RNA tham gia biểu hiện gene như thế nào?

Trong biểu hiện gene, RNA không chỉ đóng vai trò “bản sao trung gian” của DNA. Với gene mã hóa protein, thông tin thường đi theo chuỗi DNA → phiên mã thành RNA → xử lý RNA → dịch mã thành protein. Nhưng với nhiều gene không mã hóa protein, chính RNA đã là sản phẩm chức năng cuối cùng. Một số RNA khác còn kiểm soát quá trình phiên mã, độ bền của mRNA hoặc khả năng mRNA được dịch mã.

Vì sao RNA phù hợp làm trung gian biểu hiện gene?

DNA thích hợp để lưu trữ thông tin di truyền lâu dài, còn RNA thích hợp hơn cho việc đưa một phần thông tin đó vào sử dụng. Thay vì phải tác động trực tiếp lên toàn bộ DNA mỗi khi tế bào cần một sản phẩm gene, tế bào có thể tạo những phân tử RNA từ các gene đang hoạt động rồi xử lý hoặc phân hủy chúng tùy nhu cầu.

Đặc điểm hóa học và cấu trúc của RNA hỗ trợ vai trò này. RNA có nhóm hydroxyl ở vị trí 2' của đường ribose và thường tồn tại dưới dạng một mạch. Vì vậy, RNA nhìn chung kém bền hóa học hơn DNA nhưng linh hoạt hơn về cấu trúc. Một chuỗi RNA có thể bắt cặp với trình tự nucleic acid bổ sung hoặc tự gấp thành các vùng thân–vòng và cấu trúc bậc cao.

Tính linh hoạt đó cho phép RNA đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau. mRNA có thể mang trình tự mã hóa, tRNA nhận biết codon và vận chuyển amino acid, rRNA tạo nên phần chức năng trung tâm của ribosome, còn nhiều RNA không mã hóa có thể nhận biết các RNA khác hoặc tương tác với protein để điều chỉnh biểu hiện gene.

Điều này cũng giải thích vì sao không nên xem RNA đơn thuần là một “phiên bản yếu hơn của DNA”. DNA chủ yếu là kho lưu trữ thông tin, trong khi RNA là một lớp phân tử động, nơi thông tin di truyền được sao chép, biến đổi, đọc và điều chỉnh trước khi tạo ra tác động sinh học.

Từ DNA đến RNA: phiên mã khởi đầu biểu hiện gene

Bước đưa thông tin từ DNA sang RNA được gọi là phiên mã. Enzyme RNA polymerase nhận biết vùng điều hòa liên quan đến gene, mở cục bộ DNA và sử dụng một trong hai mạch DNA làm mạch khuôn.

RNA polymerase đọc mạch khuôn DNA theo chiều 3' → 5' và tổng hợp RNA mới theo chiều 5' → 3'. Các nucleotide được bổ sung dựa trên nguyên tắc bổ sung base: A trên DNA khuôn bắt cặp với U trên RNA, T với A, G với C và C với G. Vì thế, trình tự RNA tương ứng với thông tin của gene nhưng sử dụng uracil thay cho thymine.

Quan trọng hơn, tế bào không sao chép toàn bộ DNA thành RNA cùng một lúc. Gene nào được phiên mã, vào thời điểm nào và ở mức độ bao nhiêu phụ thuộc vào trạng thái điều hòa của gene đó. Vì vậy, phiên mã vừa là bước truyền thông tin từ DNA sang RNA, vừa là một điểm kiểm soát quan trọng của biểu hiện gene.

Khi RNA polymerase đi qua vùng cần phiên mã, chuỗi RNA được kéo dài cho đến khi quá trình kết thúc. DNA ban đầu vẫn được giữ lại làm nguồn thông tin; RNA mới là bản làm việc có thể tiếp tục được xử lý hoặc sử dụng. Cơ chế này cho phép cùng một genome tạo ra những tập hợp RNA rất khác nhau giữa các loại tế bào hoặc giữa các trạng thái sinh lý khác nhau.

RNA được xử lý trước khi thông tin được sử dụng như thế nào?

Ở tế bào nhân thực, RNA vừa được phiên mã từ nhiều gene mã hóa protein chưa phải ngay lập tức là mRNA trưởng thành. Sản phẩm ban đầu thường được gọi là pre-mRNA và phải trải qua một số bước xử lý trong nhân.

