Thông tin về RNA

RNA thông tin là một dạng RNA mang bộ ba mã di truyền được tổng hợp trực tiếp từ gen trên DNA trong nhân, ra ngoài vùng nhân làm khuôn mẫu mã tổng hợp chuỗi polypeptit.

Về mặt chức năng, RNA thông tin hoạt động như một bản sao của thông tin di truyền gốc từ gen, nghĩa là nó chuyển giao thông tin để tạo thành protein theo thiết kế từ gen quy định. Do đó, nó cũng được gọi là RNA truyền thông hay RNA dẫn truyền thông tin.

Khái niệm này được dịch từ thuật ngữ tiếng Anh: messenger RNA và được viết tắt trong giáo dục sinh học là mARN.

Sự tồn tại của mRNA đã được Francis Crick dự đoán từ khoảng năm 1954 - 1955, sau khi ông và James Watson phát hiện ra mô hình DNA, ông cho rằng phải có một chất trung gian từ DNA đến Prôtêin. Do đó, nó cũng được gọi là RNA trung gian.

Phân tử mRNA được miêu tả lần đầu tiên vào năm 1956 bởi hai nhà khoa học Elliot Volkin và Lazarus Astrachan.

Đặc điểm cơ bản

• mRNA chỉ bao gồm một chuỗi pôlyribônuclêôtit (hình 1), hay còn gọi là có cấu trúc mạch đơn.
• mRNA mang thông tin di truyền để quy định amino acid, là loại RNA có khả năng mã hoá (trong khi các loại RNA khác như rRNA thì không có tính chất này).
• mRNA là bản sao mã hóa từ gen cấu trúc (cistron), có trình tự pôlyribônuclêôtit giống như trình tự pôlyđêôxiribônuclêôtit của mạch mã gốc của gen, chỉ khác chỗ U thay cho T.
• mRNA là bản 'khuôn' để dịch mã, trực tiếp quy định vị trí của các axit amin trong chuỗi pôlypeptit (prôtêin bậc I).

'Vòng đời' của một RNA thông tin

Vòng đời của một phân tử RNA thông tin bắt đầu từ quá trình phiên mã và kết thúc khi bị phân hủy bởi enzyme RNase. Trong quá trình này, RNA thông tin có thể được biên tập, chỉnh sửa và vận chuyển trước khi thực hiện quá trình dịch mã. RNA thông tin của sinh vật nhân chuẩn thường phải trải qua nhiều quá trình biên tập và vận chuyển phức tạp hơn so với ở tế bào sinh vật nhân sơ.

Phiên mã

Trong quá trình phiên mã, trình tự nucleotide từ các gen trên DNA được sao chép thành phân tử RNA thông tin nhờ hoạt động của enzyme RNA polymerase. Quá trình này tương tự ở cả tế bào sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn. Một điểm khác biệt đáng chú ý là ở sinh vật nhân chuẩn, RNA polymerase kết hợp với một số enzyme tham gia vào quá trình biên tập RNA thông tin, cho phép quá trình này diễn ra ngay từ khi bắt đầu phiên mã. Phân tử RNA thông tin ban đầu gọi là pre-mRNA, khi hoàn thành quá trình biên tập thì được gọi là RNA thông tin trưởng thành và có tuổi thọ ngắn.

Biên tập

Quá trình biên tập RNA thông tin khác biệt rõ rệt giữa sinh vật nhân chuẩn và nhân sơ. RNA thông tin của sinh vật nhân sơ thường không cần quá trình biên tập sau khi phiên mã (ngoại trừ vài trường hợp hiếm). Trái lại, RNA thông tin của sinh vật nhân chuẩn đòi hỏi phải trải qua nhiều quá trình biên tập.

