Bài học

Phiên mã

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cơ chế phiên mã tạo mRNA từ mạch khuôn của gene theo nguyên tắc bổ sung, phân biệt được mạch khuôn với mạch mã hoá, và nêu được quá trình xử lí mRNA sơ khai ở sinh vật nhân thực.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em vừa học DNA nhân đôi để truyền nguyên vẹn thông tin di truyền cho tế bào con (same-grade bridge). Nhân đôi giữ nguyên thông tin, nhưng không trực tiếp tạo ra sản phẩm nào cả. Bài này học bước đầu tiên khiến thông tin trong gene THỰC SỰ được sử dụng: phiên thông tin đó từ DNA sang một phân tử trung gian là mRNA.

Khởi động

Gene nằm trong nhân tế bào, nhưng ribosome — nơi tổng hợp protein — lại nằm ở tế bào chất, bên ngoài nhân. Thông tin di truyền trong gene phải "đi" từ nhân ra tế bào chất bằng cách nào, nếu bản thân DNA không bao giờ rời khỏi nhân?

Kiến thức trọng tâm

Phiên mã là quá trình tổng hợp mRNA dựa trên một mạch của gene làm khuôn, nhờ enzyme RNA polymerase. Trong hai mạch của gene, chỉ MỘT mạch được dùng làm khuôn cho một đoạn gene nhất định, gọi là mạch khuôn (mạch gốc); mạch còn lại, gọi là mạch mã hoá, không được dùng làm khuôn nhưng có trình tự giống hệt mRNA được tạo ra, chỉ khác: mọi vị trí T trên mạch mã hoá tương ứng với U trên mRNA.

RNA polymerase trượt dọc mạch khuôn theo chiều 3' → 5', tổng hợp mRNA theo chiều 5' → 3', bắt cặp bổ sung theo quy tắc: A (mạch khuôn) với U (mRNA), T (mạch khuôn) với A (mRNA), G (mạch khuôn) với C (mRNA), C (mạch khuôn) với G (mRNA). Vì mRNA có trình tự bổ sung với mạch khuôn, nó cũng có trình tự giống mạch mã hoá — chỉ thay mọi T bằng U — nên có hai cách tương đương để suy ra mRNA: bắt cặp bổ sung với mạch khuôn, hoặc chép trực tiếp mạch mã hoá rồi đổi T thành U.

Chỉ mạch khuôn được đọc, theo chiều 3'→5'; mRNA tổng hợp theo chiều 5'→3', ngược chiều mạch khuôn.

Ở sinh vật nhân thực, phân tử mRNA vừa tạo ra — gọi là mRNA sơ khai (bản phiên mã sơ cấp) — chưa thể dùng ngay để dịch mã. Gene ở sinh vật nhân thực thường chứa xen kẽ các đoạn mã hoá (exon) và các đoạn không mã hoá (intron). Trước khi rời nhân, mRNA sơ khai phải được xử lí: các đoạn intron bị cắt bỏ, các đoạn exon còn lại được nối liền nhau, tạo thành mRNA trưởng thành, hoàn chỉnh và sẵn sàng cho quá trình dịch mã ở tế bào chất.

Một điểm đáng chú ý là cùng một gene có thể được phiên mã nhiều lần liên tiếp, tạo ra nhiều bản sao mRNA từ cùng một mạch khuôn — đây là cách tế bào khuếch đại thông tin di truyền: chỉ cần một bản gene duy nhất trong nhân, tế bào vẫn tổng hợp được rất nhiều phân tử protein cùng loại, vì mỗi phân tử mRNA lại có thể được dịch mã nhiều lần, trên nhiều ribosome khác nhau, trước khi bị phân giải. Nhờ vậy, một gene ít bản sao vẫn đủ sức chi phối lượng lớn sản phẩm protein khi tế bào cần.

Phân biệt đúng vai trò của từng mạch là chìa khoá để không nhầm lẫn khi suy ra trình tự mRNA.

Ví dụ

Suy ra trình tự mRNA từ mạch khuôn

1
Một đoạn mạch khuôn của gene có trình tự, đọc theo chiều 3'→5': 3'-TAC AAA CCA TTT ATC-5'. Xác định trình tự mRNA được tổng hợp từ đoạn mạch khuôn này.
2
RNA polymerase đọc mạch khuôn theo chiều 3'→5' và tổng hợp mRNA theo chiều 5'→3', bắt cặp bổ sung: T (khuôn) → A (mRNA), A (khuôn) → U (mRNA), C (khuôn) → G (mRNA).
3
Lần lượt: T→A, A→U, C→G, A→U, A→U, A→U, C→G, C→G, A→U, T→A, T→A, T→A, A→U, T→A, C→G.
4
Trình tự mRNA thu được, chiều 5'→3', là: AUG UUU GGU AAA UAG.
5
Vậy mRNA được tổng hợp là 5'-AUG UUU GGU AAA UAG-3' — đúng là đoạn mRNA đã dịch mã ở bài Gene và mã di truyền, chứa mã mở đầu AUG và kết thúc bằng mã UAG.

Ví dụ

Suy ra mRNA từ mạch mã hoá, và đối chiếu hai cách tính (dạng đề kiểm tra)

1
Mạch mã hoá của cùng gene ở ví dụ trên có trình tự, chiều 5'→3': 5'-ATG TTT GGT AAA TAG-3'. Suy nhanh ra trình tự mRNA từ mạch mã hoá này, rồi đối chiếu với kết quả tính từ mạch khuôn ở ví dụ trước.
2
Mạch mã hoá có trình tự giống hệt mRNA, chỉ khác duy nhất: mọi nucleotide T trên mạch mã hoá tương ứng với U trên mRNA. Không cần bắt cặp bổ sung, chỉ cần thay T bằng U.
3
5'-ATG TTT GGT AAA TAG-3' → 5'-AUG UUU GGU AAA UAG-3'.
4
Kết quả từ mạch mã hoá là 5'-AUG UUU GGU AAA UAG-3', trùng khớp hoàn toàn với kết quả tính từ mạch khuôn ở ví dụ trước — đúng như lí thuyết dự đoán, vì hai mạch của gene luôn bổ sung với nhau, nên suy ra mRNA từ mạch nào cũng phải cho cùng một kết quả.
5
Vậy dù xuất phát từ mạch khuôn (bắt cặp bổ sung) hay mạch mã hoá (thay T bằng U), kết quả mRNA đều là 5'-AUG UUU GGU AAA UAG-3' — đây cũng là cách tự kiểm tra lại bài làm khi giải đề: nếu hai cách cho hai kết quả khác nhau, chắc chắn có sai sót ở một bước bắt cặp bổ sung.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến nhất là bắt cặp bổ sung nhưng quên đổi T thành U — viết A đối diện T trên mạch khuôn thay vì U, do thói quen từ nhân đôi DNA, nơi A vẫn bắt cặp với T. Trong phiên mã, mRNA không có T, chỉ có U thay thế. Nhầm lẫn khác là tưởng mạch mã hoá cũng được dùng làm khuôn — thực ra mạch mã hoá không hề tham gia tổng hợp mRNA, nó chỉ "trùng trình tự" với mRNA một cách gián tiếp, do cả hai đều bổ sung với cùng một mạch khuôn. Một nhầm lẫn tinh vi hơn là gộp "vùng khởi động" (promoter) — nơi RNA polymerase gắn vào để BẮT ĐẦU phiên mã — với "mã mở đầu" (AUG) — bộ ba nơi ribosome bắt đầu dịch mã ở bài sau. Hai khái niệm này thuộc hai quá trình khác nhau: vùng khởi động là một trình tự DNA, còn mã mở đầu là một codon trên mRNA.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phiên mã: RNA polymerase đọc mạch khuôn 3'→5', tổng hợp mRNA 5'→3' theo nguyên tắc bổ sung (A-U, T-A, G-C, C-G). Mạch mã hoá không làm khuôn nhưng có trình tự giống mRNA, chỉ thay T bằng U. Ở sinh vật nhân thực, mRNA sơ khai phải cắt bỏ intron, nối các exon mới thành mRNA trưởng thành.

mRNA trưởng thành đã sẵn sàng rời nhân, nhưng bản thân trình tự nucleotide chưa phải là protein. Bài tiếp theo học bước cuối cùng: dịch trình tự đó thành một chuỗi amino acid thực sự, trên ribosome.