính nhờ cắt nối lựa chọn, một gene có thể tạo ra sản phẩm là nhiều protein khác nhau và vì thế, làm tăng độ đa dạng cũng như độ phức tạp của bộ gene sinh vật nhân chuẩn [8].

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Campbell và cộng sự: "Sinh học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2010.
  2. ^ “RNA Processing”. 
  3. ^ “Post-Transcriptional Modification”. 
  4. ^ Phạm Thành Hổ: "Di truyền học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 1998.
  5. ^ Đỗ Lê Thăng: "Di truyền học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2005.
  6. ^ "In vivo Transcriptional Pausing and Cap Formation on Three Drosophila Heat Shock Genes" Rasmussen et al. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 90, No. 17 (Sep. 1, 1993), pp. 7923-7927
  7. ^ "A structural perspective of CTD function" Meinhart et al. Gene & Development 19:1401-1415, 2005
  8. ^ "Biochemistry" by Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer, Neil D. Clarke, W. H. Freeman ISBN 0716787245
  1. Molecular Cell Biology - Sixth Edition, Lodish, Berk, Kaiser, Krieger, Scott, Bretscher, Ploegh, Matsudaira