Nội dung
Tổng quan về ARN
Axit Ribonucleic (ARN) là một phân tử có trong phần lớn các sinh vật sống và virus.
ARN được tạo thành từ các nucleotide, là các loại đường ribose gắn với các bazơ nitơ và các nhóm phốt phát. Các bazơ nitơ bao gồm Adenine, Guanine, Uracil và Cytosine.
ARN chủ yếu tồn tại ở dạng chuỗi đơn, nhưng có những virus ARN đặc biệt ở dạng chuỗi kép.
Phân tử ARN có thể có nhiều chiều dài và cấu trúc khác nhau. Virus RNA sử dụng ARN thay vì ADN làm vật liệu di truyền và có thể gây ra nhiều bệnh ở người.
Phiên mã là quá trình hình thành ARN từ ADN.
Dịch mã là quá trình tổng hợp protein từ RNA. Phương tiện tổng hợp RNA và cách thức hoạt động của nó khác nhau giữa sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ. Các phân tử RNA cụ thể cũng điều chỉnh biểu hiện gen và có tiềm năng đóng vai trò là tác nhân điều trị các bệnh ở người.
Các loại ARN
Có 3 loại ARN chính tham gia vào quá trình tổng hợp protein, bao gồm:
- ARN thông tin (mRNA)
- ARN vận chuyển (tRNA)
- ARN ribosome (rRNA)
mRNA
mRNA được phiên mã từ ADN và chứa bản thiết kế di truyền để tạo ra protein.
mRNA nhân sơ không cần xử lý và có thể tiến hành tổng hợp protein ngay lập tức.
Ở sinh vật nhân chuẩn, bản phiên mã ADN mới được phiên mã được coi là tiền mRNA và cần trải qua quá trình trưởng thành để hình thành mRNA.
Pre-mRNA chứa các vùng không mã hóa và mã hóa được gọi lần lượt là intron và exon. Trong quá trình xử lý tiền mRNA, các intron được ghép nối và các exon được nối với nhau.
Mũ 5’ được gọi là 7-methylguanosine được thêm vào đầu 5’ của bản phiên mã RNA và đầu 3’ được polyadenylat hóa.
Polyadenylation đề cập đến quá trình đuôi poly(A), là một chuỗi các nucleotide adenine, được thêm vào bản phiên mã. Mũ 5’ bảo vệ mRNA khỏi bị phân hủy và đuôi 3’ poly(A) góp phần vào sự ổn định của mRNA và hỗ trợ nó vận chuyển.
Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu mRNA như một phương pháp điều trị chống ung thư do khả năng sửa đổi tế bào của nó.
tRNA
tRNA là các phân tử ARN dịch mRNA thành protein. Chúng có cấu trúc lá cỏ ba lá bao gồm vị trí nhận 3′, đầu 5′ photphat, nhánh D, nhánh T và nhánh anticodon.
Chức năng chính của tRNA là vận chuyển các axit amin ở vị trí chấp nhận 3’ của nó đến phức hợp ribosome với sự trợ giúp của aminoacyl-tRNA synthetase.
Aminoacyl-tRNA synthetase là các enzyme nạp axit amin thích hợp vào tRNA tự do để tổng hợp protein.
Khi một axit amin liên kết với tRNA, tRNA được coi là aminoacyl-tRNA. Loại axit amin trên tRNA phụ thuộc vào codon mRNA, là một chuỗi gồm ba nucleotide mã hóa cho một axit amin. Nhánh anticodon của tRNA là vị trí của anticodon, nó bổ sung cho codon mRNA và quyết định loại axit amin nào sẽ mang theo.
tRNA cũng điều chỉnh quá trình apoptosis bằng cách hoạt động như một chất dọn dẹp cytochrome C.
rRNA
rRNA tạo thành ribosome, rất cần thiết trong quá trình tổng hợp protein.
Ribosome chứa tiểu đơn vị ribosome lớn và nhỏ.
- Ở sinh vật nhân sơ, tiểu đơn vị ribosome nhỏ 30S và lớn 50S tạo nên ribosome 70S.
- Ở sinh vật nhân chuẩn, tiểu đơn vị 40S và 60S tạo thành ribosome 80S.
Các ribosome chứa một vị trí lối ra (E), peptidyl (P) và nơi chấp nhận (A) để liên kết các aminoacyl-tRNA và liên kết các axit amin với nhau để tạo ra các polypeptide.