Một thay đổi quan trọng là bổ sung mũ 5' vào đầu phân tử. Cấu trúc này góp phần bảo vệ RNA và tham gia các bước như xuất mRNA khỏi nhân và khởi đầu dịch mã. Ở đầu 3', phần lớn mRNA nhân thực được cắt tại vị trí thích hợp rồi bổ sung đuôi poly(A), có liên quan đến độ ổn định, vận chuyển và hiệu quả sử dụng mRNA.

Pre-mRNA còn trải qua splicing. Các đoạn intron được loại bỏ, còn exon được nối lại với nhau để hình thành trình tự RNA trưởng thành. Spliceosome thực hiện quá trình này với sự tham gia của cả protein và các RNA nhỏ trong nhân, cho thấy RNA không chỉ là đối tượng được xử lý mà còn có thể là thành phần của bộ máy xử lý RNA.

Trong nhiều gene, các exon có thể được kết hợp theo hơn một cách thông qua alternative splicing. Nhờ đó, một gene có thể tạo ra nhiều phiên bản mRNA khác nhau. Tuy nhiên, không nên hiểu rằng mọi gene đều trải qua cùng một kiểu xử lý hoặc đều tạo nhiều isoform; cơ chế cụ thể phụ thuộc vào gene và loại RNA.

Các bước trên đặc biệt điển hình cho mRNA của sinh vật nhân thực. RNA khác như rRNA, tRNA và nhiều RNA không mã hóa có con đường trưởng thành riêng. Ở sinh vật nhân sơ, việc xử lý mRNA thường khác đáng kể và phiên mã có thể diễn ra đồng thời với dịch mã. Vì thế, sơ đồ “phiên mã rồi xử lý rồi dịch mã” là mô hình rất phù hợp với gene mã hóa protein ở tế bào nhân thực nhưng không phải khuôn duy nhất cho mọi hệ thống sinh học.

mRNA, tRNA và rRNA phối hợp để tổng hợp protein

Khi một gene mã hóa protein được biểu hiện, thông tin chứa trong RNA phải được chuyển từ trình tự nucleotide sang trình tự amino acid. Quá trình này là dịch mã và cần sự phối hợp của nhiều loại RNA chứ không chỉ mRNA.

mRNA cung cấp trình tự codon

mRNA mang thông tin đã được phiên mã từ gene đến ribosome. Ribosome đọc mRNA theo từng nhóm ba nucleotide gọi là codon.

Trong mã di truyền chuẩn có 64 codon có thể hình thành từ bốn loại nucleotide. Phần lớn codon chỉ định amino acid, còn ba codon đóng vai trò tín hiệu kết thúc. AUG thường đảm nhiệm vai trò codon khởi đầu và đồng thời mã hóa methionine trong mã di truyền chuẩn.

Thứ tự codon trên mRNA vì thế xác định thứ tự amino acid được đưa vào chuỗi polypeptide. mRNA không tự biến thành protein; nó cung cấp khuôn thông tin để bộ máy dịch mã đọc.

tRNA nối codon với amino acid

tRNA đóng vai trò phân tử thích ứng giữa hai “ngôn ngữ”: trình tự nucleotide và amino acid. Mỗi tRNA có vùng anticodon có thể nhận biết codon tương ứng trên mRNA và một đầu khác mang amino acid thích hợp.

Trước khi tham gia ribosome, tRNA phải được enzyme aminoacyl-tRNA synthetase gắn đúng amino acid. Bước này rất quan trọng đối với độ chính xác của dịch mã, bởi ribosome chủ yếu kiểm tra sự bắt cặp giữa codon và anticodon; việc amino acid nào được gắn lên tRNA đã được xác lập trước đó bởi hệ enzyme này.

Khi ribosome dịch chuyển dọc mRNA, các tRNA lần lượt đưa amino acid vào đúng vị trí theo trình tự codon. Nhờ cơ chế đó, thông tin tuyến tính của mRNA được chuyển thành trình tự amino acid của polypeptide.

rRNA tạo trung tâm chức năng của ribosome

Ribosome là phức hợp gồm rRNA và protein. rRNA không chỉ đóng vai trò khung cấu trúc mà còn tham gia trực tiếp vào hoạt động của ribosome.

Một bằng chứng quan trọng cho khả năng hoạt động chức năng của RNA là trung tâm peptidyl transferase của ribosome chủ yếu được tạo bởi rRNA. Chính vùng này xúc tác sự hình thành liên kết peptide giữa các amino acid đang được lắp ráp. Vì vậy, ribosome có thể được xem là một ribonucleoprotein trong đó RNA đảm nhiệm một phần cốt lõi của chức năng xúc tác.

