Bài giảng Sinh học phần tử - Chương 4: Quá trình phiên mã prokaryote - Nguyễn Hữu Trí

24/03/2016
1
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí1
Chương 4 
Quá trình Phiên mã ở Prokaryote
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí2
Monocistronic vs Polycistronic mRNA
24/03/2016
2
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí3
Quá trình phiên mã ở Prokaryote
• Được tiến hành bởi RNA polymerase
– Không cần primer.
– Không có khả năng đọc ngược (proofreading).
– Đọc trên khuôn DNA (DNA template) theo chiều 3’-5’ tổng hợp RNA
transcript theo chiều 5’-3’.
– Chỉ có 1 trong 2 mạch đơn của phân tử DNA được dùng làm khuôn.
– RNA polymerase quyết định việc chọn mạch khuôn bằng cách gắn
vào 1 trình tự đặc biệt trên mạch được chọn làm khuôn, trình tự đó là
promoter.
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí4
là một phức hợp của enzyme, được gọi là holoenzyme, gồm
enzyme lõi (Core enzyme) và nhân tố s.
Core enzyme: Gồm nhiều tiểu đơn vị : 
2 tiểu đơn vị  : có vai trò gắn kết các tiểu đơn vị
, ’ : trung tâm xúc tác của RNA polymerase,  liên kết với DNA khuôn, RNA
đang tổng hợp và ribonucleotide
Tiểu đơn vị thứ 5 ω không cần thiết cho sự phiên mã nhưng nó giúp ổn định
enzyme và hỗ trợ cho quá trình gắn kết các tiểu đơn vị.
Nhân tố s: đảm bảo tính đặc hiệu promoter: giảm ái lực giữa RNA pol và trình
tự DNA bất kỳ, tăng ái lực giữa RNA pol và promoter.
Holoenzyme

 ’

s+

 ’
s
Core enzyme
RNA polymerase
w w
24/03/2016
3
RNA polymerase
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí5
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí6
RNA polymerase
24/03/2016
4
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí7
Cấu trúc của Holoenzyme
• RNA polymerase holoenzyme cho thấy có một vùng
tiếp xúc rộng giữa s và tiểu đơn vị - và ’-của core.
• Cấu trúc cũng cho thấy vùng s giúp cho việc mở
kênh chính của enzyme để nhận vào dsDNA template
để hình thành phức hợp đóng promoter.
• Sau khi giúp mở kênh, s sẽ bị đẩy ra khỏi kênh chính
khi khi kênh này bị thu hẹp khi bao quanh DNA bị
tách mạch của phức hợp mở promoter.
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí8
Chức năng của yếu tố s
• Gene được chọn phiên mã nhờ có s làm
cho RNA polymerase xác định đúng và
gắn chặt lên promoter.
• Sự gắn chặt phụ thuộc vào vị trí tách
mạch của DNA để cho phép hình thành
phức hợp mở promoter.
• Sự tách s ra khỏi core sau khi đã đảm
bảo cho việc gắn chặt giữa polymerase-
promoter
24/03/2016
5
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí9
Promoter là một trình tự điều hòa trên phân tử DNA, nơi RNA
polymerase gắn vào để khởi động phiên mã.
Promoter có hai đặc điểm:
+ nằm ngay trước vùng gen mã hóa
+ hoạt động theo đúng chiều (-35, -10, +1)
Promoter
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí10
Promoter
• Có một vùng trong các promoter của vi khuẩn có tính chất rất
chuyên biệt cho sự khởi động phiên mã gồm 6-7 bp tập trung ở
10 bp đầu nguồn (upstream) từ vị trí +1 (vị trí bắt đầu phiên mã)
= vùng -10 (-10 box, hay còn gọi là Pribnow box, TATA box)
là 5’-TATAAT-3’.
• Một trình tự ngắn khác tập trung ở 35 bp đầu nguồn (upstream)
được gọi là vùng -35 (-35 box) là 5’-TTGACA-3’
• Các trình tự này là trình tự thỏa hiệp được đưa ra khi so sánh
trên hàng ngàn promoter khác nhau.
24/03/2016
6
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí11
Sự gắn RNA Polymerase
• Đầu tiên holoenzyme gắn vào
DNA một cách lỏng lẻo.
• Phức hợp lỏng lẻo liên kết tại
promoter = phức hợp đóng
promoter (closed promoter
complex), DNA ở dạng mạch
kép khép kín.
• Holoenzyme tách mạch DNA
tại promoter hình thành phức
hợp mở promoter (open
promoter complex) với
polymerase gắn chặt vào
DNA.
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí12
Quá trình phiên mã ở Prokaryote
• Các bước của quá trình phiên mã (transcription)
– Khởi đầu (Initiation)
– Kéo dài (Elongation)
– Kết thúc (Termination)
24/03/2016
7
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí13
Khởi đầu phiên mã (Initiation)
• Quá trình khởi đầu phiên mã không phải là khi RNA
polymerase hình thành liên kết phosphodiester đầu
tiên.
• Carpousis và Gralla chỉ ra rằng có một đoạn
oligonucleotide (dài 2-6 nt) được tổng hợp khi mà
RNA polymerase chưa rời đi trên DNA.
• Quá trình phiên mã có thể thất bại khi mà chuỗi
oligonucleotide khoảng 10 nt được tổng hợp.
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí14
s
Core enzyme

