Phiên mã chuyển thông tin từ DNA sang RNA thế nào?

Cơ chế cốt lõi dựa trên RNA polymerase và nguyên tắc bổ sung base. Enzyme đọc mạch khuôn DNA theo chiều 3′→5′, đồng thời nối các ribonucleotide để RNA dài ra theo chiều 5′→3′. Quá trình diễn ra qua khởi đầu, kéo dài và kết thúc; kết quả là thông tin chứa trong thứ tự nucleotide của DNA được thể hiện lại dưới dạng trình tự nucleotide của RNA.

Thông tin từ DNA được chuyển sang RNA theo nguyên tắc nào?

Thông tin di truyền của một vùng DNA nằm ở thứ tự các nucleotide chứ không phải ở việc bản thân phân tử DNA phải rời khỏi vị trí của nó. Vì vậy, “chuyển thông tin” trong phiên mã thực chất là tạo ra một chuỗi RNA mới có trình tự được quyết định bởi chuỗi DNA làm khuôn.

Khi RNA polymerase đi qua mạch khuôn, mỗi nucleotide DNA định hướng việc lựa chọn một ribonucleotide bổ sung. Các quan hệ cơ bản là:

·         A trên DNA bắt cặp với U trên RNA

·         T trên DNA bắt cặp với A trên RNA

·         G trên DNA bắt cặp với C trên RNA

·         C trên DNA bắt cặp với G trên RNA

Uracil (U) được dùng trong RNA thay cho thymine (T) của DNA. Nhờ quy tắc này, thứ tự nucleotide trên mạch khuôn được chuyển thành một trình tự RNA xác định.

Đây là một quá trình sao chép thông tin có chọn lọc. Tại một thời điểm, RNA polymerase chỉ phiên mã vùng DNA thuộc đơn vị phiên mã mà nó đang hoạt động trên đó. DNA phía sau enzyme có thể bắt cặp trở lại, trong khi phân tử RNA mới được giải phóng dần khỏi khuôn.

RNA polymerase xác định điểm bắt đầu và mạch khuôn ra sao?

RNA polymerase không bắt đầu tổng hợp RNA tại một vị trí ngẫu nhiên. Việc khởi đầu được định hướng bởi promoter, một vùng trình tự DNA đóng vai trò tín hiệu để phức hợp phiên mã nhận biết nơi cần bắt đầu.

RNA polymerase cùng các protein hỗ trợ tương tác với promoter, hình thành phức hợp khởi đầu và làm hai mạch DNA tách cục bộ. Vị trí nucleotide đầu tiên được phiên mã thường được quy ước là điểm 1. Từ đây, enzyme bắt đầu tạo chuỗi RNA.

Hướng của promoter cũng liên quan trực tiếp đến việc xác định mạch nào là mạch khuôn. Đối với một đơn vị phiên mã cụ thể, RNA polymerase phải di chuyển trên mạch khuôn theo chiều 3′→5′; vì thế chỉ mạch có hướng phù hợp với quá trình này được sử dụng làm khuôn.

Điều đó không có nghĩa một mạch DNA luôn luôn là mạch khuôn còn mạch kia luôn luôn không được phiên mã. Ở một gene khác nằm theo hướng ngược lại, mạch DNA còn lại có thể trở thành mạch khuôn. Vai trò của hai mạch vì vậy phụ thuộc vào từng đơn vị phiên mã và hướng của promoter.

Ba giai đoạn của phiên mã diễn ra như thế nào?

Khởi đầu: tạo phức hợp phiên mã tại promoter

Ở giai đoạn khởi đầu, phức hợp phiên mã được tập hợp tại promoter. Một đoạn DNA ngắn được tháo xoắn cục bộ để các base trên mạch khuôn có thể tiếp xúc với RNA polymerase.

Enzyme bắt đầu lựa chọn những ribonucleotide đầu tiên theo nguyên tắc bổ sung và hình thành các liên kết nối chúng thành RNA. Khi phức hợp đã ổn định và rời vùng khởi đầu, RNA polymerase chuyển sang giai đoạn kéo dài.

Kéo dài: RNA polymerase di chuyển dọc mạch khuôn

Trong giai đoạn kéo dài, RNA polymerase tiến dọc mạch khuôn DNA theo chiều 3′→5′. Một vùng DNA nhỏ phía trước enzyme được mở ra, còn DNA phía sau có thể bắt cặp trở lại.

Tại mỗi vị trí, RNA polymerase lựa chọn ribonucleotide phù hợp với base đang được đọc trên mạch khuôn và gắn nucleotide mới vào đầu đang tăng trưởng của RNA. Vì thế, RNA kéo dài liên tục theo chiều 5′→3′.

RNA mới chỉ bắt cặp với DNA trong một vùng ngắn bên trong phức hợp phiên mã. Phần RNA đã được tổng hợp trước đó tách khỏi DNA, nên sản phẩm cuối cùng không tồn tại như một chuỗi RNA gắn hoàn toàn với mạch khuôn.

Kết thúc: giải phóng bản phiên mã

Khi phức hợp phiên mã gặp tín hiệu kết thúc thích hợp, quá trình kéo dài dừng lại. RNA được giải phóng, RNA polymerase rời DNA và hai mạch DNA trở về trạng thái bắt cặp.

Cơ chế kết thúc không hoàn toàn giống nhau ở mọi sinh vật và mọi loại RNA. Vì vậy, “tín hiệu kết thúc phiên mã” nên được hiểu là tín hiệu hoặc cơ chế khiến phức hợp phiên mã dừng và giải phóng RNA, chứ không phải một trình tự duy nhất áp dụng cho tất cả các gene.

