Bài giảng Mã di truyền và dịch mã

Ch­¬ng VII m· di truyÒn vµ dÞch m· I. §Æt vÊn ®Ò Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến quá trình truyền thông tin di truyền từ DNA (gen) ® mRNA ® protein. Theo sơ đồ trên thì mRNA là giai đoạn trung gian giữa DNA và protein, giúp truyền thông tin mã hóa từ DNA ra bộ máy dịch mã để tạo thành protein. Từ một gen có thể tổng hợp được nhiều bản sao mRNA, như vậy thông tin của một gen duy nhất có thể khuếch đại sẽ tạo ra một số các protein. Quá trình sinh tổng hợp protein cũng giống như quá trình sinh tổng hợp DNA và mRNA có thể tóm tắt như sau: Chỉ tiêu tổng hợp DNA và RNA Protein Đơn vị cơ bản 4 nucleotide 20 loại axit amin Quá trình tổng hợp và kéo dài mạch Nối kết dần dần (kéo dài) từng nu. Nối kết dần dần từng axit amin Sự bắt đầu và kết thúc Bắt đầu tại một điểm và kết tại một điểm Cũng bắt đầu tại một điểm và kết thúc tại một điểm Độ phức tạp Quá trình sao chép và phiên mã ít phức tạp hơn, chủ yếu dựa vào ái lực giữa các bazơ thành phần câú tạo nên phân tử mới với các bazơ khuôn thông qua liên kết hydro. Quá trình dịch mã rất phức tạp. Từng axit amin được nối với nhau thông qua khuôn mRNA nhưng lại không có ái lực với mRNA, hơn thế nữa những nhánh bên của axit amin lại bị đẩy bởi nhiều nhóm các bazơ. Cần đòi hỏi Khuôn DNA và mRNA cộng với các bazơ nitơ NTP. Khuôn mRNA cộng với các axit amin và nhân tố tiếp hợp (adaptor) là tRNA. Quá trình dịch mã được tiến hành chung cho mỗi loaị tế bào II. Vai trò của 3 loại RNA (mRNA, tRNA và rRNA) trong quá trình sinh tổng hợp protein 1. mRNA và mã di truyền Mỗi phân tử mRNA mang thông tin di truyền xác định trình tự một polypeptide, thông tin này được sao chép từ DNA của một gen qua quá trình phiên mã. Vậy làm thế nào trình tự 4 cặp bazơ trong DNA có thể kiểm tra được trình tự 20 axit amin. DNA và mRNA đều được cấu tạo từ 4 nucleotide, trong khi protein được hình thành từ 20 axit amin, như vậy thông tin di truyền mã hoá từ DNA thành mRNA phải dưới dạng một tổ hợp như thế nào của 4 loại nu để giải mã cho 20 axit amin cấu thành nên protein. Vì rằng có 20 axit amin nhập vào để tạo nên protein thì ít nhất cũng phải có 20 codon tạo thành từ 4 bazơ. Giả sử nếu tổ hợp 2 nu mã hóa 1 axit amin thì sẽ được 42 = 16 mã codon, như vậy vẫn nhỏ hơn nhu cầu thực tế là 20 mã (codon). Nếu tổ hợp 3 nu mã hóa 1 axit amin thì được 43 = 64 codon. Vào những năm 1960 người ta đã thiết lập được hệ thống tương ứng giữa tổ hợp số các nu với từng axít amin. Hệ thống này có tên là mã di truyền (codon), là bộ 3 nucleotide trªn ph©n tö mRNA ®­îc trình bầy ở bảng 1.7. Theo bảng mã di truyền chúng ta có thể rút ra một số điểm sau: - Số lượng codon có thể có nếu mã codon có 3 nu là 64, lớn hơn số lượng axit amin (20). Do vậy mét axit amin có thể được mã hóa bởi nhiều bộ 3 codon, người ta gọi là hiện tượng mã di truyền có tính suy thoái. - Tính suy thoái của mã di truyền có ý nghĩa tích cực, đối với sự sống còn của tế bào, đối với nhiều axit amin có nhiều codon mã hóa thì dù mét trong số ba nu của các codon đó bị đột biến nhưng có thể axit amin do nó mã hóa không bị biến đổi theo và protein mang axit amin này vẫn giữ được cấu trúc và chức năng nguyên vẹn. Thường những axit amin được mã hóa bởi nhiều codon thì thường xuất hiện với tần số lớn trong chuỗi polypeptide (những protein enzyme nào có nhóm chức ở những vị trí axit amin thuộc loại này thì ít bị thay