so sánh phiên mã ở prokaryote và eukaryote (sau chỉnh sửa)

Khái niệm về phiên mã• Phiên mã là một quá trình rất phức tạp diễn ra bởi sự tham gia của nhiều loại enzyme, nhân tố phiên mã,… để tổng hợp nên RNA từ một đoạn gen.. • mRNA sẽ là khuôn c

Chủ đề 2: So sánh phiên mã tổng hợp mRNA

ở prokaryote và eukaryote

Bố cục chính của bài thuyết trình

1 Khái quát về phiên mã và mRNA

2 Những điểm giống nhau trong phiên mã

tổng hợp mRNA ở prokaryote và eukaryote

3 Những điểm khác nhau trong phiên mã

tổng hợp mRNA ở prokaryote và eukaryote

Khái quát về phiên mã và mRNA

Khái niệm về phiên mã

• Phiên mã là một quá trình rất phức tạp diễn ra bởi sự tham gia của nhiều loại enzyme, nhân tố phiên mã,… để tổng hợp nên RNA từ một đoạn gen Gen có thể là một đoạn DNA mạch đơn hoặc mạch kép hay thậm chí là một đoạn RNA mạch đơn hoặc mạch kép

• mRNA sẽ là khuôn cho quá trình dịch mã tổng hợp protein

• Phản ứng phiên mã được xúc tác bởi enzyme RNA polymerase

• Ngoài phiên mã tạo mRNA chứa thông tin tổng hợp protein thì quá trình phiên mã còn tạo ra các loại RNA khác như RNA vận chuyển

tRNA, RNA ribosome hay rRNA,

Chức năng của phiên mã

• Những sự sống đầu tiên trên trái đất được cho là bắt nguồn từ các

RNA tự sao chép do đây là đại phân tử duy nhất có khả năng xúc tác

và mang mã di truyền

• Trong quá trình tiến hóa, protein hay cụ thể là các enzyme đã thay thế dần vai trò xúc tác của RNA do protein dạng chuỗi có thể tạo ra nhiều cấu trúc phức tạp và đa dạng hơn

• Thêm vào đó, cấu trúc mạch đơn cũng bộc lộ điểm yếu khi dễ dàng bị tổn thương dưới những tác động nhẹ như pH Vì vậy, DNA – có cấu

trúc mạch đôi bền vững hơn đã dần thay thế cho RNA trong việc

mang thông tin di truyền

• Phiên mã được coi như sự liên kết giữa RNA và DNA cho phép vẫn có thể dùng các axit nucleic như một vật liệu ổn định và vẫn có thể sử

dụng những “cỗ máy” tổng hợp protein đã sẵn có

Khái niệm về messenger RNA

• là một loại RNA mang bộ ba mã di truyền được tổng hợp trực tiếp từ    gen trên DNA trong nhân, ra ngoài vùng nhân làm khuôn dịch mã

tổng hợp nên chuỗi pôlypeptit

• Về mặt chức năng, thì RNA thông tin như là một bản sao mang các

thông tin di truyền trên gen, nghĩa là nó làm nhiệm vụ truyền đạt bản thiết kế protein bậc I do gen quy định Bởi thế, người ta còn có thể gọi

nó là RNA liên lạc hoặc RNA làm nhiệm vụ truyền đạt thông tin

• DNA là một đại phân tử với cấu trúc rất lớn và phức tạp vì vậy việc

tổng hợp trực tiếp protein trên DNA sẽ là rất khó khăn mRNA với các đoạn ngắn hơn chứa đầy đủ thông tin di truyền tổng hợp protein

được cho là lựa chọn tối ưu hơn trong trường hợp này

• ARN thông tin được viết tắt là mARN

Những điểm giống nhau trong phiên mã tổng hợp

mRNA ở prokaryote và eukaryote

Những điểm giống nhau

• Ở cả hai loài thì mỗi loại gen lại chỉ phiên mã tạo ra một RNA nhất định.

• Đều có đơn phân là các nucleotide acid A (Adenine), G (Gaunine), U

• Sản phẩm cuối cùng của quá trình là mRNA sợi đơn.

Promoter hay vùng khởi động

Là vùng mà enzyme RNA polymerase sẽ bám vào để tiến hành phiên mã.

Về cơ bản gồm các thành phần:

- Phần lõi vùng khởi động:

+ vị trí khởi đầu phiên mã

+ vị trí bám vào của RNA polymerase

+ vị trí bám của các nhân tố phiên mã

- Phần cận biên vùng khởi động

- Phần ngoại biên vùng khởi động

+ Một số nhân tố như enhancer, silencer, nhân tố liên kết.