Thành phần cấu tạo của ARN
Cấu trúc chính của ARN bao gồm các nucleotide được gắn bằng liên kết phosphodiester 5′-3′ giữa các loại đường ribose.
Ribose có công thức phân tử C5H10O5 và có dạng D-ribose tự nhiên và dạng L-ribose ít phổ biến hơn. Ký hiệu D và L đề cập đến vị trí nhóm hydroxyl.
Các bazơ nucleotide bao gồm Adenine, Guanine, Cytosine và Uracil.
Hai liên kết hydro hình thành giữa Adenine và Uracil, trong khi ba liên kết hình thành giữa Cytosine và Guanine.
Sự ghép cặp bazơ thông qua liên kết hydro là cơ sở của cấu trúc bậc hai của ARN.
Cấu trúc bậc III của ARN là kết quả của quá trình gấp ARN, tạo ra hình dạng ba chiều bao gồm các vòng xoắn và rãnh.
ARN khác với ADN ở chỗ nó chứa Uracil nucleotide thay vì Thymine và mang nhóm hydroxyl 2’ thay vì hydro 2’.
Do sự tương tác với môi trường dung môi, nhóm 2’ hydroxyl góp phần tạo nên cấu trúc ARN.
Quá trình phiên mã tổng hợp ARN
RNA polymerase tổng hợp ARN từ ADN thông qua một quá trình gọi là phiên mã.
Ở sinh vật nhân sơ, một RNA polymerase duy nhất xúc tác phiên mã cho tất cả các loại ARN.
Ở sinh vật nhân chuẩn, có nhiều loại RNA polymerase khác nhau, mỗi loại chịu trách nhiệm tổng hợp một ARN cụ thể.
- RNA polymerase I tổng hợp rRNA.
- RNA polymerase II tạo ra mRNA
- RNA polymerase III tạo ra tRNA
Để bắt đầu phiên mã, enzyme RNA polymerase liên kết với vùng khởi động trên ADN và chuỗi xoắn kép ADN sẽ tách ra thành chuỗi mẫu và chuỗi không mã hóa.
Trong quá trình phiên mã, RNA polymerase sử dụng chuỗi khuôn ADN 3′-5′ để tổng hợp chuỗi ARN 5′-3′ với các nucleotide bổ sung.
Chuỗi ARN mới được tổng hợp gần giống với chuỗi ADN không mã hóa ngoại trừ Uracil thay thế Thymine.
Ở sinh vật nhân chuẩn, mỗi RNA polymerase có một cơ chế duy nhất để kết thúc quá trình phiên mã. Ví dụ, RNA phiên mã RNA polymerase II có vị trí poly(A) AAUAAA tuyển dụng một nhóm yếu tố để phân tách bản phiên mã.
RNA prokaryotic trải qua quá trình chấm dứt phụ thuộc vào Rho hoặc độc lập với Rho. Trong trường hợp chấm dứt phụ thuộc vào Rho, helicase yếu tố Rho liên kết với các vị trí giàu C trên ARN và quá trình thủy phân ATP giúp Rho giải phóng phức hợp ADN-ARN và giải phóng bản phiên mã ARN.
Mặt khác, quá trình chấm dứt độc lập với Rho sử dụng một vòng kẹp tóc khiến RNA polymerase ngừng hoạt động và cho phép giải phóng bản phiên mã ARN.
Đột biến trong phân tử ARN
Mối quan tâm lớn nhất là đột biến ARN, có thể phá vỡ hoạt động bình thường của ARN và gây ra các bệnh có khả năng đe dọa tính mạng.
Lỗi ARN có thể là kết quả của các khiếm khuyết trong phức hợp ribonucleoprotein, bản thân ARN, các protein liên kết ARN hoặc bất kỳ yếu tố lắp ráp ARN nào.
Chứng loạn dưỡng cơ là một bệnh thần kinh cơ gây ra bởi sự lặp lại nucleotide CTG trên gen DMPK dẫn đến tăng chức năng ARN gây bệnh.
Đột biến trong quá trình ghép nối có thể dẫn đến gen SMN2 bị đột biến và dẫn đến teo cơ cột sống.
Các bệnh liên quan khác do đột biến RNA gây ra bao gồm hội chứng Prader-Willi, ung thư tuyến tiền liệt, hội chứng nhiễm sắc thể X dễ gãy và bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS).