đổi tính chất hơn). - Các codon khác nhau mã hoá cïng một axit amin, thường chúng chỉ khác nhau ở nu thứ 3 của codon, người ta gọi là hiện tượng suy thoái codon, có 2 dạng suy thoái lµ: suy tho¸i côc bé vµ suy tho¸i hoµn toµn Bảng 1.7. Mã di truyền và suy thoái mã + Suy thoái cục bộ (partial degenracy): xảy ra khi bazơ ở vị trí thứ 3 hoặc là một trong 2 pyrimidine (U và C) hay một trong 2 purine (A và G), nếu thay nu thứ 3 từ một purine sang một pyrimidine và ngược lại sẽ làm thay đổi axit amin mà mã đó mã hoá. + Suy thoái hoàn toàn (complete degeneracy): xảy ra trong trường hợp bất kỳ một trong 4 bazơ có thể có mặt tại ví trí nu thứ 3 của codon thì codon đó vẫn mã đặc thù cho cùng một axit amin (trường hợp 4 codon cùng mã hóa 1 axit amin). - Có thể dự đoán rằng trật tự trong mã di truyền có liên quan đến cách làm giảm tối thiểu những đột biến gây chết, nhiều cách thay thế bazơ ở vị trí thứ 3 của codon không làm thay đổi axit amin mà nó mã hóa. Hơn thế nữa những axit amin có tính chất hóa học tương tự nhau như leucine, isoleucine và valine có những codon khác nhau chỉ 1 bazơ. Bởi vậy rất nhiều trường hợp thay thế cặp bazơ đơn sẽ dẫn đến việc thay thế một axit amin này bằng một axit amin khác có đặc tính hóa học tương tự (thí dụ valine thay bằng isoleucine). - Do hiện tượng suy thoái codon cho nên chắc chắn một tRNA có thể nhận biết vài codon khác nhau để mã hóa cho một axit amin nhất định, và đối mã của một tRNA nhất định phải có khả năng ghép cặp bazơ với vài codon khác nhau. Như vậy liên kết hydro giữa 2 bazơ của codon và anticodon chỉ chặt chẽ (theo luật bổ sung nghiêm khắc) ở 2 nu đầu, còn nu thứ 3 của codon thì ít chặt chẽ hơn, chính vì thế Crick đã gọi vị trí này là vị trí lắc lư “wobble” hay giao động. Thuyết giao động (wobble hypothesis), bảng 2.7. chỉ ra rằng: Bảng 2.7. Ghép cặp bazơ giữa bazơ đầu 5’ của anticodon trên tRNA với bazơ đầu 3’ của codon trên mRNA theo giả thuyết giao động. Base 5’ in anticodon Base 3’ in codon G U or C C G A U U A or G I A, U or C + Có ít nhất 2 tRNA cho mỗi axit amin mà codon của nó biểu hiện suy thoái hoàn toàn ở vị trí thứ 3. Thực tế chứng minh rằng có 3 tRNA đối mã với 6 codon serine đó là: tRNA ser. 1 có anticodon là AGG có thể bọc lấy được 2 codon UCU và UCC trên mRNA ; tRNA ser. 2 có anticodon là AGU sẽ bọc được các codon UCA và UCG và tRNA ser 3 mang anticodon UCG sẽ bọc lấy các codon AGU và AGC. - Tính đặc thù này bị biến đổi bởi quá trình bọc của những tRNA, gắn amino acyl vào ribosome ở in vitro được kích thích bởi trinuleotide. - Một số tRNA chứa bazơ hiếm (inosine) được tạo thành bởi quá trình biến đổi của enzyme sau phiên mã. Nếu inosine nằm ở vị trí giao động có thể ghép cặp được với A, U hoặc cytosine của codon trên mRNA. Trong thực tế những alanyl-tRNA tinh khiết chứa inosine (I) tại vị trí 5’ của anticodon sẽ bọc với ribosome hoạt hóa với gcu, gcc hoặc gca. Hình 1.7. Trình tự nu và cấu hình 3 lá của tRNA vận chuyển alanine (trái) và của methionine (phải) của nấm men. Cấu trúc bậc 2 được hình thành nhờ cầu nối hydro giữa các bazơ ở những đoạn khác nhau. Trong cấu trúc có 3 vòng, một trong chúng có chứa trình tự anticodon CAU đối với alanine, còn đối với methionine thì trình tự anticodon là 3’-CGI-5’. Tên và vị trí các nu biến đổi được chú giải như hình vẽ trên. 2. Mã đầu và kết thúc - Có 3 mã codon đặc thù kết thúc dịch mã tạo chuỗi polypeptide là UAA, UAG và UGA. Những mã này được nhận biết bởi những nhân tố giải phóng protein chứ không phải là tRNA. Một trong chúng đó là protein RF-1 đặc thù cho UAA và UGA codon. Còn RF-2 làm kết thúc dịch tạo protein tại UAA và UGA codon. 2 codon AUG và GUG được nhận biết bởi tRNA khởi đầu cho methionine (tRNAi met lúc này bazơ wobble lại ở đầu 5’). Nhưng chỉ biểu hiện được đặc tính làm khởi đầu khi chúng đi sau một trình tự các nu thích hợp ở vùng leader của phân tử mRNA, còn tất cả các protein của mọi sinh vật đều có đầu COOH là axit amin methionine. Ở những vị trí nội vi thì các codon AUG được nhận biết bởi tRNAMet . Codon GUG được nhận biết bởi valine tRNA. Trong trường hợp có 2 mã khởi đầu là AUG và GUG, thì bazơ đầu 5’ của codon sẽ là bazơ dao động. Vì tính dao động là ở bazơ đầu 5’ duy nhất để khởi đầu nên điều này có liên quan đến việc ghép cặp bazơ ở vị trí P (Peptidyl-tRNA binding site) hơn là ở vị trí A (aminoacyl-tRNA binding site) trên ribosome. - Tính phổ biến của mã di truyền: Rất nhiều nghiên cứu đều kết luận rằng mã di truyền giống nhau hoặc rất gần giống nhau ở tất các các loài sinh vật. Có một số trường hợp ngoại lệ xảy ra ở ty thể người, nấm men và một số loài khác, ở đó mã UGA quy định tryptophane khác so với ngoài ty thể thì mã này lại là mã kết thúc. Ở ty thể của nấm men, codon CUA sẽ mã hóa cho threonin thay bằng bình thường là leucine. Trường hợp ở ty thể động vật có vú, codon AUA lại mã hóa cho methionine thay bằng bình thường là isoleucine. - Có một số đột biến (đột biến ức chế) ở những gen tRNA dẫn đến làm thay đổi vị trí nhận biết codon của anticodon của tRNA. 3. RNA vận chuyển (tRNA) - Phân tử tRNA vận chuyển axit amin đến chuỗi polypeptide đang kéo dài trong quá trình dịch mã. Phân tử tRNA là loại axit nucleic hoạt động sinh học nhỏ nhất. Thí dụ tRNA vận chuyển alanine của nấm men chỉ có 77 nu, được cuộn lại để tạo thành một hình cỏ 3 lá, do xẩy ra quá trình ghép cặp giữa GºC và A=U. Tất cả các tRNA đều có đính axit amin ở đầu 3’ thứ tự ở đây là 5’-ACCA-3’OH adenylic còn đầu 5’ luôn luôn là guanylic axit (G), C là cytidilic. tRNA có chứa một số purine và pyrimidine hiếm không phổ biến ở các RNA khác. Các bazơ hiếm được tạo thành sau phiên mã vì ở trong nhân có chứa một số enzyme có khả năng làm biến đổi một số bazơ nhất định. Vị trí anticodon nằm từ nu thứ 36-38, các bazơ hiếm là y: pseudouridynic axit; T: ribothymidylic axit; Ud :dihydrouridilic axit; Gm: methyl guanydilic axit; Gd: dimethylguanylic axit; I: Inosinic axit và Im: methyl inosinic axit. - tRNA là nhân tố tiếp hợp hay trung gian, có một đầu chứa trình tự 3 nu đối mã với 3 nu của codon trên phân tử mRNA gọi là anticodon còn đầu kia mang axit amin sẽ kết nối để tạo thành chuỗi protein. - Mỗi sinh vật tiền nhân có một số lượng tRNA khác nhau, thường có từ 30-40, còn ở động thực vật là 50, nhưng đều có cấu trúc rất giống nhau. - Một tRNA có thể kết hợp được với hơn 2 codon khác nhau, cùng mã hóa cho một axit amin. - Chức năng trung gian của tRNA được thực hiện nhờ một số enzyme đặc biệt, đó là các enzyme aminoacyl- tRNA synthetase, có 20 loại enzyme, tương ứng với 20 axit amin. Các enzyme này có khả năng nhận biết một amino axit đặc thù và cả tRNA tương ứng vận chuyển axit amin đó. Quá trình gắn amino axit vào tRNA là quá trình cần tiêu tốn năng lượng và trải qua 2 bước: + Bước 1: Enzyme nhận biết và gắn với một amino axit đặc thù theo công thức: enzyme + amino axit + ATP à enzyme – aminoacyl –AMP +P-P. + Bước 2: Amino axit được chuyển từ phức hợp trên sang tRNA tương ứng. Sau đó phức hợp enzyme – aminoacyl –AMP tương tác với tRNA để tạo thành tRNA –amino acyl và giải phóng ra AMP và enzyme. 