Tuy vậy, về chi tiết thì vùng promoter ở prokaryote và eukaryote lại không giống nhau hoàn toàn Ở eukaryote có đôi phần hoàn thiện và phức tạp hơn.

Terminator hay vùng kết thúc phiên mã

- Xuât hiện ở DNA của cả prokaryote và eukaryote tuy có khác nhau đôi chút nhưng đều là dấu hiệu thông báo kết thúc quá trình phiên mã

- Đều gồm các thành phần như:

+ Tín hiệu kết thúc

+ Một số trình tự lặp ngắn chưa rõ chức năng

+ Trình tự kết thúc để phân biệt gen này với gen khác

Cả promoter và terminator đều không mang mã di truyền nhưng lại đóng một vai trò rất quan trọng trong gen

Những điểm khác nhau trong phiên mã tổng hợp

mRNA ở prokaryote và eukaryote

Phiên mã ở prokaryote Phiên mã ở eukaryote

- Phiên mã và dịch mã là quá trình liên tục và

xảy ra đồng thời trong tế bào chất.

- Máy móc khởi tạo phiên mã rất đơn giản vì

DNA không liên kết với bất kỳ protein

histone nào

- Chỉ có một loại enzyme RNA polymerase,

tổng hợp tất cả các loại RNA trong tế bào

(mRNA, rRNA và tRNA).

- RNA polymerase với 5 tiểu đơn vị, Hai tiểu

đơn vị α, Một tiểu đơn vị β, Một tiểu đơn

vị β' , Một tiểu đơn vị σ RNA polymerase  

chức năng là 2α1β1β'1σ

- Chúng là hai quá trình riêng biệt, phiên mã xảy ra trong nhân trong khi dịch mã xảy ra trong tế bào chất.

- Máy móc khởi tạo phiên mã rất phức tạp vì vật liệu di truyền được liên kết với protein.

- Ba loại RNA polymerase trong tế bào RNA   polymerase I để tổng hợp rRNA RNA

polymerase II để tổng hợp mRNA RNA   polymerase III để tổng hợp tRNA và 5S rRNA.

- RNA polymerase I với 14 tiểu đơn vị, RNA polymerase II với 10 -12 tiểu đơn vị, RNA polymerase III với 12 tiểu đơn vị

Phiên mã ở prokaryote Phiên mã ở eukaryote

- σ factor là đó là điều cần thiết cho sự bắt

đầu phiên mã.

- RNA polymerase có thể nhận biết và liên kết

với vùng promoter với sự trợ giúp của  

- RNA polymerase không thể nhận ra trực tiếp promoter trừ khi promoter được đánh dấu trước bởi các factor khởi tạo phiên mã.

- Vùng Promoter thường nằm ở trước vị trí bắt đầu, nhưng hiếm khi như trong trường hợp RNA polymerase III, Promoter nằm ở sau bắt đầu vị trí

- Vùng promoter có chứa Box TATA nằm ở vị trí - 35 đến - 25; Box CAT nằm ~ -70  

nucleotide; Box GC nằm ~- 110   nucleotide Box Pribnow vắng mặt ở sinh   vật nhân thực

Phiên mã ở prokaryote Phiên mã ở eukaryote

- Việc chấm dứt phiên mã được thực hiện

bằng cơ chế phụ thuộc rho hoặc cơ chế độc

- Đuôi poly A của mRNA không có

- Intron vắng mặt trong mRNA

- Một cơ chế chấm dứt phiên mã không hoàn toàn được biết đến Nó có thể được chỉ dẫn   bởi tín hiệu poly A hoặc bởi sự hiện diện của chuỗi kết thúc trong DNA

- Bản phiên mã chính trải qua sửa đổi sau phiên mã (chỉnh sửa RNA)

- Có sự giới hạn RNA, giới hạn xảy ra ở vị trí

5 'của mRNA

- mRNA trưởng thành có đuôi poly A ở vị trí

3 ' Đuôi Poly A được thêm vào bằng   enzyme mà không cần chuỗi bổ sung

- Intron có mặt trong bản phiên mã chính

Phiên mã ở prokaryote Phiên mã ở eukaryote

- Việc nối mRNA vắng mặt vì không có intron

- Các gen thường đa nang và do đó bản phiên

mã đơn có thể chứa trình tự cho nhiều

polypeptide

- Trình tự SD (trình tự Shine Dalgarno)

thường nằm xung quanh 8 base ở ngược

dòng so với AUG codon bắt đầu trong

mRNA, trình tự SD là vị trí liên kết của

ribosome

- Khi nối, các intron trong bản phiên mã chính được loại bỏ và exon được nối lại bằng

nhiều cơ chế nối

- Các gen là monocistronic do đó mã phiên

mã duy nhất cho chỉ một polypeptide

- Trình tự SD không có trong mRNA của

eu karyote

Phiên mã và dịch mã khác nhau ở prokaryote và eukaryote

Đối với prokaryote

Hai quá trình dịch mã và phiên mã sẽ được diễn ra song song

Đối với prokaryote và eukaryote

Do vòng đời của loài eukaryote (sinh vật nhân sơ) rất ngắn có nhiều loại chỉ mất 20 đến 30 phút để nhân đôi (E.coli), mặt khác chúng cũng phải thích nghi một cách rất nhanh chóng với các điều kiện khách quan từ môi trường bên ngoài dẫn tới việc phiên mã và dịch mã phải diễn ra với tốc độ nhanh chóng đồng thời để đáp ứng được nhu cầu tồn tại và phát triển của cơ thể.

Đối với eukaryote

Đối với eukaryote

• Còn đối với sinh vật nhân điển hình (eukaryote) thì việc thực hiện

phiên mã và dịch mã sẽ diễn ra ở hai vùng chuyên biệt khác nhau

• Phiên mã sẽ được thực hiện trong nhân dưới sự tác động của nhiều nhân tố đại biểu là enzyme RNA polymerase, các nucleic acid tự do,

• Tuy vậy, sản phẩm mới tạo ra lại chưa phải là sản phẩm cuối cùng đưa

ra ngoài để tổng hợp protein mà chỉ là một pre-mRNA Pre-mRNA này cần thêm một công đoạn “gia công” nữa đó là cắt đi các đoạn intron, nối lại các đoạn exon (RNA splicing) sau đó gắn mũ 5’- cap và đuôi

poly (A) rồi mới được đưa ra ngoài Việc gắn thêm mũ và đuôi poly

(A) này được cho là để bảo vệ mRNA tránh bị các enzyme nhầm lẫn và phân cắt

• Cuối cùng thì mRNA sẽ được đưa tới lưới nội chất để làm khuôn mẫu tổng hợp protein với sự trợ giúp của ribosome và các tRNA

Enzyme RNA polymerase của prokaryote và eukaryote

Đối với prokaryote

Đối với prokaryote

• RNA polymerase của prokaryote có thể nhận diện được vùng

promoter và liên kết với nó với sự giúp đỡ của factor

• RNA polymerase có 5 tiểu phần nhỏ (tổng khối lượng ~400kDa)

+ 2 tiểu phần α (α I, α II): chưa rõ chức năng cụ thể Mỗi tiểu đơn vị α chứa 2 miền là αNTD (N-Teminal domain) và αCTD (C-Teminal domain).+1 tiểu phần β: tạo liên kết phosphodiester gắn với DNA khuôn Là tiểu phần lớn thứ 2 và được mã hóa bởi gen rpoB

+1 tiểu phần β’: chứa một phần trung tâm hoạt động và là tiểu phần lớn nhất được mã hóa bởi gen rpoC Ở khuẩn lam và ở lục lạp thì tiểu phần này sẽ được chia làm 2 tiểu phần nhỏ hơn

+1 tiểu phần ω: là tiểu phần nhỏ nhất giữ ổn định và tạo điều kiện cho quá trình phiên mã

Đối với prokaryote

• Tuy vậy, vẫn cần thêm một yếu tố nữa là tiểu phần σ sẽ gắn với core enzyme tạo ra holoenzyme, đây cũng là nhân tố sẽ gắn với promoter

và khởi đầu phiên mã Ngoài ra nhân tố σ còn làm giảm ái lực của

RNA polymerase với DNA không đặc hiệu và tăng tính đặc hiệu của các chất xúc tác khác cho phép phiên mã bắt đầu tại vị trí chính xác

• Vì vậy, nếu tính holoenzyme hoàn chỉnh sẽ có 6 tiểu phần gồm: 2 tiểu phần α, 1 tiểu phầnβ, một tiểu phần β’, một tiểu phần ω và cuối cùng

là tiểu phần σ Tổng khối lượng ~450 kDa

Đối với eukaryote

• RNA polymerase ở eukaryote sẽ không thể nhận diện trực tiếp

promoter mà phải dựa vào các factor đánh dấu sẵn điểm khởi động quá trình phiên mã

• RNA polymerase ở eukaryote cũng gồm có nhiều loại Cụ thể là 5 loại (tính cả ở động vật và thực vật) Nhưng với quá trình tổng hợp mRNA

ta sẽ đi sâu vào RNA polymerase II phiên mã tổng hợp pre-mRNA

• Ngoài tổng hợp nên pre-mRNA thì RNA P II còn tổng hợp hầu hết các snRNA và microRNA Vì vậy, đây cũng là RNA P được nghiên cứu

nhiều nhất trong các loại RNA P

• Những factor đánh dấu ở đây được gọi là các nhân tố phiên mã

(transcription factor:TF) Có 6 loại TF khác nhau đối với RNA P II gồm:

TF II D; TF II B; TF II A; TF II F; TF II E và TF II H

Đối với eukaryote

• Để nói vể các TF ta sẽ nói về chức năng cũng như trình tự bắt cặp của từng

TF vào DNA trong quá trình bắt đầu phiên mã:

+ TF II D là TF đầu tiên bắt cặp đầu tiên vào -30 TATA box vùng promoter nhờ protein TBP (TATA binding protein) Sau đó sẽ uốn cong DNA 80 o hoặc hơn giúp dễ dàng liên kết với TF II A và TF II B.

+ TF II A là TF gắn vào thứ 2 sẽ giúp gắn kết và cố định TF II D vào promoter + TF II B gắn vào tiếp theo liên kết với vùng down-stream và TATA box, giúp cho RNA P II nhận ra promoter.

+ TF II F đầu tiên sẽ gắn với RNA P II đồng thời nhận biết vị trí TF II B, TF II A

và định hướng cho RNA P II có thể bắt cặp vào promoter.

+ TF II E gắn vào vùng trước khởi động giúp TF II H nhận diện nơi gắn vào Phát ra tín hiệu chuẩn bị quá trình phiên mã cho RNA P II.

+ Cuối cùng là TF II H gắn vào cuối cùng phát ra tín hiệu khởi động quá trình phiên mã Gồm 9 tiểu phần trong đó có 2 tiểu phần có hoạt tính ATPase và helicase.

Intron và RNA splicing ở eukaryote

• Intron và exon chỉ có mặt ở eukaryote và không có ở prokaryote.

• Intron là đoạn không mang thông tin mà chỉ có exon mới mang thông tin Tuy vậy, cả intron và exon đều được mã hóa ở trên gen và intron chỉ được cắt đi trên pre-mRNA đã được phiên mã

• Ngoài eukaryote thì các đoạn intron và exon còn được tìm thấy ở một

số loại virus Chình vì điều này mà một giả thuyết về nguồn gốc của

intron là một đoạn gen nhảy (tranposon) có nguồn gốc virus Từ đó

mở ra khả năng nghiên cứu những loài virus cổ xưa

• Virus là một thực thể rất nhỏ bé, không thể để lại hóa thạch Thay vì việc nghiên cứu trực tiếp các nhà khoa học sẽ tìm dấu vết các loại

virus cổ xưa trong chính mã gen những sinh vật hiện đại từ các đoạn intron và gen nhảy Việc nghiên cứu như vậy giúp ích rất nhiều cho các lĩnh vực như y học, sinh vật học, nhân học thậm chí là sử học

• Tác dụng của các đoạn intron và exon còn có thể nói tới là việc biểu hiện tính trạng Bằng việc cắt đi các đoạn khác nhau trên cùng một pre-mRNA mà tế bào có thể tổng hợp các loại protein khác nhau

chuyên hóa cho từng loại tế bào trong cơ thể

• Tuy các intron không mã hóa thông tin nhưng những đột biến ngẫu nhiên tại intron hoặc sự xâm nhập của virus ngày nay sẽ có thể đánh thức các gen ẩn này và có thể dẫn tới ung thư

• Là một cụm gen cấu trúc liền nhau có chung một vùng promoter

• Operator là một vùng chỉ huy hay vùng vận hành trên operon nằm

ngay sát promoter Nếu có một chất thường là protein gắn vào thì

operon sẽ đóng tác nhân này được gọi là tác nhân ức chế (repressor) Tác nhân ức chế sẽ ngăn cản RNA polymerase trượt dọc trên operon

• Operon được tìm thấy rất nhiều ở prokaryote ngoài ra còn ở một số eukaryote và virus Tuy nhiên, chỉ có ở prokaryote và virus thì mRNA operon mới sinh đa cistron còn ở eukaryote chỉ có đơn cistron

• Operon sẽ mã hóa không chỉ một mà sẽ mã hóa một hệ protein mà sẽ

mã hóa một hệ protein cần thiết cho một enzyme hoặc một quá trình nào đó

Lac operonLac operon chứa thông tin mã hóa một nhóm enzyme phân giải lactose Khi tiêu thụ hết glucose sinh vật sẽ tiêu thụ sang lactose Khi galactose bắt đầu bị thủy phân thì xuất hiện lactose trong môi trường Lactose sẽ kết hợp với repressor khiến nó tách khỏi operator giúp quá trình phiên mã diễn ra hệ quả là tổng hợp nên hệ enzyme cần thiết để phân giải đường lactose.

Cảm ơn thầy cùng các bạn đã lắng nghe!