Bài 1. Gene và cơ chế truyền thông tin di truyền

I. CHỨC NĂNG CỦA DNA VÀ CƠ CHẾ TÁI BẢN DNA

1. Chức năng của DNA

DNA gồm hai mạch polynucleotide song song và ngược chiều nhau và xoắn lại với nhau theo chiều từ trái qua phải tạo thành một chuỗi xoắn kép. Mỗi vòng xoắn gồm 10 cặp nucleotide tương đương 34 Å. DNA cấu tạo đa phân gồm 4 loại nucleotide là A, T, G và C.

Các nucleotide trên mạch DNA liên kết với nhau nhờ liên kết phosphodiester bền vững đảm bảo cho thông tin di truyền được lưu giữ và bảo quản trong cấu trúc phân tử DNA.

Các base trên hai mạch DNA kết cặp đặc hiệu với nhau nhờ liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung (A – T và G – C). Liên kết hydrogen là liên kết yếu, tuy nhiên trong phân tử DNA số lượng liên kết hydrogen lớn, do đó, DNA có cấu trúc bền vững xong cũng rất linh hoạt trong cơ chế tự nhân đôi (tái bản).

Nhờ cơ chế tự nhân đôi trong quá trình phân bào, thông tin di truyền trên DNA được truyền đạt qua các thế hệ tế bào và thế hệ cơ thể.

2. Tái bản DNA

Tái bản DNA còn gọi là quá trình tự nhân đội của phân tử DNA. Đối với DNA ở sinh vật nhân thực, sinh vật nhân sơ và những virus có dạng sợi kép, quá trình tái bản DNA đều được thực hiện theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo toàn. Cơ chế tái bản DNA diễn ra như sau:

- Tháo xoắn phân tử DNA: Một số enzyme và protein nhận biết vị trí khởi đầu tái bản, tháo xoắn và tách hai mạch DNA tạo nên cấu trúc có dạng hình chữ Y.

- Tổng hợp mạch DNA: Enzyme DNA polymerase có vai trò tổng hợp mạch DNA mới chiều 5'→3' dựa trên mạch khuôn của DNA mẹ theo nguyên tắc bổ sung. Trong hai mạch DNA mới tổng hợp, có một mạch được tổng hợp liên tục và một mạch tổng hợp gián đoạn từng đoạn ngắn Okazaki. Các đoạn Okazaki được nối với nhau thành mạch DNA hoàn chỉnh nhờ enzyme ligase.

Enzyme DNA polymerase không có khả năng khởi đầu cho quá trình tổng hợp mạch DNA mới, nó chỉ có thể bổ sung nucleotide tự do vào đầu 3′ của đoạn RNA mỗi do enzyme RNA tổng hợp.

- Tạo thành phân tử DNA: Trong mỗi phân tử DNA được tạo thành có một mạch DNA mới được tổng hợp và một mạch DNA của phân tử DNA mẹ.

Quá trình tái bản DNA tuân theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo toàn, do đó, từ một phân tử DNA tự nhân đôi tạo thành hai phân tử DNA con có cấu trúc giống nhau và giống DNA mẹ. Sau quá trình tái bản, nhờ sự phân bào, mỗi phân tử DNA đi về một tế bào con. Như vậy, tái bản DNA là một quá trình tự sao thông tin di truyền từ tế bào mẹ sang tế bào con hay từ thế hệ này sang thế hệ sau.

II. GENE, CÁC LOẠI RNA VÀ QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ

1. Gene và cấu trúc của gene

a. Khái niệm gene

Gene là một đoạn của phân tử DNA mang thông tin quy định sản phẩm xác định là polypeptide hoặc RNA. Gene là đơn vị cấu trúc và chức năng cơ bản của di truyền, các gene được phân bố theo chiều dài phân tử DNA.

b. Cấu trúc và các loại gene

Cấu trúc của gene gồm ba vùng:

- Vùng điều hoà: có trình tự nucleotide đặc biệt giúp enzyme RNA polymerase có thể nhận biết và liên kết để khởi động quá trình phiên mã và trình tự nucleotide điều hoà phiên mã.

- Vùng mã hoá: chứa trình tự nucleotide mã hoá chuỗi polypeptide hoặc RNA. Phần lớn gene của sinh vật nhân thực và vi khuẩn cổ có vùng mã hoá không liên tục và các đoạn intron nên được gọi là gene phân mảnh. Gene của sinh vật nhân sơ chỉ có đoạn exon nên gọi là gene không phân mảnh.

- Vùng kết thúc: mang tín hiệu kết thúc phiên mã.

