Bài 2. Phiên mã và dịch mã

Chương 3. Biểu hiện gene: sao mã và dịch mã

1. Quan điểm về gene
2. Mã di truyền
3. Sao mã
4. Dịch mã
1. Quan điểm về gene
? Mendel (1866): đơn vị qui định các đặc tính di truyền = nhân tố di truyền (gene).
? Garrod (1909): liên hệ "gene-enzyme"
? Beadle và Tatum (1941): gene qui định enzyme ? "1 gene - 1 enzyme"
? Quan điểm hiện nay: "1 gene - 1 polypeptide"

Lý thuyết trung tâm của sinh học phân tử
Mọi sinh vật có chung cơ chế biểu hiện gene:
DNA ? mRNA ? protein (polypeptide)
2 bước của sự biểu hiện gene: sao mã & dịch mã
Ý nghĩa của quan điểm 1 gene-1 polypeptide

Gene mã hóa cấu trúc protein:
� Enzyme xúc tác mọi phản ứng trong tế bào
� Bộ xương tế bào: xây dựng & duy trì hình dạng tế bào
? DNA điều khiển sự tạo cấu trúc và các đặc tính của sinh vật.

Chú ý:
? mRNA của 1 gene chịu sự biên tập (cắt-ráp) để cho nhiều sản phẩm.
? Mỗi mRNA mã hóa một polypeptide.
Định nghĩa:
Gene ("nhân tố")= đơn vị căn bản của sự di truyền, được tìm thấy trong mọi tế bào sống của một cơ thể và được truyền từ cha mẹ tới các con (từ thế hệ này sang thế hệ kế tiếp).

Phần lớn các gene mã hoá protein (trình tự aa trong một chuỗi polypeptide đặc biệt); một số gene mã hoá cho các phân tử RNA.

Gene là các trình tự DNA được sao chép; genome là toàn bộ các gene và các trình tự không ghi mã.
Sự khuếch đại thông tin
1 gene ? ?1000 mRNA ? ?1000 protein
2. Mã di truyền

Mã di truyền được viết bởi 3 chữ (3 nucleotide), tạo nên một "bộ ba" hay "codon" trong mRNA và được dịch thành 1 aa.

Giải mã di truyền: Nirenberg (1961) & Nirenberg & Leder (1964):


Từ điển mã di truyền
Từ điển mã di truyền của nhân (codon của mRNA, viết theo hướng 5`?3`)
Đặc tính của mã di truyền

� Từ điển mã di truyền gồm 64 codon:
- 3 codon UAA, UAG, UGA được gọi là các codon "không nghĩa" = codon "stop".
- 61 codon còn lại mã hóa cho 20 acid amin.
- Trừ Met và Trp mã hóa bởi 1 codon, 18 aa khác được mã hóa bởi 2-6 codon (nhiều codon đồng nghĩa).


? Codon được đọc không gối lên nhau.
(tuần tự, từ "bộ ba" này tới "bộ ba" kế)

. Gene có thể gối lên nhau
UUUACGAUGUA.
UUU ACG AUG UA. (Phe Thr Met)
UUA CGA UGU A. (Leu Arg Cys)
UAC GAU GUA. (Tyr Asp Val)
(Dời 1 base nữa ? trở về khung ban đầu)



? Các yếu tố thiết yếu của sao mã
- Nucleoside triphosphate: ATP, GTP, CTP, UTP
- Khuôn DNA
Chỉ sợi khuôn được sao mã (+1 là nucleotide thứ nhất, nơi khởi đầu sao mã và -1 ở ngay trước).
- RNA pol
- Promoter, trình tự ngắn không được sao chép, nơi dính RNA pol, dấu hiệu khởi đầu sao mã, đánh dấu sợi cần sao chép.
Promoter ở E. coli: 2 trình tự 6 base chung cho nhiều vi khuẩn : TTGACA và TATAAT
Đặc tính của sự sao mã

- Chỉ 1 trong 2 sợi DNA được sao chép; chỉ vài phần DNA được sao chép
- Các gene không luôn luôn ở trên một sợi DNA