Ba nhóm RNA phối hợp thành một hệ thống: mRNA cung cấp trình tự cần đọc, tRNA chuyển thông tin codon thành lựa chọn amino acid, còn rRNA tạo môi trường cấu trúc và xúc tác để chuỗi polypeptide được hình thành. Đây là bước mà thông tin bắt nguồn từ DNA được sử dụng trực tiếp để quyết định cấu trúc bậc một của protein.

Không phải gene nào cũng biểu hiện thành protein

Sơ đồ DNA → RNA → protein rất hữu ích đối với gene mã hóa protein, nhưng không mô tả đầy đủ toàn bộ biểu hiện gene. Nhiều gene tạo ra RNA có chức năng mà không cần trải qua dịch mã.

rRNA và tRNA là những ví dụ rõ ràng. Các gene tương ứng được phiên mã, RNA được xử lý thành dạng trưởng thành rồi trực tiếp tham gia hoạt động của tế bào. Trong những trường hợp này, RNA chính là sản phẩm biểu hiện của gene, chứ không phải một bước trung gian dẫn tới protein.

Một số RNA nhỏ trong nhân tham gia xử lý pre-mRNA. Các RNA điều hòa lại có thể ảnh hưởng đến lượng sản phẩm được tạo ra từ gene khác. Chẳng hạn, microRNA có thể được đưa vào phức hợp protein nhận biết mRNA đích thông qua bắt cặp trình tự. Tùy mức độ và vị trí bổ sung, tương tác này có thể làm giảm dịch mã hoặc thúc đẩy quá trình loại bỏ mRNA.

Các RNA dài không mã hóa protein cũng có thể tham gia điều hòa biểu hiện gene bằng nhiều cơ chế, chẳng hạn tương tác với protein, DNA hoặc RNA khác. Tuy nhiên, “lncRNA” là một nhóm rất rộng; không thể suy ra rằng mọi lncRNA đều có cùng cơ chế hoặc mức độ ảnh hưởng.

Như vậy, khái niệm biểu hiện gene rộng hơn việc sản xuất protein. Một gene được biểu hiện khi thông tin của nó được sử dụng để tạo sản phẩm chức năng, và sản phẩm đó có thể là protein hoặc chính một phân tử RNA.

RNA tạo ra nhiều điểm kiểm soát trong biểu hiện gene

Vai trò của RNA không kết thúc sau phiên mã. Từ lúc một transcript được tạo ra đến khi nó bị phân hủy, tế bào còn có nhiều cơ hội để thay đổi lượng và thời gian tồn tại của sản phẩm gene.

Ở gene mã hóa protein, mức biểu hiện cuối cùng có thể chịu ảnh hưởng của tốc độ phiên mã, cách pre-mRNA được splicing, khả năng RNA trưởng thành được xuất khỏi nhân, độ bền của mRNA và hiệu suất dịch mã. RNA điều hòa có thể can thiệp vào một số điểm trong chuỗi này. Do đó, hai tế bào có cùng DNA vẫn có thể tạo ra lượng RNA và protein rất khác nhau.

Điều này cũng giải thích vì sao lượng mRNA không phải lúc nào cũng phản ánh trực tiếp lượng protein. Một mRNA tồn tại lâu nhưng được dịch mã kém có thể tạo ít protein hơn một mRNA có thời gian tồn tại ngắn nhưng được ribosome sử dụng hiệu quả. Sau dịch mã, độ bền của protein còn tạo thêm một tầng khác biệt giữa lượng mRNA và lượng protein quan sát được.

Vì vậy, sơ đồ DNA → RNA → protein nên được hiểu như trục truyền thông tin cơ bản chứ không phải một dây chuyền cố định. RNA là lớp trung gian có thể được tạo, chỉnh sửa, vận chuyển, nhận biết, sử dụng và phân hủy có kiểm soát. Chính khả năng kiểm soát ở nhiều bước này giúp tế bào sử dụng cùng một bộ DNA theo những cách khác nhau mà không cần thay đổi trình tự gene.

RNA tham gia biểu hiện gene theo ba vai trò lớn liên kết với nhau: nhận và mang thông tin được phiên mã từ DNA, tham gia xử lý và giải mã thông tin đó, đồng thời có thể trực tiếp trở thành sản phẩm chức năng hoặc chất điều hòa. Với gene mã hóa protein, mRNA, tRNA và rRNA phối hợp để chuyển trình tự nucleotide thành trình tự amino acid. Với gene không mã hóa, quá trình biểu hiện có thể kết thúc ở RNA. Vì thế, RNA không chỉ là cầu nối giữa DNA và protein mà còn là một tầng vận hành và điều hòa trung tâm của thông tin di truyền.