Tỷ lệ đột biến của virus ARN gây ra nhiều bệnh khác nhau ở người là rất cao, có thể cao hơn tới 1 triệu lần so với tỷ lệ đột biến của vật chủ. Sự gia tăng này giải thích cho sự tiến hóa nhanh chóng và khả năng tạo ra các biến thể mới hơn với khả năng lây nhiễm cao hơn hoặc tăng khả năng kháng thuốc chống virus.
Vì những đột biến như vậy có tính di truyền nên chúng gây trở ngại cho việc phát triển thuốc hoặc vắc-xin để chống lại nhiễm virus.
Nhiễm HIV là một ví dụ về sự xuất hiện của nhiều chủng kháng thuốc, trong đó virus nhân lên và gây bệnh nghiêm trọng ngay cả khi có sự hiện diện của thuốc.
Ngoài ra, virus ARN cũng có thể kết hợp lại và sắp xếp lại với ADN và ARN từ vật chủ hoặc các chủng virus khác, có khả năng tạo ra một chủng mới hơn.
Virus cúm có khả năng tái tổ hợp rất cao; ví dụ, chủng cúm H1N1 kết hợp lại với các đoạn ARN từ virus của chim, người và lợn để tạo ra chủng H1N1 gây ra đại dịch năm 2009.
ARN ở cấp độ tế bào
ARN tạo ra protein bằng cách sử dụng axit amin.
Có 20 loại axit amin khác nhau tạo nên cấu trúc chính của protein.
Khi ribosome liên kết với bản phiên mã mRNA, nó sẽ bắt đầu giải mã các codon mRNA và thu nhận các tRNA bằng axit amin được mã hóa.
Codon được giải mã bằng mã di truyền.
Trong mã di truyền, mỗi codon đại diện cho một axit amin cụ thể, ví dụ: mã CUU cho Leucine và mã GGU cho Glycine.
Mã di truyền có tính dư thừa ở chỗ các codon khác nhau có thể mã hóa cho cùng một axit amin.
Ví dụ: cả UAU và UAC đều mã hóa Tryptophan.
Sau khi ribosome đọc xong mRNA, chuỗi axit amin sẽ gấp lại và tạo thành protein.
Bên cạnh chức năng quan trọng nhất của ARN là tạo ra protein, các chức năng quan trọng khác của tế bào bao gồm sửa đổi và tái cấu trúc các ARN khác cũng như điều chỉnh các biểu hiện gen trong quá trình tăng trưởng và phát triển cũng như thay đổi môi trường tế bào.
Một số ARN còn có chức năng như ARN xúc tác để thúc đẩy các phản ứng sinh hóa; do đó chúng được gọi là ribozyme.
Các ribozyme đôi khi cũng kết hợp với các protein phụ trợ để thực hiện chức năng xúc tác của chúng.
Các phản ứng sinh hóa được xúc tác bởi ribozyme bao gồm tổng hợp protein, nối RNA và phân tách RNA.
Ribozyme gấp lại thành cấu trúc bậc ba phức tạp để tạo thành một vị trí hoạt động cho phép các phản ứng thay thế nucleophilic để chuyển phosphoryl. Những phản ứng này được thực hiện dễ dàng thông qua xúc tác axit-bazơ với sự tham gia của ribonucleoside và các ion kim loại.
Ribozyme phân loại thành hai loại:
- ribozyme nhỏ (ví dụ: kẹp tóc, đầu búa và virus viêm gan delta)
- ribozyme lớn (intron nhóm I và II, RNase P, spliceosome và ribosome)
Chức năng của ARN
Chức năng chính của ARN là tạo ra protein thông qua dịch mã. ARN mang thông tin di truyền được ribosome dịch thành nhiều loại protein cần thiết cho quá trình tế bào.
- mRNA, rRNA và tRNA là ba loại RNA chính tham gia vào quá trình tổng hợp protein.
ARN cũng đóng vai trò là vật liệu di truyền chính của virus.
Các chức năng khác bao gồm chỉnh sửa ARN, điều hòa gen và can thiệp ARN. Các quá trình này được thực hiện bởi một nhóm ARN điều hòa nhỏ, bao gồm ARN nhân nhỏ, microRNA và ARN can thiệp nhỏ.
ARN nhân nhỏ
ARN nhân nhỏ (Small nuclear RNA – snRNA) là các ARN không mã hóa chịu trách nhiệm nối các intron.
Các snRNA kết hợp với protein để tạo thành các ribonucleoprotein hạt nhân nhỏ (snRNP), thường chứa các phân tử snRNA U1, U2, U4, U5 và U6.
Quá trình lắp ráp và hoạt động của spliceosome bắt đầu khi U1 của snRNP liên kết với trình tự bổ sung trên vị trí nối 5’ của bản phiên mã tiền mRNA.
Sau đó, các intron được loại bỏ khỏi bản phiên mã tiền mRNA bằng phức hợp spliceosome và các dạng mRNA trưởng thành.
MicroRNA
MicroRNA (miRNA) là các RNA không mã hóa, chủ yếu liên quan đến việc điều hòa gen.
Chúng chủ yếu được xử lý từ các intron và được phiên mã thành miRNA sơ cấp từ gen chủ nhờ RNA polymerase II.
Sau đó, chúng được sửa đổi bởi các enzyme nội hạt, chẳng hạn như Drosha và Dicer, thành miRNA trưởng thành.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng miRNA liên kết với vùng chưa được dịch mã (3’UTR) trên mRNA sẽ ngăn chặn quá trình dịch mã, trong khi miRNA liên kết với vùng khởi động có thể điều chỉnh quá trình phiên mã.
miRNA cũng có thể hoạt động tương tự như hormone. Chúng được giải phóng vào dịch ngoại bào và được các tế bào đích hấp thụ để điều hòa hoạt động của tế bào.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các miRNA ngoại bào này như những dấu ấn sinh học lý tưởng cho các bệnh khác nhau. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các miRNA lưu hành có liên quan đến bệnh ung thư thông qua vai trò của chúng trong việc kiểm soát các gen gây ung thư (oncogene) và các chất ức chế khối u (tumor suppressor).
ARN can thiệp nhỏ
ARN can thiệp nhỏ (Small Interfering – siRNA) là các ARN chuỗi kép, không mã hóa, ức chế biểu hiện gen thông qua can thiệp ARN.
Chúng cản trở sự biểu hiện gen bằng cách làm suy giảm mRNA và ngăn chặn quá trình dịch mã protein. siRNA hình thành từ các ARN sợi đôi dài với sự hỗ trợ của Dicer.
Sau khi được hình thành hoàn chỉnh, siRNA liên kết với phức hợp im lặng do ARN tạo ra (RISC) và tách mRNA thông qua protein RISC xúc tác, Argonaute.
Các ARN can thiệp nhỏ có tiềm năng trở thành tác nhân điều trị bệnh do hiệu lực và khả năng tiêu diệt gen của chúng. Không giống như miRNA, siRNA có thể nhắm mục tiêu cụ thể vào một gen được lựa chọn và một chuỗi hướng dẫn siRNA duy nhất có thể hoạt động nhiều lần.
Dịch mã tạo protein
Cơ chế dịch mã ARN thành protein được thực hiện theo ba bước: bắt đầu, kéo dài và kết thúc.
Trong quá trình bắt đầu, tRNA và ribosome tham gia vào mRNA. Codon khởi đầu, AUG, mã hóa methionine và sẽ luôn là axit amin đầu tiên trong chuỗi.
Sau khi bắt đầu, ribosome di chuyển dọc theo mRNA theo hướng 5′-3′, đọc các codon và các tRNA liên kết mang axit amin tương ứng mà codon đang mã hóa.
Trình tự các axit amin dần dần dài hơn và kết thúc khi đạt đến codon dừng.
Mã kết thúc là UAG, UAA và UGA. Sau đó, polypeptide được giải phóng khỏi phức hợp ribosome và biến đổi thành protein hoạt động.
Ở tế bào nhân chuẩn, quá trình dịch mã xảy ra sau quá trình phiên mã, trong khi ở tế bào nhân sơ, quá trình phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời.
Ứng dụng ARN trong xét nghiệm axit nucleic
Xét nghiệm axit nucleic ban đầu ra đời như một phương pháp sàng lọc máu của người hiến tặng nhằm giảm nhiễm trùng truyền máu. Sau đó, xét nghiệm này phát triển thành một dấu hiệu báo trước các bệnh tật như HIV và ung thư.
Xét nghiệm di truyền ARN đã được chứng minh là một sự bổ sung hiệu quả cho xét nghiệm di truyền ADN bằng cách làm rõ các kết quả bao gồm và cải thiện kết quả xét nghiệm di truyền của bệnh ung thư di truyền.
Giải trình tự ARN có tiềm năng trở thành một công cụ chẩn đoán lâm sàng hiệu quả nhờ khả năng đo biểu hiện gen ngoài phạm vi sinh lý, biểu hiện đặc hiệu của alen và các khiếm khuyết trong quá trình ghép nối thay thế.
Giải trình tự ARN bao gồm việc phân lập ARN, chuẩn bị thư viện ARN và sử dụng công nghệ giải trình tự thế hệ tiếp theo. Bản phiên mã sau đó có thể được phân tích để tìm ra bất kỳ gen bất thường nào.
ARN và sinh lý bệnh
Virus ARN có thể tồn tại và phá vỡ các quá trình sinh lý bằng cách sao chép bộ gen của chúng bên trong tế bào chủ.
Có nhiều loại virus ARN khác nhau và mỗi loại có một cơ chế sao chép riêng. Các virus ARN sợi đôi, chẳng hạn như retrovirus, hợp nhất với màng tế bào chủ và tiêm nội dung virus của chúng vào bên trong để sao chép bộ gen của chúng thông qua phiên mã ngược.
Phiên mã ngược đòi hỏi ribonuclease H và DNA polymerase có khả năng sao chép ARN hoặc mẫu ADN để tổng hợp ADN chuỗi kép tuyến tính từ ARN.
- Virus ARN chuỗi dương có ARN virion dương đã hoạt động như một mRNA và do đó có thể được dịch mã ngay lập tức bởi RNA. polymerase.
- Virus RNA chuỗi âm có ARN virion âm bổ sung cho mRNA và phải được sao chép thành mRNA có ý nghĩa tích cực trước khi dịch mã.
Các protein virut sau đó được giải phóng khỏi tế bào chủ để lây nhiễm sang các tế bào khác, do đó cản trở các quá trình sinh học bình thường.
Nhiều bệnh về thần kinh như mất điều hòa tủy sống tiểu não (SCA), xơ cứng teo cơ một bên (ALS), loạn dưỡng trương lực cơ, mất trí nhớ vùng trán-thái dương (FTD), hội chứng run/thất điều X mong manh (FXTAS) và bệnh Huntington giống 2 (HDL-2)… được cho là do sự mở rộng của các lần lặp ARN không mã hóa.
Sự mở rộng lặp lại tạo ra các nếp gấp kẹp tóc bất thường để phát triển trong chuỗi ARN, do đó làm gián đoạn chức năng ARN bình thường.
Sự tích lũy ARN như vậy trong nhân được gọi là độc tính ARN (RNA toxicity), có thể gây ra các khiếm khuyết nối, bất thường chức năng hạt nhân, vận chuyển tế bào chất và mRNA, và quá trình tự thực (autophagy).
Ý nghĩa lâm sàng của ARN
Có rất nhiều loại virus ARN, chẳng hạn như coronavirus, rhovovirus và retrovirus, có thể gây bệnh cho con người.
Những virus này có thể được phân loại là dương tính hoặc âm tính tùy thuộc vào cực tính và có màng trần hoặc màng bao bọc.
Đáng chú ý nhất là virus Corona gây ra hội chứng hô hấp cấp tính nặng. Sự lây truyền của nó là qua các giọt nhỏ và các nghiên cứu đã tìm thấy tải lượng virus ở niêm mạc mũi cao hơn so với ở cổ họng.
Coronavirus cũng có mối liên quan với sự gia tăng các cytokine gây viêm, chẳng hạn như IL2, IL7, IL10 và TNFa, đồng thời có các triệu chứng sốt, ho, đau họng và viêm phổi.
Một họ virus ARN nổi tiếng khác có thể gây ra bệnh gây tử vong ở người là retrovirus, một loại virus ARN có vỏ bọc, có ý nghĩa tích cực, bao gồm HIV và HTLV.
HIV phá hủy các tế bào T CD4+ ghi nhớ và thường không có triệu chứng cho đến giai đoạn cuối khi nó gây ra hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải.
Với hệ thống miễn dịch bị suy giảm, nguy cơ phát triển các bệnh nhiễm trùng cơ hội và ung thư do virus gây ra sẽ tăng lên.
Cuối cùng, rhovovirus là tác nhân virus chính gây cảm lạnh thông thường. Chúng xâm nhập bằng quá trình nhập bào với sự trợ giúp của LDLR và ICAM-1 và gây ra các triệu chứng ho, đau họng và nghẹt mũi.
Các bệnh đáng chú ý khác ở người do virus ARN gây ra bao gồm viêm gan, sốt Tây sông Nile, bệnh dại, bệnh bại liệt và sởi.
(*) Theo NCBI