Đặc tính của RNA pol
- Gắn ribonucleotide vào đầu 3`, không cần mồi, tổng hợp theo hướng 5`? 3`, đối song và bổ sung với sợi khuôn.
- RNA pol tạo "mắt" ("bóng sao mã") di chuyển [DNA pol: "mắt" lớn dần]
Hướng di chuyển của RNA polymerase
Ví dụ về sự sao chép của ba nucleotide đầu tiên
"Mắt"di chuyển và hướng phát triển của sự sao mã
? Các sản phẩm của sao mã
* mRNA, rRNA, tRNA
* snRNA (chỉ có trong nhân)
aminoacyl~tRNA
Sao mã ở sinh vật tiền hạch
3 giai đoạn sao mã
RNA pol với ? trượt dọc DNA đến khi ? nhận biết và dính vào promoter
? tháo xoắn tại trình tự -10, cho phép sao mã trên khuôn
Sự khởi đầu
Sự kéo dài
� Ở tiền hạch, sao mã thường bắt đầu bởi ATP hay GTP (ở đầu 5` của chuỗi RNA).
� Các nucleotide đặt dọc theo khuôn, theo hướng 5`?3` khi gắn ribonucleotide.
� RNA pol không cần mồi
RNA pol không có khả năng đọc bản in thử ? nhiều lỗi hơn tái bản (không truyền cho con cháu)
� Các nucleotide ở dạng nucleoside triphosphate (ATP, GTP, UTP, CTP) cung cấp nucleoside monophosphate + năng lượng để tạo nối ester
� Chỉ có 1 nucleotide thứ nhất của mRNA giữ lại nhóm triphosphate.
Mô hình "bóng sao mã" hay "mắt"
Sự kết thúc
�RNA pol tới terminator (dấu hiệu "stop"), trình tự đánh dấu điểm tận cùng của gene, nơi RNA pol rời RNA và gene [ví dụ: vùng G-C trước A-T].

�RNA vùng stop tạo "kẹp tóc" GC + nhiều U ? RNA pol rời khuôn vì qua nhiều U [sự bắt cặp U (RNA) với A (DNA) yếu, không thể giữ sợi lai].
Kẹp tóc" GC ở đầu 3` của mRNA từ operon Trp của E. coli
Trình tự kết thúc sao mã ở tiền hạch
Tóm lại, RNA được sao chép giống như sự tổng hợp 1 chuỗi DNA trong tái bản DNA, nhưng chỉ có 1 trong 2 chuỗi DNA được dùng làm khuôn.

Biến đổi sau-sao mã ở tiền hạch
rRNA & tRNA chịu vài biến đổi [gắn thêm 3 nucleotide CCA vào đầu 3`, methyl hóa (U thành T), khử amin.], nhưng không có sự biến đổi mRNA [tạo trực tiếp trong tế bào chất]
Sao mã ở sinh vật chân hạch
Về căn bản, giống tiền hạch.
Các biến đổi sau-sao mã
Có nhiều biến đổi giữa bản sao mã trong nhân và mRNA trưởng thành trong tế bào chất, như:
? Gắn mũ 5` (bảo vệ đầu 5`)
- Base đầu tiên trong bản sao mã thường được gắn GTP; G trong GTP gắn methyl
? Thêm đuôi 3`poly-A (làm bền)


4. Dịch mã

? Vị trí tổng hợp protein
? Các yếu tố của sự dịch mã
? Diễn tiến của sự dịch mã
? Biểu hiện gene chân hạch
? So sánh biểu hiện gene tiền hạch & chân hạch
? Năng lượng cần cho dịch mã

Vị trí tổng hợp protein

� Vi khuẩn:
- Sao mã & dịch mã trong tế bào chất

� Tế bào chân hạch:
- Sao mã trong nhân & dịch mã trong tế bào chất
- Nuôi tế bào với aa* ? protein* xuất hiện trong tế bào chất, trên ribosome.
Các yếu tố của sự dịch mã

? Các acid amin
- Các aa gắn nhau nhờ nối amide (do loại 1 nước giữa NH2 của 1 aa và 1 COOH của 1 aa khác).
- Nối amide giữa 2 aa trong chuỗi polypeptide = nối peptide
? tRNA
- Sự dịch ngôn ngữ nucleotide (mRNA) thành ngôn ngữ aa (protein) cần "phiên dịch viên phân tử" tRNA có khả năng đổi các chữ 3 mẫu tự (codon) thành các chữ 1 mẫu tự (aa).

- tRNA xếp thành dạng cỏ ba lá, với 2 vị trí đặc biệt: đầu 3`OH là CCA là nơi dính aa để tạo aa~tRNA; 1 vòng mang anticodon để bắt cặp (bổ sung) với codon thích hợp trên mRNA.