Quá trình tiền RNA thông tin ở sinh vật nhân chuẩn

1. Cộng gốc 5' là quá trình thêm nucleotid guanin vào đầu 5' của tiền RNA thông tin. Quá trình này quan trọng cho việc nhận diện và kết nối chính xác của RNA thông tin với ribosome. Nó cũng quan trọng đối với quá trình ghép nối và vận chuyển.
2. Vận chuyển là quá trình tiền RNA thông tin được sửa đổi để loại bỏ các đoạn không mã hóa, được gọi là intron, và giữ lại các đoạn mã hóa protein, gọi là exons. Tiền RNA thông tin được vận chuyển qua nhiều đường khác nhau, cho phép một gene đơn có thể mã hóa nhiều protein, quá trình này được gọi là vận chuyển liên tục. Quá trình vận chuyển thường được thực hiện bởi một phức hợp gọi là spliceosome, nhưng các phân tử RNA cũng có khả năng làm chất xúc tác cho chính quá trình vận chuyển của chúng.
3. Polyadenylation là quá trình liên kết không phân cực của một chuỗi polyadenylyl với một phân tử RNA. Ở sinh vật nhân chuẩn, polyadenylation là quá trình mà phần lớn RNA thông tin kết thúc với chuỗi 3' poly(A). Các đuôi poly(A) trong RNA thông tin giúp nó ổn định và bảo vệ khỏi exonucleases. Polyadenylation cũng quan trọng cho quá trình kết thúc phiên mã và cho phép RNA thông tin ra khỏi hạt nhân để dịch mã.
4. Polyadenylation diễn ra trong và sau quá trình phiên mã từ DNA sang RNA. Khi phiên mã kết thúc, RNA thông tin hình thành được phân rã bởi một endonuclease liên kết với RNA polymerase. Vị trí phân rã được xác định bởi sự xuất hiện của chuỗi gốc AAUAAA gần vị trí phân rã. Sau khi RNA thông tin được phân rã, 80 đến 250 adenin còn lại được thêm vào các đầu tự do 3' ở vị trí phân rã.
5. Một chuỗi adenin (khoảng vài trăm nucleotid) được thêm vào các đầu 3' của tiền RNA thông tin nhờ hoạt động của enzyme polyadenylate (polyA) polymerase. Chuỗi đuôi polyA được gắn vào bản sao cuối cùng chứa các chuỗi đặc biệt được ký hiệu là AAUAAA. Sự quan trọng của ký hiệu AAUAAA được chứng minh bởi các thay đổi trong mã hóa chuỗi DNA (AATAAA), dẫn đến sự thiếu hụt erythrocyte. Polyadenylation làm tăng quá trình sao chép trong quá trình sao chép, làm cho các bản sao cuối cùng dài hơn trong tế bào và dẫn đến việc dịch mã nhiều hơn, tạo ra nhiều protein hơn.

Biên tập

Trong một số trường hợp, RNA thông tin có thể được biên tập lại, trong đó thành phần nucleotide của nó bị thay đổi. Một ví dụ trong cơ thể người là RNA thông tin apolipoprotein B, nơi mà nó được biên tập lại ở một số mô nhưng không phải tất cả. Sửa đổi này làm giảm sớm quá trình mã hóa của ba gen, dẫn đến sự sản xuất protein ngắn hơn.

Vận chuyển

Sự khác biệt khác giữa các sinh vật nhân chuẩn và nhân sơ là trong quá trình vận chuyển RNA thông tin. Vì sự phiên mã và dịch mã diễn ra tách biệt trong không gian tế bào, mRNA trưởng thành của sinh vật nhân chuẩn phải được chuyển từ nơi tổng hợp đến tế bào chất qua các lỗ nhân tới tế bào.

Quá trình dịch mã

RNA thông tin không nhất thiết phải được chế biến hay vận chuyển, ribosome có thể bắt đầu dịch mã ngay sau khi phiên mã hoàn tất. Vì vậy, quá trình dịch mã ở sinh vật nhân sơ diễn ra đồng thời với quá trình phiên mã, được gọi là 'kép' và 'cùng sao chép'.

RNA thông tin của sinh vật nhân chuẩn sau khi qua quá trình chế biến và vận chuyển tới tế bào chất (mRNA trưởng thành) có thể được dịch mã bởi ribosome. Quá trình dịch mã xảy ra tại ribosome, có thể nằm trôi nổi trong chất nền hoặc nằm trong mạng lưới nội chất. Khác với sinh vật nhân sơ, quá trình dịch mã của sinh vật nhân chuẩn không đồng thời với quá trình phiên mã.

Quá trình phân hủy

Sau một khoảng thời gian nhất định, các RNA thông tin sẽ phân hủy thành các thành phần nucleotide của chúng, thường được thực hiện bởi các enzyme RNase. Trong quá trình xử lý RNA thông tin, RNA của các sinh vật nhân chuẩn được tổng hợp một cách ổn định hơn so với RNA của các sinh vật nhân sơ.

Cấu trúc của RNA thông tin

Vùng mã hóa của RNA

Các vùng mã hóa bao gồm các chuỗi ba nucleotide được gọi là codon, chúng được giải mã và dịch thành protein bởi ribosome. Các vùng mã hóa bắt đầu với một codon khởi đầu và kết thúc với một trong ba codon dừng. Trong quá trình mã hóa protein, các thành phần của các vùng mã hóa vẫn hoạt động như các chuỗi thông thường khác (xem exonic splicing enhancers, exonic splicing silencers).

Vùng không mã hóa

Các đoạn RNA trước và sau các chuỗi khởi động và dừng của nó không tham gia vào quá trình dịch mã. Chúng được tạo ra từ các sợi DNA mẫu khi RNA được sao chép. Những vùng này được gọi là 5' UTR và 3' UTR, nơi mà DNA và RNA di chuyển từ gốc 5' đến gốc 3' và nằm ở cuối chuỗi RNA, không mã hóa protein. Tuy nhiên, vùng 5' UTR và 3' UTR có thể tương tác với các enzyme RNase nhất định, làm tăng hoặc giảm sự ổn định của phân tử RNA. Các UTRs này có thể kéo dài tuổi thọ của RNA trong tế bào, làm cho chúng sản xuất nhiều protein hơn. Trong khi đó, RNA khác có thể bị phân hủy sớm hơn, dẫn đến vòng đời ngắn hơn và sản xuất ít protein hơn.

Một số chức năng cơ bản trong vùng không mã hóa tạo thành cấu trúc bậc II khi được phiên mã thành RNA. Những RNA cấu trúc này được tích hợp vào RNA thông thường. Ví dụ, SECIS là một loại RNA cấu trúc cơ bản đóng vai trò trong tổng hợp protein. Riboswitch, một dạng khác của RNA cấu trúc cơ bản, có khả năng tương tác với các phân tử nhỏ, thay đổi cấu trúc để điều chỉnh quá trình phiên mã hoặc dịch mã. Trong những trường hợp này, RNA tự điều chỉnh sửa mình.

RNA đối mã (anti-sense RNA)

RNA đối mã có thể ngăn chặn quá trình dịch mã của gen trong nhiều sinh vật nhân chuẩn bằng cách liên kết với RNA của gen. Điều này có nghĩa là một gen không thể biểu hiện thành protein nếu nó bị tác động bởi RNA đối mã trong tế bào. Đây có thể là một cơ chế bảo vệ để chống lại quá trình di chuyển gen ngược, mà sử dụng RNA kép làm trạng thái trung gian, hoặc virus, bởi vì cả hai đều sử dụng RNA mẫu kép như một phương tiện trung gian. Trong nghiên cứu sinh học, hiện tượng này được sử dụng để nghiên cứu chức năng gen, ví dụ như làm im lặng các gen nghiên cứu bằng cách cung cấp thêm RNA đối mã. Những nghiên cứu này đã được thực hiện trên giun.