Bài giảng Sinh học phân tử - Các loại ARN

CÁC LOẠI ARN Ths. Nguyễn Thanh Tố Nhi Vì sao ADN mang thông tin di truyền, nhưng không trực tiếp chỉ huy quá trình sinh tổng hợp protein? ADN nhiễm sắc thể chỉ mang một bản sao duy nhất cho mỗi gen Các gen khác nhau sẽ biểu hiện khác nhau Việc biểu hiện gen cần đáp ứng các điều kiện môi trường Cần cơ chế trung gian để khuếch đại và kiểm soát sự biểu hiện gen theo nhu cầu TB KHÁI NIỆM ARN Là phân tử trung gian trong quá trình biểu hiện gen Sản phẩm của phiên mã Được tổng hợp trong nhân (eukaryote), vào TBC tham gia tổng hợp Protein ARN C Á C L O Ạ I A R N ARN  Mạch đơn polyribonucleotid (trừ ARN 1 số virus)  Đường ribose (5C), gốc phosphat Các base nitơ: Adenin, Guanin, Cytosin và Uracil ARN 4Tham gia cấu tạo ribosom: rARN Vận chuyển acid amin đến ribosom trong quá trình sinh tổng hợp protein: tARN Trung gian truyền thông tin di truyền đến bộ máy sinh tổng hợp protein: mARN (ARN mã hóa) Chất xúc tác RNAse P  ARN tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein VAI TRÒ ARN CÁC LOẠI ARN mRNA – messenger RNA - ARN thông tin rRNA – ARN ribosom tRNA – transfer RNA - ARN vận chuyển Pre-rRNA (tiền rARN): sau khi được cắt nối sẽ thành rARN hnRNA – tiền mRNA: heterogeneous nuclear RNA - ARN nhân không đồng nhất snRNA – small nuclear - ARN nhân nhỏ scRNA – small cytoplasmic - ARN tế bào chất nhỏ ARN CÁC ARN rRNA – ARN ribosom Chiếm 75% ∑ARN Là thành phần cấu tạo ribosom Có 3 loại ribosom, phân biệt dựa vào hệ số lắng (Svedberg): VK, lục lạp: 70S Tế bào nhân thật: 80S Ty thể động vật có vú: 50S CÁC ARN rRNA – ARN ribosom Vai trò: cấu tạo nên ribosom: Gồm 2 tiểu đơn vị Có thể tách ra ([Mg2+] giảm)và gắn lại ([Mg2+] tăng) tùy [Mg2+] Tiểu đơn vị: rARN + protein CÁC ARN rRNA của tế bào nhân nguyên thủy và tế bào nhân thật rRNA – ARN ribosom CÁC ARNrRNA – ARN ribosom Tế bào Ribosom Tiểu đơn vị rARN Protei n Nhân nguyên thủy 70S Lớn 50S 23S 5S 31 Nhỏ 30S 16S 21 Nhân thật 80S Lớn 60S 28S 5,8S 5S 49 Nhỏ 40S 18S 33 CÁC ARN Cấu trúc của rARN Cấu trúc bậc 1: metyl hóa nucleotit, xảy ra sau phiên mã biến đổi bản sao sơ cấp của rARN S-Adenosyl Methionin (SAM) + rARN metyl-rARN rARN TBNNT & các bào quan: metyl hóa ở base khởi đầu (5- methylcytosin) rARN TBC TBNT: metyl hóa vị trí 2’-ribose (2’ – O- methyladenosyl) Vị trí methyl hóa được bảo tồn rRNA – ARN ribosom ARN methylase CÁC ARN Cấu trúc của rARN rRNA – ARN ribosom Cấu trúc bậc 2: vai trò trong lắp ráp ribosom, lưu trữ tốt trong quá trình tiến hóa 8ARN ribosom E.coli Sự biến đổi Pre-rARN rARNRNAse III 11 ITS: internal transcribed spacer ETS: external transcribed sequence ARN ribosom TBNT Sự biến đổi Gen mã hóa cho rARN có nhiều bản sao tRNA – ARN vận chuyển CÁC ARN Là chất nối trung gian, gắn với aminoacid, mang đến ribosom gắn với mARN để tổng hợp protein Mỗi tARN chỉ vận chuyển 1 aminoacid xác định (vì trên tARN chỉ có 1 vị trí gắn aa) Mỗi aminoacid được vận chuyển bởi 1 số tARN khác nhau (codon đồng nghĩa) tRNA – ARN vận chuyển CÁC ARN CÂU HỎI: 1 loại tARN có thể mang nhiều loại aa khác nhau? Mỗi aa được vận chuyển bởi 1 tARN? Phản ứng chủ yếu trong sinh tổng hợp Protein Aminoacyl hóa: tARN + aminoacid aminoacyl - tARN Formyl hóa tARN mở đầu (Prokaryote) Gắn những yếu tố nối dài Gắn ribosom Nhận diện codon - anticodon aminoacyl-tARN synthetase tRNA – ARN vận chuyển CÁC ARN Cấu trúc: Chiều dài: 73 – 93 nucleotit Gấp cuộn thành cấu trúc “lá chẻ 3” Vị trí gắn acid amin: đầu 3’OH - trình tự kết thúc CCA Vòng anticodon Vòng DHU: nhận diện aminoacyl tARN synthetase Vòng T ψC tRNA – ARN vận chuyển CÁC ARN tRNA – ARN vận chuyển CÁC ARN Sự biến đổi Có nhiều bản sao của gen tARN trên NST Được phiên mã thành pre-tARN pre-tARN tARN RNAse P Biến đổi base mRNA – ARN thông tin CÁC ARN Mang thông tin quy định trình tự protein đến ribosom mARN nguyên vẹn của Prokar & Eukar chứa trình tự Nu nhiều hơn số được dùng để mã hóa Protein Cấu trúc: Vùng 5’ không mã hóa – 5’UTR Vùng mã hóa Vùng 3’ không mã hóa – 3’UTR UTR: untranslated region Thời gian tồn tại ngắn: Prokar: 2’, Eukaryote: 30’ – 24h UTR: giúp ARN tồn tại lâu hơn trong TBC trước khi bị thoái hóa tổng hợp nhiều Pro hơn , thúc đẩy dịch mã hiệu quả hơn mRNA – ARN thông tin CÁC ARN Sự biến đổi mARN tế bào nhân thật Xảy ra sau khi phiên mã hoàn tất Gắn chóp đầu 5’ Gắn đuôi đầu 3’ Cắt, nối mRNA – ARN thông tin CÁC ARN Biến đổi đầu 5’: Giai đoạn gắn chóp Biến đổi các đầu 5’, 3’ CÁC ARN Bảo vệ ARN Vị trí để ribosom nhận diện gắn vào khi dịch mã Gắn Guanin vào đầu 5’ nhờ E. guanintransferase CÁC ARN Chóp 0: ở G7, xảy ra ở tất cả mARN nhân thật Chóp 1: ở 2’-OH đường ribose của nucleotid đầu tiên, xảy ra ở hầu hết mARN nhân thật Chóp 2: ở nucleotid thứ 2, tỉ lệ 10-15%. Giai đoạn gắn chóp Phản ứng methyl hóa chóp xảy ra theo 1 trong 3 cách Đuôi poly A (50 – 250 base ở ĐVCV, 100 base ở NM) gắn vào pre-mARN có trình tự nhận diện AAUAAA nhờ poly A polymerase  Vai trò: bảo vệ ARN, vận chuyển mARN từ nhân ra TBC, vòng hóa mARN giúp tái sử dụng ribosom Biến đổi đầu 3’ – gắn đuôi polyA CÁC ARN 20 Bản sao nguyên thủy giống ADN: gồm intron và exon  Exon mang mã di truyền của protein  Intron xen giữa các exon Cắt nối để loại bỏ intron, nối các exon Xúc tác bởi ARN (snRNP = protein + snARN) Nguyên tắc cắt nối pre-mARN: GU - AG GU luôn tận cùng đầu 5’ của intron: vị trí cho AG luôn tận cùng đầu 3’ của intron: vị trí nhận Vị trí nhánh UACUAAC ở nấm men hay 1 trình tự chung ít bảo tồn ở intron của ĐV có vú Quá trình cắt, nối 21 Quá trình cắt, nối CÁC ARN  Nhân nguyên thủy:  mARN là polycistron  Dịch mã xảy ra ngay khi đang phiên mã  mARN có tuổi đời ngắn (2 phút)  Hầu như không bị biến đổi  Nhân thật  mARN là monocistron  Dịch mã xảy ra sau khi phiên mã hoàn tất  mARN có tuổi đời dài (30 phút - 24 giờ)  Pre-mARN bị biến đổi: · Gắn chóp · Gắn đuôi · Cắt nối So sánh mARN TBNT & TBNNT CÁC ARN mARN ngược CÁC ARN Trình tự bổ sung với trình tự mARN