Enzyme dính với tRNATrp và Trp
Trp liên kết với tRNATrp
tRNATrp dính vào codon UGG
? Các enzyme hoạt hóa (= aminoacyl-tRNA synthetase)
? Các dấu hiệu "start" và "stop"
- Dấu hiệu "start" trong mRNA là AUG (Met).
- Ba codon "stop" UAA, UAG và UGA không có tRNA với anticodon bổ sung.

-A (aminoacyl) dính tRNA mang aa
-P (peptidyl) dính tRNA mang chuỗi polypeptide
-E (exit), nơi thoát tRNA không còn mang aa
? Ribosome, nhà máy sản xuất polypeptide, với 4 vị trí: 1 dính mRNA (trên tiểu đơn vị nhỏ) & 3 dính với tRNA (trên tiểu đơn vị lớn): A, P & E

Diễn tiến

Sự dịch mã qua 4 giai đoạn căn bản: khởi đầu, kéo dài, chuyển vị & kết thúc; mỗi giai đoạn gồm nhiều bước.

� Sự khởi đầu

Ở tiền hạch, ribosome thường dùng AUG (Met) trên mRNA để khởi đầu dịch mã; sự thành lập phức hợp khởi đầu qua nhiều bước.
(1) tRNA mang Met biến đổi: N-formylmet (Met ở euk)
(2) Protein nhân tố khởi đầu giúp tRNAfMet dính vào P
(3) Anticodon CAU bắt cặp codon AUG trên mRNA
(4) 2 tiểu đơn vị dính nhau, sao cho tRNA thứ 1 ở P

Sự thành lập phức hợp khởi đầu ở chân hạch: tương tự, trừ 2 khác biệt:

- aa khởi đầu là Met (thay vì N-formylMet)
- Phức hợp khởi đầu phức tạp hơn
� Kéo dài: (1) codon2 ở A; (2) nhân tố giúp anticodon2 dính codon2; (3) fmet rời tRNA & liên kết với aa 2
� Chuyển vị: (4) ribosome di chuyển (5`?3`); tRNA1 vào E & rời ribosome, polypeptide (2 aa) vào P
� Kết thúc
(1) Chuỗi polypeptide kéo dài tới khi 1 codon stop vào A. Codon stop không dính tRNA, nhưng nhận nhân tố phóng thích.
(2) Chuỗi polypeptide được phóng thích
(3) Ribosome tách ra thành 2 tiểu đơn vị
� Trong & sau dịch mã, polypeptide cuộn lại ? bậc 3; vài polypeptid hợp thành bậc 4.
� Nhiều ribosome đọc 1 mRNA ? polyribosome (polysome): càng gần 3`, polypeptide càng dài).
Biểu hiện gene chân hạch

? Gene chân hạch không liên tục với:
- Các exon = trình tự mang thông tin, được dịch
- Các intron xen kẽ, được sao chép, không dịch
[Gene tiền hạch liên tục (không intron)]

Gene chân hạch
? Ví dụ: Bản sao mã sơ khởi của gene ovalbumin chứa 7 đoạn không tồn tại trong mRNA.
Vi ảnh điện tử của sự lai phân tử: 7 vòng DNA tương ứng 7 intron của gene albumin
Dọc theo quốc lộ nhìn từ vệ tinh (dài như sợi chỉ), là những chiếc xe khi nối đuôi thành chuỗi khi riêng rẽ (exon); phần lớn con đường trống không (intron).
Người: 1-1,5% genome dành cho exon; 24% cho intron.
6. So sánh biểu hiện gene tiền hạch & chân hạch
Về căn bản, giống nhau
Một số khác biệt:
(1) Chân hạch: gene có intron (tiền hạch: không)
(2) Tiền hạch: polycistronic mRNA
Chân hạch: monocistronic mRNA
[Cistron: đơn vị di truyền tương ứng với 1 đoạn DNA chuyên biệt cho một chuỗi polypetide.]
(3) Tiền hạch: dịch trước khi mRNA hoàn thành Chân hạch: dịch sau khi mRNA hoàn thành và rời nhân
(4) Chân hạch: mRNA bị biến đổi trước sự dịch (loại intron, ráp nối exon; mũ 5`, đuôi 3` poly-A)
(5) Ribosome chân hạch lớn hơn
Tiền hạch: mRNA ("polycistronic") không mũ: dịch từ AUG ? stop 1; nếu có AUG khác ở gần ? dịch tiếp tục.
Chân hạch: mRNA "monocistronic" có "mũ" cần cho dịch mã ? không thể dịch tiếp (dù có AUG sau đó).