Căn cứ vào cấu trúc, gene được phân thành gene phân mảnh và gene không phân mảnh. Căn cứ vào chức năng, gene được chia thành: gene cấu trúc và gene điều hoà.

2. Các loại RNA

Tuỳ theo cấu trúc và chức năng, RNA gồm ba loại phổ biến:

- RNA thông tin (mRNA): là một chuỗi polynucleotide dạng mạch thẳng gồm hàng trăm đến hàng nghìn đơn phân. Trên mRNA có các codon quy định các amino acid trong chuỗi polypeptide. mRNA được sử dụng làm khuôn cho cơ chế dịch mã tổng hợp protein.

- RNA vận chuyển (tRNA): là một chuỗi polynucleotide cấu trúc từ 70 đến 90 đơn phân. Trong phân tử tRNA có một số đoạn các nucleotide liên kết hydrogen với nhau. Mỗi tRNA có một bộ ba đối mã (anticodon) bổ sung với codon trên mRNA theo nguyên tắc bổ sung.

- RNA ribosome (rRNA): là một chuỗi polynucleotide có hàng chục nghìn nucleotide. Trên FRNA có nhiều vùng xoắn cục bộ, do các nucleotide trong phân tử liên kết hydrogen với nhau. rRNA và protein là thành phần cấu tạo nên ribosome (nơi tổng hợp protein).

3. Phiên mã và phiên mã ngược

a. Phiên mã

Phiên mã là quá trình tổng hợp phân tử RNA dựa trên mạch khuôn của gene. Quá trình phiên mã thông tin di truyền từ gene ra mRNA được chia thành ba giai đoạn:

- Khởi đầu phiên mã: Enzyme RNA polymerase nhận ra và liên kết với vùng điều hoà làm cho hai mạch của gene tách nhau để lộ mạch khuôn và bắt đầu tổng hợp mRNA.

- Kéo dài mạch RNA: Enzyme RNA polymerase trượt dọc trên mạch khuôn của gene có chiều 3' → 5, lắp các nucleotide tự do thành chuỗi polynucleotide chiều 5'→3' theo nguyên tắc bổ sung.

- Kết thúc phiên mã: Enzyme RNA polymerase di chuyển đến cuối gene, gặp bộ ba kết thúc, quá trình phiên mã dùng lại; enzyme RNA polymerase và phân tử mRNA đã hoàn thành rời khỏi DNA.

Bản chất của quá trình phiên mã là quá trình truyền đạt thông tin di truyền từ DNA sang mRNA. Quá trình tổng hợp tRNA, rRNA cũng theo cơ chế tương tự; sau khi được hình thành, chuỗi polynucleotide sẽ biến đổi cấu trúc hình thành phân tử tRNA hoặc rRNA.

Ở sinh vật nhân thực, mRNA sau khi phiên mã cắt bỏ các đoạn intron, nối các đoạn exon tạo thành mRNA trưởng thành rồi chui qua màng nhân ra tế bào chất làm khuôn cho quá trình dịch mã tổng hợp chuỗi polypeptide.

Ở sinh vật nhân sơ, mRNA trực tiếp tham gia tổng hợp chuỗi polypeptide.

b. Phiên mã ngược ở tế bào nhân thực

Phiên mã ngược là quá trình tổng hợp mạch DNA từ khuôn mẫu mRNA.

Phiên mã ngược diễn ra khi virus có lõi RNA (virus HIV) xâm nhập vào tế bào. Trong tế bào, RNA của virus phiên ngược để tạo DNA trước khi chèn vào DNA của vật chủ.

Enzyme phiên mã ngược là công cụ dùng trong kĩ thuật tạo dòng DNA tái tổ hợp (kĩ thuật thiết lập ngân hàng gene). Phiên mã ngược có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu sự tiến hoá của hệ thống sinh giới.

III. MÃ DI TRUYỀN VÀ DỊCH MÃ

1. Mã di truyền

Mã di truyền là mã bộ ba, nghĩa là cứ ba nucleotide liền nhau tạo thành một mã di truyền mã hoá một amino acid. Bộ ba nucleotide trên mạch khuôn của gene được gọi là bộ ba mã gốc; bộ ba trên phân tử mRNA là bộ ba mã sao (codon); bộ ba trên phân tử tRNA gọi là bộ ba đối mã (anticodon). Có bốn loại nucleotide tạo 4³ = 64 bộ ba.