 ’
s
Promoter
-35 -10
RNA pol nhận biết và gắn vào
promoter nhờ nhân tố s
Phức hợp mở

 ’
s
Phức hợp đóng
rNTPs
PPi

 ’

mRNA
-RNA pol nhận biết và
gắn một cách lỏng lẻo
vào trình tự -35 tạo
thành phức hợp đóng.
-RNA pol gắn với
DNA chặt hơn để mở
xoắn tại vùng trình tự
-10, tạo thành phức
hợp mở.
Khởi đầu phiên mã (Initiation)
Holoenzyme enzyme
24/03/2016
8
Khởi đầu phiên mã (Initiation)
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí15
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí16
Khi phân tử RNA đạt chiều dài khoảng 8 nucleotide thì nhân tố s tách khỏi
phức hợp RNA pol. Sự tách rời này cần thiết cho quá trình kéo dài chuỗi
RNA.
RNAP trượt tiếp tục trên sợi DNA, tháo xoắn liên tục phân tử DNA, vùng
DNA được tháo xoắn gọi là transcription bubble dịch chuyển trên DNA
cùng với RNA polymerase.
Kéo dài (Elongation)
24/03/2016
9
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí17
Transcription bubble
• Các nucleotide thêm
vào tuần tự từng
nucleotide đây gọi là
quá trình kéo dài.
• Kích thước vùng được
tháo xoắn luôn duy trì
không đổi khoảng 17
cặp base, và xoắn lai
RNA-DNA có chiều
dài khoảng 12 cặp base.
Kéo dài (Elongation)
RNA
polymerase
Mạch DNA chứa thông tin
RNA nucleotide
3
A U G C A
U
T A G G T T
A
T C C A A
3
5
5
RNA mới hình thành
Hướng phiên mã
(“downstream”)
Mạch DNA khuôn
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí18
Kéo dài (Elongation)
• Sự kéo dài phiên mã bao gồm quá trình polymer hóa
của các nucleotide khi RNA polymerase di chuyển
dọc theo khuôn DNA (template DNA)
• Polymerase duy trì một vùng ngắn của DNA khuôn bị
tách mạch.
• DNA bị tháo xoắn ở phía trước polymerase và đóng
lại ở phía sau.
• Mạch template DNA được tháo xoắn nhờ các enzyme
topoisomerase.
24/03/2016
10
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí19
Kết thúc phiên mã (Termination)
• Khi polymerase tiến tới một terminator tại điểm
cuối của gene nó sẽ tách ra khỏi template và giải
phóng RNA
• Có hai cơ chế kết thúc (terminator)
– Chức năng kết thúc nội tại (Intrinsic) với chính RNA
polymerase không có sự giúp đỡ của các protein
khác
– Kết thúc phiên mã phụ thuộc vào một protein rho
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí20
Kết thúc phiên mã không phụ thuộc Rho
Intrinsic termination = Rho-independent termination
• Kết thúc nội tại hay không phụ thuộc rho
phụ thuộc vào hai yếu tố kết thúc:
– Một trình tự lặp đảo giàu GC theo sau ngay
một vùng giàu A trên mạch khuôn (template)
của gene
• Trình tự lặp đảo mở đường cho phân tử
transcript hình thành một cấu trúc kẹp tóc
(hairpin structure).
24/03/2016
11
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí21
Kiểu hoạt động của Intrinsic Termination
Terminator vi khuẩn hoạt động dựa vào sự bắt cặp bổ sung không bền giữa lai RNA-
DNA
o 2 trình tự đối xứng bổ sung giàu GC, khi phiên mã sẽ tạo thành cấu trúc kẹp tóc
(hairpin), cấu trúc này ổn định và ngăn không cho RNA pol tiếp tục tổng hợp.
o Nguyên nhân chính dẫn tới ngừng quá trình phiên mã là chuỗi giàu U nằm ở
downstream của hairpin, làm giảm ái lực của RNA với DNA mạch gốc. Do đó
RNA tách khỏi phức hợp phiên mã.
Kiểu hoạt động của Intrinsic Termination
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí22
24/03/2016
12
Intrinsic Termination
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí23
Intrinsic Termination
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí24
24/03/2016
13
Intrinsic Termination
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí25
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí26
Rho là một protein gồm 6
tiểu đơn vị, có 2 domain
Rho là nguyên nhân làm suy
giảm khả năng phiên mã của
RNA polymerase trong in
vitro.Sư suy giảm này là do
Rho làm kết thúc phiên mã.
Sau khi kết thúc phiên mã,
polymerase sẽ tái khỏi đầu lại
quá trình phiên mã.
Kết thúc phiên mã phụ thuộc Rho
Rho-Dependent Termination
24/03/2016
14
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí27
• Rho nhận diện một vùng trên
RNA gọi là “rut” (gồm 50-90
bp nằm phiá trước trình tự kết
thúc, giàu C và ít G)
• Rho thủy phân ATP để dịch
chuyển trên RNA với tốc độ
cao hơn RNA pol. Khi đó Rho
phân tách liên kết RNA-DNA
nhờ hoạt tính helicase. Quá
trình phiên mã kết thúc.
Kết thúc phiên mã phụ thuộc nhân tố rho
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí28
PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ Ở PROKARYOTE & 
EUKARYOTE
• RNA Pol I: phiên mã các RNA của ribosome (28S, 18S, 5.8S)
• RNA Pol II: phiên mã mRNA
• RNA Pol III: phiên mã tRNA, rRNA 5S và các RNA nhỏ khác.
RNA Polymerase ở Eukaryote
24/03/2016
15
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí29
Kết thúc phiên mã
• Cơ chế của sự kết thúc
– Có sự khác nhau giữa prokaryote và eukaryote
• Tế bào Eukaryote biến đổi RNA sau khi dịch mã
• Enzyme trong nhân của eukaryote
– Biến đổi pre-mRNA trước khi tín hiệu di truyền rời
nhân và đi vào tế bào chất.
RNA processing
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí30
24/03/2016
16
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí31
Sự biến đổi mRNA
• Mỗi đầu cuối của phân tử pre-mRNA được biến
đổi (modified) theo các cách khác nhau
– Đầu 5 được gắn chóp(cap) 7- Mehtyl- Guanylate.
– Đầu 3 nhận đuôi poly-A dài khoảng 50-250 nu
7- Mehtyl- Guanylate
Được gắn vào đầu 5
50 đến 250 adenine nucleotide
Được gắn vào đầu 3
Đoạn mã hóa protein Tín hiệu Polyadenylation
Đuôi Poly-A3 UTR
Stop codonStart codon
5 Cap 5 UTR
AAUAAA AAAAAA
TRANSCRIPTION
RNA PROCESSING
DNA
Pre-mRNA
mRNA
TRANSLATION
Ribosome
Polypeptide
G P P P
5 3
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí32
24/03/2016
17
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí33
Gene gián đoạn và RNA splicing
• RNA splicing
– Loại bỏ các intron và nối exon lại
TRANSCRIPTION
RNA PROCESSING
DNA
Pre-mRNA
mRNA
TRANSLATION
Ribosome
Polypeptide
5 Cap
Exon Intron
1
5
30 31
Exon Intron
104 105 146
Exon 3
Đuôi Poly-A
Đuôi Poly-A
Intron bị cắt ra và các
exon được nối lại với nhauĐoạn mã hóa
5 Cap
1 146
3 UTR3 UTR
Pre-mRNA
mRNA
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí34
RNA transcript (pre-mRNA)
Exon 1 Intron Exon 2
Các protein khác
Protein
snRNA
snRNPs
Spliceosome
Thành phần
Spliceosome
Intron bị cắt ra
mRNA
Exon 1 Exon 2
5
5
5
1
2
3
24/03/2016
18
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí35
Chức năng và sự tiến hóa quan
trọng của Intron
• Hiện diện trong intron
– Cho phép có khả năng biến đổi quá trình RNA 
splicing
Các loại RNA chủ yếu
• Có 5 loại RNA chủ yếu đóng vai trò quan trọng trong việc
trung gian cho việc biểu hiện gene.
– Ribosomal RNA (rRNA) là thành phần cần thiết của
ribosome.
– Messenger RNA (mRNA) là copy của trình tự DNA mã hóa
cho proetein.
– Transfer RNA (tRNA) vận chuyển aminoacid đến
ribosome.
– Small nuclear RNA (snRNA) có vai trò trong pre-mRNA
splicing,
– Small nucleolar RNA (snoRNA) có vai trò trong rRNA
processing.
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí36
24/03/2016
19
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí37
Ribonucleoprotein (RNP)
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí38
24/03/2016
20
Ribozyme
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí39
Phiên mã ngược
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí40
24/03/2016
21
Phiên mã ngược
24/03/2016 2:57:55 SA Nguyễn Hữu Trí41
24/03/2016 2:57 SA Nguyễn Hữu Trí42