Ngăn cản dịch mã ADN ARN PROTEIN mARN ngược CÁC ARNCác snARN & các scARN Ở tế bào nhân thật Phức hợp với các Pro đặc hiệu tạo nên các hạt ribonucleoprotein (RNP): snRNP, scRNP, dài ≈ 90 – 300 Nu Spliceosom: các snRNP, biến đổi pre-mRNA thành mARN 7 loại snRNP U1 – U7.U1, U2 : sửa đổi hnARN thành mARN hoàn chỉnh, U3: sửa đổi pre-rARN thành rARN TBC. ARN có khả năng xúc tác: ribozym CÁC ARNCác snRNA & các scARN scRNP liên quan đến việc xử lý tín hiệu xuất và xuất protein vào lưới nội chất SỰ PHIÊN MÃ & MÃ DI TRUYỀN 5' 3' 5'3' mRNA 5'mRNA 3' 5'mRNA 3' 5'mRNA 3' 3' DNA 5' DNA 5'-GTCACCCATGGAGG-3' Sợi không phiên mã 3'-CAGTGGGTACCTCC-5' Sợi phiên mã (khuôn) 5'-GUCACCCAUGGAGG-3' mRNA SỰ PHIÊN MÃ Nguyên tắc chung Đa số chỉ 1 trong 2 mạch ADN được phiên mã: phiên mã bất đối xứng ARN polymerase phụ thuộc ADN bám vào ADN làm tách mạch, di chuyển theo hướng 3’ – 5’ trên ADN, ARN được tổng hợp theo hướng 5’  3’ Không cần mồi Cơ chất: ribonucleotide-5’triphosphate ATP, GTP, CTP, UTP Co-factor: Mg2+ hoặc Mn2+  ARN polymerase không có hoạt tính sửa sai (tuổi thọ ARN ngắn, nếu PM sai không di truyền được) SỰ PHIÊN MÃ Nguyên tắc chung Đặc điểm phiên mã ở tế bào nhân nguyên thủy  Chỉ một loại ARN polymerase tổng hợp tất cả các loại ARN.  mARN thường chứa thông tin nhiều gen nối tiếp nhau (polycistron mARN).  Phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời. ARN polymerase của E.coli Toàn bộ enzym đgl holoenzym chứa các tiểu đơn vị α2ββ’σ σ: nhận diện, định hướng vào promoter, được tách ra thuận nghịch từ holoenzym ααββ’σ ααββ’ + σ PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ Kéo dài chuỗi ARN Nhận diện, gắn vào promoter, khởi động PM Promoter: trình tự /ADNkhởi động phiên mã Vùng -10: Hộp Pribnow, hộp TATA (TATAAT) Vùng -35: TTGACA, gắn khởi đầu ARN polymerase Vị trí bắt đầu PM (+1): 1 base purin thuộc trình tự TAC PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ Promoter Promoter - 35 - 10 Điểm xuất phát Consensus lac P Gal P1 (ức chế đồng hoá) Gal P2 (ức chế dị hoá) AraC AraBAD Trp TTGACA TTTACA18 bp  GTCAC 16 CTGACA 17 CTGACG 18 TTGACA 17 TATAAT TATGTT TATGGT TATGCT TGTCA T TACTG T TTAACT  6 bp A 6 A 6 A 6 G 8 A 7 A Sai lệch nhỏ so với trình tự chung Kiểm soát tần suất khởi động phiên mã Yếu tố điều hòa phiên mã chính ở vi khuẩn PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ Khởi đầu PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ Holoenzyme ARN polymerase (yếu tố σ) gắn vào promoterphức hợp khởi động đóng Phức hợp đóng bị cắt liên kết hydro  phức hợp mở tạo bong bóng phiên mã. ARN pol chỉ bắt đầu tổng hợp mARN từ vị trí +1 có base thuộc trình tự TAC sau chỗ bám về phía đầu 5’ Nối dài chuỗi ARN NTP đầu tiên được kết nối, hình thành cặp base tại +1 ARN di chuyển dọc ADN theo chiều 3’  5’, kéo dài mạch ARN do hình thành liên kết phosphodiester giữa Nu mới và mạch đang được tổng hợp Kết dính được 12 Nu vào chuỗi σ tách ra, đầu 5’ mARN tách khỏi ADN PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ Kết thúc Độc lập yếu tố ρ Điểm kết thúc (terminator): Trình tự giàu GC/ADN (đối xứng 2 bên, kèm thêm 5 – 6 Adenin) PHIÊN MÃ Ở TBNNT Liên kết yếu giữa oligoA-oligoU giúp ARN tách khỏi ADN •Trình tự kết thúc /ADN được phiên mã  Tạo cấu trúc kẹp tóc Kết thúc Độc lập yếu tố ρ PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ Cần nút kẹp tóc, không cần oligo A /ADN ρ là 1 protein gồm 6 tiểu đơn vị giống nhau, ái lực cao với ARN Nhận diện trình tự giàu C, nghèo G ρ gắn vào ARN, dùng hoạt tính helicase (thủy giải ATP) tách ARN ra khỏi ADN Kết thúc Phụ thuộc yếu tố ρ PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ PHIÊN MÃ Ở TBNNT SỰ PHIÊN MÃ PHIÊN MÃ TB NHÂN THẬT Xảy ra trong nhân Nhiều loại enzym ARN polymerase Cơ chế tương tự TB nhân nguyên thủy nhưng phức tạp hơn: Bản phiên mã đầu tiên pre-ARN phải qua biến đổi  dịch mã Loại Vị trí Phiên mã ARN polymerase I Nhân con rARN ARN polymerase II Dịch nhân mARN ARN polymerase III Dịch nhân tARN, 5S rARN, snARN, scARN Phiên mã do ARN polymerase II ARN pol không trực tiếp gắn vào promoter Các yếu tố phiên mã nhận diện promoter  khởi động phiên mã  ARN pol gắn vào vị trí xuất phát mARN chứa thông tin của 1 gen (monocistron) Phiên mã hoàn tất biến đổi mARN  dịch mã PHIÊN MÃ Ở TBNT SỰ PHIÊN MÃ Phiên mã do ARN pol II Promoter Hộp TATA (hộp Goldberg-Hogness): TATAAT, vị trí -25, định hướng cho ARN polymerase bắt đầu phiên mã Hộp CAAT: GGCAATCT, vị trí -80 Hộp GC: GGGCCGGG, vị trí thay đổi PHIÊN MÃ Ở TBNT SỰ PHIÊN MÃ Biến đổi sau phiên mã PHIÊN MÃ Ở TBNT SỰ PHIÊN MÃ Phiên mã do ARN pol II Sau phiên mã pre-mARN (hn ARN không đồng nhất) Gắn chóp đầu 5’ (CAP) là 7-methylguanosine Đuôi polyadenin dài 100-200 nucleotid đầu 3’ Cắt nối: loại intron, nối exon Giống nhau Có nhiều protein liên quan Có điểm khởi đầu xác định Có ba giai đoạn: khởi đầu, nối dài, kết thúc Sự phiên mã khác với sao chép: Có vị trí khởi đầu biến thiên Không cần có đoạn mồi Chỉ có một sợi ADN làm khuôn mẫu Điểm kết thúc được xác định trước PHIÊN MÃ – SAO CHÉP SỰ PHIÊN MÃ PHIÊN MÃ NGƯỢC Ở RETROVIRUS Vật liệu di truyền: ARN mạch đơn(vd: HIV) Tổng hợp ADN từ ARN khuôn: enzym phiên mã ngược (reversetranscriptase) Cần mồi: tARN tế bào chủ, gắn vào 3’-retrovirus Tạo chuỗi lai ARN-ADN RNAse H hủy ARN virus Tổng hợp chuỗi kép ADN, tích hợp vào ADN ký chủ SỰ PHIÊN MÃ PHIÊN MÃ NGƯỢC Ở RETROVIRUS SỰ PHIÊN MÃ MÃ DI TRUYỀN Codon = đơn vị mã hóa: 3 nucleotid kế tiếp nhau Codon vô nghĩa (không mã hóa cho aa) = codon kết thúc: UAA, UAG, UGA Codon đồng nghĩa: mã hóa cho cùng 1 aa Tính suy thoái: 1 aa có nhiều codon mã hóa, trừ methionin & tryptophan 1 codon chỉ mã hóa cho 1 loại aa Tính phổ biến cho tất cả SV MÃ DI TRUYỀN Bản sao ARN có thể được biến đổi  Xảy ra sau khi phiên mã hoàn tất  Được kiểm soát bởi trình tự gen  Xảy ra đối với tất cả mARN ở eukaryote  Chỉ xảy ra với tARN và rARN ở vi khuẩn  Cần thiết để ARN có chức năng đúng