Vì sao RNA luôn được tổng hợp theo chiều 5′→3′?

Ký hiệu 5′ và 3′ phản ánh hai đầu hóa học khác nhau của chuỗi nucleotide. RNA polymerase chỉ có thể kéo dài chuỗi RNA bằng cách gắn nucleotide mới vào đầu 3′ của nucleotide cuối cùng đang có.

Do nucleotide mới luôn được bổ sung vào đầu 3′, đầu tăng trưởng của chuỗi liên tục tiến về phía 3′. Khi biểu diễn toàn bộ phân tử từ đầu ban đầu đến đầu đang tăng trưởng, RNA vì thế được tổng hợp theo chiều 5′→3′.

Hai chuỗi nucleic acid bắt cặp theo hướng ngược chiều nhau. Muốn tạo RNA 5′→3′, RNA polymerase phải đọc mạch khuôn DNA theo chiều 3′→5′. Đây không chỉ là quy ước khi viết trình tự mà là hệ quả trực tiếp của cơ chế hóa học dùng để nối các nucleotide.

Mối quan hệ ngược chiều này là điểm quan trọng khi đọc hoặc giải các bài toán về phiên mã. Nếu bỏ qua ký hiệu 5′ và 3′, một trình tự có thể được ghép base đúng từng nucleotide nhưng vẫn bị viết ngược hướng.

Từ trình tự DNA, xác định trình tự RNA phiên mã như thế nào?

Muốn suy ra RNA từ một đoạn DNA, trước hết phải biết chuỗi được cung cấp là mạch khuôn hay mạch mã hóa. Sau đó mới áp dụng đúng chiều và quy tắc bổ sung.

Nếu biết mạch khuôn, có thể thực hiện theo trình tự:

1.    Xác định mạch DNA được cho là mạch khuôn

2.    Đặt mạch khuôn theo chiều 3′→5′

3.    Ghép từng base DNA với ribonucleotide bổ sung theo A–U, T–A, G–C và C–G

4.    Viết chuỗi RNA thu được theo chiều 5′→3′

Ví dụ:

RNA bổ sung với mạch khuôn. Đồng thời, khi cùng được viết theo chiều 5′→3′, RNA có trình tự gần giống mạch mã hóa DNA, với khác biệt cơ bản là U thay cho T.

Vì thế, nếu đề bài cho trực tiếp mạch mã hóa theo chiều 5′→3′, có thể suy ra chuỗi RNA của vùng tương ứng bằng cách giữ nguyên thứ tự nucleotide và thay T bằng U. Nếu đề bài cho mạch khuôn, cần tạo chuỗi bổ sung và đồng thời chú ý hai mạch phải ngược chiều nhau.

Đối với một số RNA ở sinh vật nhân thực, chuỗi vừa được phiên mã mới là RNA sơ khai và có thể tiếp tục được xử lý trước khi trở thành RNA trưởng thành. Việc xử lý đó xảy ra sau hoặc gắn với phiên mã và không làm thay đổi nguyên tắc cơ bản dùng DNA làm khuôn để tổng hợp RNA.

Những điểm nào dễ gây nhầm khi mô tả phiên mã?

Một số nhầm lẫn có thể làm sai toàn bộ cách hiểu về quá trình chuyển thông tin từ DNA sang RNA:

·         DNA không biến thành RNA; DNA được dùng làm khuôn và vẫn được giữ lại sau khi thông tin được sao chép

·         Không phải cả hai mạch DNA của cùng một đơn vị phiên mã đều được RNA polymerase đọc cùng lúc; một mạch đóng vai trò khuôn cho lần phiên mã đó

·         Không phải toàn bộ DNA của tế bào được phiên mã đồng thời; promoter và các cơ chế kiểm soát quyết định những vùng nào được sử dụng

·         Sản phẩm phiên mã không phải lúc nào cũng là mRNA; tế bào còn phiên mã các gene tạo rRNA, tRNA và nhiều RNA không mã hóa khác

·         Phiên mã và dịch mã là hai quá trình khác nhau; phiên mã tạo RNA từ khuôn DNA, còn việc sử dụng thông tin của mRNA để tạo protein thuộc giai đoạn khác

·         Tín hiệu kết thúc phiên mã không đồng nghĩa với bộ ba kết thúc của quá trình tổng hợp protein

Những phân biệt này giúp giữ đúng ranh giới của khái niệm: phiên mã chỉ mô tả cách thông tin nucleotide trên DNA được sao chép sang RNA, từ lúc phức hợp phiên mã nhận biết vùng bắt đầu cho đến khi RNA được giải phóng.

Phiên mã có thể được tóm tắt bằng một chuỗi cơ chế liên tục: promoter xác định vị trí và hướng khởi đầu; một mạch DNA được sử dụng làm khuôn; RNA polymerase đọc mạch khuôn theo chiều 3′→5′ và nối các ribonucleotide bổ sung để RNA dài ra theo chiều 5′→3′; cuối cùng, tín hiệu kết thúc làm bản phiên mã được giải phóng.

Vì vậy, thông tin từ DNA được chuyển sang RNA bằng cách sao chép trật tự nucleotide theo nguyên tắc bổ sung, chứ không phải bằng cách chuyển vật chất DNA thành RNA. Khi xác định một trình tự RNA cụ thể, hai yếu tố quan trọng nhất là nhận đúng mạch khuôn và giữ đúng chiều 3′→5′ của khuôn tương ứng với chiều 5′→3′ của RNA.