Trong 64 bộ ba có ba bộ ba UAA, UAG, UGA không mã hoá cho bất kì amino acid nào, được gọi là bộ ba kết thúc. Bộ ba AUG có hai chức năng, vừa mã hoá amino acid methionine ở sinh vật nhân thực (ở sinh vật nhân sơ là formylmethionine), vừa là tín hiệu bắt đầu dịch mã.

Mã di truyền có một số đặc điểm sau:

- Mã di truyền được đọc liên tục từ một điểm xác định từng bộ ba nucleotide mà không gối lên nhau.

- Mã di truyền có tính phổ biến, nghĩa là các loài sinh vật đều sử dụng chung một bộ mã di truyền, trừ một vài ngoại lệ. 

- Mã di truyền có tính đặc hiệu, nghĩa là một bộ ba chỉ mã hoá cho một amino acid.

- Mã di truyền có tính thoái hoá, nghĩa là có nhiều bộ ba khác nhau có thể cùng mã hoá cho một amino acid, trừ bộ ba AUG và UGG.

2. Dịch mã

Dịch mã – cơ chế tổng hợp polypeptide

Dịch mã là quá trình các mã di truyền trên phân tử mRNA được dịch thành trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide. Quá trình này có thể được chia thành hai giai đoạn:

Hoạt hoá amino acid

Nhờ enzyme đặc hiệu, amino acid tự do trong tế bào chất được gắn với ATP, trở thành dạng amino acid hoạt hoá. Sau đó, nhờ một loại enzyme đặc hiệu khác, amino acid hoạt hoá liên kết với tRNA tạo thành phức hợp amino acid-tRNA.

Dịch mã tổng hợp chuỗi polypeptide

Quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide được chia thành ba bước:

- Khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide: Tiểu đơn vị nhỏ của ribosome gắn với mRNA tại vị trí nhận biết đặc hiệu nằm gần codon mở đầu 5'AUG3. Đồng thời, anticodon 3’UAC5′ của phức hợp amino acid mở đầu-tRNA khớp bổ sung với codon mở đầu trên mRNA. Tiểu đơn vị lớn của ribosome kết hợp với tiểu đơn vị nhỏ tạo ribosome hoàn chỉnh sẵn sàng cho việc tổng hợp chuỗi polypeptide.

- Kéo dài chuỗi polypeptide: Anticodon của phức hợp amino acid thứ nhất tiến vào ribosome và khớp bổ sung với codon của amino acid thứ nhất. Enzyme xúc tác tạo thành liên kết peptide giữa amino acid mở đầu và amino acid thứ nhất. Ribosome dịch chuyển một codon theo chiều 5’ → 3 trên mRNA, đồng thời tRNA rời khỏi ribosome. Tiếp theo, amino acid thứ hai-tRNA tiến vào ribosome, anticodon của nó khớp bổ sung với codon của amino acid thứ hai, liên kết peptide được hình thành giữa amino acid thứ nhất và thứ hai. Cứ như vậy, ribosome dịch chuyển theo từng codon cho đến cuối phân tử mRNA và chuỗi polypeptide được kéo dài.

- Kết thúc: Khi ribosome tiếp xúc với bộ ba kết thúc trên mRNA, quá trình dịch mã dừng lại. Ribosome tách khỏi mRNA và chuỗi polypeptide được giải phóng. Nhờ một loại enzyme đặc hiệu, amino acid mở đầu được cắt khỏi chuỗi polypeptide vừa tổng hợp. Chuỗi polypeptide tiếp tục hình thành cấu trúc bậc cao hơn, trở thành protein có hoạt tính sinh học.

Trên mỗi phân tử mRNA có nhiều ribosome cùng hoạt động gọi là polyribosome (polysome). Sau khi ribosome thứ nhất dịch chuyển được một đoạn thì ribosome thứ hai liên kết vào mRNA và một loạt ribosome nối tiếp nhau trượt dọc trên phân tử mRNA giúp tăng hiệu suất dịch mã.

IV. SƠ ĐỒ CƠ CHẾ TRUYỀN THÔNG TIN DI TRUYỀN Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ

Thông tin di truyền trên DNA được truyền đạt từ thế hệ tế bào mẹ sang tế bào con hay từ thế hệ này sang thế hệ sau là nhờ cơ chế tái bản DNA.

Thông tin di truyền mã hoá trong DNA được phiên mã chính xác sang phân tử mRNA dưới dạng các codon và các codon được tRNA giải mã thành các amino acid trong chuỗi polypeptide quy định đặc điểm sinh vật là nhờ cơ chế phiên mã và dịch mã.

Cơ chế truyền đạt thông tin di truyền trong DNA có thể tóm tắt trong sơ đồ: