Quá trình can thiệp RNA - cơ chế bất hoạt gene bằng RNA sợi đôi ppsx

Quá trình can thiệp RNA - cơ chế bất hoạt gene bằng RNA sợi đôi Với việc khám phá ra cơ chế căn bản kiểm soát dòng thông tin di truyền, giải Nobel Y học năm 2006 đã được trao về tay của

Quá trình can thiệp

RNA - cơ chế bất hoạt gene bằng RNA sợi đôi

Với việc khám phá ra cơ chế căn

bản kiểm soát dòng thông tin di

truyền, giải Nobel Y học năm 2006

đã được trao về tay của hai nhà

khoa học người Mỹ Andrew Z Fire

và Craig C Mello Bộ gene của

chúng ta hoạt động thông qua việc truyền chỉ thị tổng hợp protein từ DNA trong nhân tế bào bào đến bộ

máy tổng hợp protein trong tế bào chất Những chỉ thị này được

truyền tải bởi RNA thông tin

(mRNA)

Vào năm 1998, Andrew Fire and Craig Mello khám phá ra một cơ

chế có khả năng phân hủy mRNA của một gene cụ thể Cơ chế này, với tên gọi là quá trình can thiệp

RNA, được kích hoạt khi phân tử RNA tồn tại trong tế bào với cấu

trúc sợi đôi RNA sợi đôi kích hoạt một cơ chế hóa sinh để phân hủy các phân tử mRNA có mã di truyền giống với nó Khi các phân tử

mRNA này biến mất, gene tương ứng bị bất hoạt, và không có

protein nào do gene đó mã hóa

được tạo ra

Quá trình can thiệp RNA diễn ra ở thực vật, động vật, và người Nó có tầm quan trọng to lớn trong việc

điều hòa quá trình biểu hiện gene, góp phần bảo vệ cơ thể vật chủ

chống lại sự xâm nhiễm của virus,

và kiểm soát hoạt động của các

gene nhảy Sự can thiệp RNA đang được áp dụng rộng rãi trong ngành khoa học cơ bản để nghiên cứu

chức năng gene và nó có thể mang lại các liệu pháp chữa bệnh mới

trong tương lai

Dòng thông tin trong tế bào: từ DNA đến protein thông qua RNA

Mã di truyền trên DNA quy định

protein được hình thành Những

thông tin chứa đựng trong DNA

được sao chép sang RNA và sau đó được dùng để tổng hợp protein

(Hình 1) Dòng thông tin di truyền

từ DNA qua mRNA đến protein

được Francis Crick, một nhà khoa học người Anh cũng đã từng đoạt giải Nobel, gọi là “Học thuyết

trung tâm” của lĩnh vực sinh học

phân tử Protein liên quan đến tất

cả các quá trình của sự sống, ví dụ như là các men phân giải thức ăn, các thụ thể tiếp nhận tín hiệu trong não, và các kháng thể giúp chúng ta chống lại các vi khuẩn

Hình 1 Học thuyết trung tâm của

sinh học phân tử

Bộ gene của chúng ta có khoảng

30.000 gene Tuy nhiên, chỉ một

phần trong số đó được sử dụng

trong mỗi loại tế bào Việc gene

nào được biểu hiện (tức là, việc

quản lý sự tổng hợp của các protein mới) được kiểm soát bởi bộ máy

sao chép DNA sang mRNA trong một quá trình được gọi là phiên mã

Tuy nhiên, quá trình phiên mã cũng

bị điều khiển bởi nhiều nhân tố

khác Những nguyên tắc căn bản

của quá trình điều hòa sự biểu hiện gene đã được nhận biết cách đây

hơn 40 năm bởi hai nhà khoa học người Pháp cũng đã từng nhận giải Nobel là François Jacob và Jacques Monod Ngày nay, chúng ta biết

rằng các nguyên tắc tương tự cũng

đã và đang diễn ra trong suốt quá trình tiến hóa từ vi khuẩn đến con người Chính những nguyên tắc này

đã hình thành nên nền tảng cho kỹ thuật gen, đó là việc đưa một trình

tự DNA vào tế bào để hình thành một protein mới

Khoảng năm 1990, các nhà sinh

học phân tử thu nhận được nhiều kết quả nghiên cứu không như

mong muốn và rất khó giải thích Đặc biệt là nghiên cứu của các nhà sinh học thực vật, khi họ cố gắng gia tăng cường độ màu sắc cánh

hoa của cây thuốc lá, bằng cách

chuyển gene gây cảm ứng hình

thành sắc tố đỏ ở hoa Nhưng thay

vì tăng cường độ màu sắc thì thí

nghiệm này lại gây nên sự mất màu hoàn toàn và cánh hoa trở nên có màu trắng! Cơ chế gây nên những kết quả này vẫn còn khó hiểu cho đến khi Fire và Mello công bố

khám phá của họ trên tạp chí

Nature vào năm 1998 Với khám phá này, họ đã nhận được giải

thưởng Nobel năm nay

đôi lập tức gắn vào Dicer (Hình

4A) Phức hợp RISC được kích

hoạt, RNA virus bị phân hủy, và tế bào vật chủ thoát khỏi sự xâm

nhiễm này Bên cạnh khả năng bảo

vệ, các sinh vật bậc cao, như con

người, còn phát triển một hệ thống miễn dịch hiệu quả liên quan đến kháng thể, tế bào diệt tự nhiên (tế bào NK) và interferon

Gene nhảy, còn được gọi là

transposon, là các trình tự DNA có thể di chuyển trong bộ gene Chúng tồn tại trong tất cả các sinh vật và

có thể gây thiệt hại nếu chúng gắn sai vị trí trên bộ gene Nhiều

transposon hoạt động bằng cách

sao chép DNA sang RNA, RNA

sau đó được phiên mã ngược thành DNA và gắn vào một vị trí khác

trên bộ gene Một phần của phân tử RNA này thường có cấu trúc sợi

đôi và là mục tiêu của cơ chế can thiệp RNA Trong trường hợp này,

sự can thiệp RNA bảo vệ bộ gene chống lại các transposon

Hình 4 Một số quá trình sống của

tế bào có liên quan đến quá trình

can thiệp RNA

A Khi virus RNA nhiễm vào tế bào, nó tiêm bộ gene có chứa RNA mạch đôi của nó vào bên trong Can thiệp RNA tiêu hủy RNA của virus, ngăn cản sự hình thành virus

mới

B Sự tổng hợp của nhiều loại protein do các gene mã hoá cho vi RNA kiểm soát Sau khi xử lý, vi RNA ngăn cản sự dịch mã từ

mRNA thành protein

C Trong phòng thí nghiệm, các phân tử RNA mạch đơn được biến đổi để hoạt hoá phức hợp RISC để phân hủy mRNA của một gene

chuyên biệt nào đó

Sự can thiệp RNA điều hòa sự

biểu hiện gen

Sự can thiệp RNA được dùng để

điều hòa sự biểu hiện gene trong tế bào người cũng như tế bào giun

(Hình 4B) Hàng trăm gene trong

bộ gene của chúng ta mã hóa cho các phân tử RNA nhỏ, gọi là

microRNA Chúng chứa một phần

mã di truyền của các gene khác

Một phân tử microRNA có thể hình thành cấu trúc sợi đôi và kích hoạt

bộ máy can thiệp RNA để ngăn

chặn sự tổng hợp protein Từ đó, sự biệu hiện của gene tương ứng bị

khống chế Hiện nay chúng ta đã

hiểu được rằng việc điều hòa di

truyền bởi các microRNA đóng vai

trò quan trọng trong sự phát triển của sinh vật và kiểm soát các chức năng tế bào

Những cơ hội mới trong nghiên cứu Sinh học Y Dược, kỹ thuật

gene và chăm sóc sức khỏe.

Sự can thiệp RNA đưa ra nhiều ứng dụng thú vị trong kỹ thuật gene

Phân tử RNA sợi đôi được thiết kế

để gây bất hoạt cho các gene đặc

thù ở người, động vật hoặc thực vật (Hình 4C) Các phân tử RNA có

khả năng gây bất hoạt được đưa

vào tế bào và kích hoạt bộ máy can thiệp RNA để phá hủy các mRNA

có mã di truyền tương đồng

Kỹ thuật này đã trở thành một dụng

cụ nghiên cứu quan trọng trong

ngành sinh học và sinh y dược học Trong tương lai, mọi người hy

vọng là kỹ thuật này sẽ được sử

dụng trong cả lĩnh vực y học lâm

sàng lẫn ngành nông nghiệp Một vài công bố gần đây cho thấy sự bất hoạt gene đã được tiến hành thành công ở các tế bào người và các

động vật thí nghiệm Ví dụ, gần

đây, gene gây lượng cholesterol cao trong máu đã bị bất hoạt bằng cách

xử lý các động vật với RNA có khả năng gây bất hoạt Nhiều kế hoạch đang được triển khai để phát triển

sự can thiệp RNA thành một

phương pháp điều trị bệnh nhiễm

virus, các bệnh về tim mạch, ung thư, các rối loạn nội tiết và một số trường hợp khác