4. RNA ribosome (rRNA) Hiệu năng của quá trình dịch mã là một triệu liên kết peptide trong một giây, nếu chỉ dựa vào sự va chạm ngẫu nhiên giữa các thành phần tham gia phản ứng xúc tác thì để tạo được một liên kết peptide là cực hiếm. Muốn vậy thì mRNA và tRNA –amino axit phải được đặt vào một vị trí có thế tiếp xúc phản ứng tối thích, vị trí đó là phức hợp ribonucleoprotein: ribosome. Ribosome được cấu tạo từ rRNA và hơn 50 loại protein khác nhau, phân thành 2 tiểu đơn vị. Tiểu đơn vị lớn chứa 1 rRNA lớn còn tiểu đơn vị nhỏ chứa 1 rRNA nhỏ. Trừ một vài sai khác về kích thước và thành phần, ribosome cũng như rRNA của sinh vật tiền nhân và nhân thật về cơ bản là giống nhau (hình 2.7). Hình 2.7. Cấu trúc ribosome và cơ chế kết gắn và thứ tự di chuyển từ vị trí A đến P khi dịch mã của các tRNA mang axit amin tương ứng với codon. III. Các giai đoạn sinh tổng hợp protein 1. Khởi động Protein bắt đầu tổng hợp từ codon AUG nằm trên phân tử mRNA, mã hóa methionine tương ứng tRNAMet . Như vậy, trong quá trình tổng hợp tất cả các polypeptide đều có axit amin bắt đầu bằng methyonine. Sau đó amino–terminal methionine này bị cắt khỏi nhiều polypeptide. Phần lớn những protein có chức năng cần thiết đều không có amino-terminal methionine. Ở sinh vật tiền nhân và nhiều cơ quan tử của sinh vật nhân thật, methionine ở tRNAMet có nhóm amin bị khóa bởi nhóm formyl (-COH). Có 2 loại tRNA là: + tRNAMet kết hợp với AUG codon nằm giữa mRNA. + tRNAiMet kết hợp với AUG codon khởi đầu, có nhiệm vụ gắn methionine đầu tiên vào chuỗi polypeptide. Tuy nhiên, ở sinh vật nhân thật nhóm amino của methionyl –tRNAMet không bị khóa lại. Vậy điều gì đã ngăn cản methionyl-tRNAiMet khởi đầu không phản ứng với mã AUG bên trong mRNA mà lại chỉ phản ứng được với codon AUG khởi đầu của mRNA. Để làm được điều đó thì methionyl tRNAiMet phải tương tác với một số nhân tố khởi đau như: IF-1, IF-2 và IF-3. Trong khi đó methionyl-tRNAMet thì lại cần phải tương tác với những protein nhân tố kéo dài có tên gọi là Ef-Ts và Ef-Tu. - Ở sinh vật tiền nhân, chuỗi polypeptide khởi động quá trình tổng hợp đầu tiên với việc hình thành một phức hợp giữa mRNA, Methionyl – tRNAfMet và tiểu đơn vị ribosome 30S (hình 3.7). Quá trình hình thành phức hợp khởi đầu này cần yêu cầu sự hoạt hóa của 3 nhân tố khởi động là: IF-1, IF-2 và IF-3 và GTP để cung cấp năng lượng. Quá trình này có thể được trợ lực bằng mối tương tác cặp bổ sung giữa trình tự bazơ gần đầu 3’ của 16S rRNA với trình tự bazơ ở đoạn leader của mRNA, là đoạn không dịch mã tính từ đầu 5’ đến mã AUG hoặc GUG khởi động. Đoạn này biến động nhiều về chiều dài từ vài nucleotide đến vài trăm nucleotide. - Phức hợp khởi động sau đó kết hợp với tiểu đơn vị ribosome 50S và methionyl-tRNAfMet trở lên có khả năng bọc lấy được vị trí P (hình 3.7 bc). Quá trình này cần thủy phân một phân tử GTP. Đối mã giữa codon khởi đầu AUG với anticodon của tRNAMet ở tại P đã giữ codon tiếp có mặt tại vị trí A, bởi thế đã hình thành nên tính đặc thù bao bọc lấy aminocyl-tRNA, tại đây tương ứng với axit amin alanine (hình 3.7d). Quá trình bọc này lại yêu cầu thủy phân 1 phân tử GTP kết hợp với những nhân tố kéo dài Ef-Ts và Ef-Tu (hình 3.7 d và c). Liên kết peptide được hình thành giữa nhóm COOH của f methionine được gắn trong tRNAfMet tại vị trí P với nhóm amino của alanine trong tRNAala ở vị trí A bởi enzyme peptidyl transferase, enzyme này bọc lấy tiểu đơn vị lớn 50S (hình 3.7d và e). Hình 3.7. Sơ đồ các bước dịch mã tạo protein từ mRNA và ribosome từ a - d. Hình 4.7. Tiếp các bước kéo dài chuỗi protein từ e-i. 2. Giai đoạn kéo dài - Tiến hành đơn giản trên cơ sở nguyên lý lặp lại (hình 4.7). Sau khi Met được đặt vào vị trí đầu tiên của chuỗi peptide thì aminoacyl–tRNA kế tiếp có anticodon tương ứng với codon kế tiếp của mRNA sẽ đến xếp vào đúng vị trí trên ribosome nhờ một trong các tác nhân kéo dài EF. - Có 2 vị trí đặc biệt trên tiểu ribosome nhỏ là vị trí A tiếp nhận aminoacyl-tRNA kế tiếp và vị trí P giữ phức hợp peptidyl-tRNA là chuỗi polypeptide đang hình thành vẫn còn gắn với tRNA ngay trước đó. - Sự tiếp xúc giữa peptidyl-tRNA và aminoacyl –tRNA sẽ dẫn đến sự hình thành nên liên kết peptide gắn axit amin mới vào chuỗi polypeptide. - Sự di chuyển của mRNA sau 0,5 giây đi được đúng 3 nucleotide của một codon, như vậy nếu codon trước ở vị trí A thì sau 0,5 giây sẽ chuyển sang vị trí P (hình 4.7 e và f), ở 2 hình này là codon alanine GCC. Codon tiếp theo là serine UCC dịch đến A, quá trình chuyển vị cần hoạt tính của nhân tố kéo dài Ef-G và thủy phân một phân tử GTP. Aminoacyl-tRNA tiếp theo đặc thù cho codon trên mRNA nằm ở vị trí A (hình 4.7 f và g) sẽ bọc lấy A và liên kết peptide mới được hình thành. Quá trình này được lặp lại cho đến khi gặp phải dấu hiệu kết thúc dịch mã. 3. Kết thúc - Khi ribosome tiến đến và nhận biết dấu hiệu kết thúc dịch mã ®ã lµ vÞ trÝ cã mét trong sè 3 codon UAG, UAA, UGA) (hình 4.7 g và h). Nhóm formyl của amino terminal methionine thường bị loại bỏ nhờ men deformylase (hình 4.7 g và h) trước khi tổng hợp chuỗi polypeptide kết thúc. - Khi một trong ba codon kết thúc trên tiến vào vị trí A (hình 4.7h) thì chuỗi polypeptide, tRNA ở vị trí P thì mRNA sẽ tách rời nhau khỏi ribosome và 2 tiểu đơn vị ribosome tách nhau ra (hình 4.7 h và i). Quá trình kết thúc đòi hỏi cần có sự tham gia của 1 trong 2 protein, đó là nhân tố giải thoát kí hiệu là: RF-1 và RF-2. Hai tiểu ribosome tách rời nhau, trở lên tự do sẵn sàng bước vào một chu kỳ bắt đầu dịch mã mới. IV.Tóm tắt Một số nét chính liên quan đến đặc điểm phiên và dịch mã gen: Khi kích thước genome của sinh vật tăng nên thì thường là do kích thước của các intron tăng. Intron thường dài hơn exon, biến động từ 200 bp (dài bằng một exon) đến tới 10 kb, có trường hợp dài đến 50 – 60 kb. Hầu hết các exon đều mã hoá ít hơn 100 axit amin, ở động vật có xương sống có trường hợp một exon mã hóa ít hơn 50 axit amin, ở nấm một exon có thể mã hóa trên 300 axit amin. ở hầu hết các loại nấm men, các gen không chứa đoạn ngắt intron, ngược lại ở sinh vật bậc cao: ruồi và động vật có vú trong một gen có chứa nhiều đoạn intron. Do cách thức cắt nối intron, exon khác nhau nên một trình tự DNA (gen) có thể mã hoá và tạo thành hơn một protein. Hai protein có thể sinh ra từ một gen do cơ chế bắt đầu biểu hiện và kết thúc ở những vị trí khác nhau. Hai gen có trình tự giống nhau nhưng khung đọc DNA ở vị trí khác nhau sẽ sinh ra mRNA khác nhau. Các gen có những đoạn chồng chéo nhau, kết quả phiên mã có thể tạo ra mRNA có một phần giống nhau.