Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 4: Quá trình phiên mã ở Prokaryote

Nội dung text: Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 4: Quá trình phiên mã ở Prokaryote

1. 24/03/2016 Chương 4 Quá trình Phiên mã ở Prokaryote 24/03/2016 2:57:55 SA 1 Nguyễn Hữu Trí Monocistronic vs Polycistronic mRNA 24/03/2016 2:57:55 SA 2 Nguyễn Hữu Trí 1
2. 24/03/2016 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 3 Nguyễn Hữu Trí RNA polymerase là một phức hợp của enzyme, được gọi là holoenzyme, gồm enzyme lõi (Core enzyme) và nhân tố s.   + s s ’ ’ w w Core enzyme Holoenzyme 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. 24/03/2016 2:57:55 SA 4 Nguyễn Hữu Trí 2
3. 24/03/2016 RNA polymerase 24/03/2016 2:57:55 SA 5 Nguyễn Hữu Trí RNA polymerase 24/03/2016 2:57:55 SA 6 Nguyễn Hữu Trí 3
4. 24/03/2016 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 7 Nguyễn Hữu Trí 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 2:57:55 SA 8 Nguyễn Hữu Trí 4
5. 24/03/2016 Promoter 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) 24/03/2016 2:57:55 SA 9 Nguyễn Hữu Trí 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 2:57:55 SA 10 Nguyễn Hữu Trí 5
6. 24/03/2016 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 11 Nguyễn Hữu Trí 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 2:57:55 SA 12 Nguyễn Hữu Trí 6
7. 24/03/2016 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 13 Nguyễn Hữu Trí Khởi đầu phiên mã (Initiation) Promoter -35 -10 s  ’ -RNA pol nhận biết và Holoenzyme enzyme gắn một cách lỏng lẻo vào trình tự -35 tạo Phức hợp đóng thành phức hợp đóng. s  RNA pol nhận biết và gắn vào ’ -RNA pol gắn với promoter nhờ nhân tố s DNA chặt hơn để mở rNTPs xoắn tại vùng trình tự PPi -10, tạo thành phức hợp mở. Core enzyme Phức hợp mở  ’ s 24/03/2016 2:57:55 SA mRNA 14 Nguyễn Hữu Trí 7
8. 24/03/2016 Khởi đầu phiên mã (Initiation) 24/03/2016 2:57:55 SA 15 Nguyễn Hữu Trí Kéo dài (Elongation) 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. 24/03/2016 2:57:55 SA 16 Nguyễn Hữu Trí 8
9. 24/03/2016 Transcription bubble Kéo dài (Elongation) Mạch DNA chứa thông tin • Các nucleotide thêm RNA nucleotide vào tuần tự từng RNA polymerase nucleotide đây gọi là T C C A A quá trình kéo dài. A 3 • Kích thước vùng được 3 U tháo xoắn luôn duy trì A U G C A 5 không đổi khoảng 17 T A G G T T cặp base, và xoắn lai Hướng phiên mã 5 (“downstream”) RNA-DNA có chiều Mạch DNA khuôn dài khoảng 12 cặp base. RNA mới hình thành 24/03/2016 2:57:55 SA 17 Nguyễn Hữu Trí 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 2:57:55 SA 18 Nguyễn Hữu Trí 9
10. 24/03/2016 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 19 Nguyễn Hữu Trí 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 2:57:55 SA 20 Nguyễn Hữu Trí 10
11. 24/03/2016 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. 24/03/2016 2:57:55 SA 21 Nguyễn Hữu Trí Kiểu hoạt động của Intrinsic Termination 24/03/2016 2:57:55 SA 22 Nguyễn Hữu Trí 11
12. 24/03/2016 Intrinsic Termination 24/03/2016 2:57:55 SA 23 Nguyễn Hữu Trí Intrinsic Termination 24/03/2016 2:57:55 SA 24 Nguyễn Hữu Trí 12
13. 24/03/2016 Intrinsic Termination 24/03/2016 2:57:55 SA 25 Nguyễn Hữu Trí Kết thúc phiên mã phụ thuộc Rho Rho-Dependent Termination 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. 24/03/2016 2:57:55 SA 26 Nguyễn Hữu Trí 13
14. 24/03/2016 Kết thúc phiên mã phụ thuộc nhân tố rho • 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. 24/03/2016 2:57:55 SA 27 Nguyễn Hữu Trí PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ Ở PROKARYOTE & EUKARYOTE RNA Polymerase ở 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. 24/03/2016 2:57:55 SA 28 Nguyễn Hữu Trí 14
15. 24/03/2016 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. 24/03/2016 2:57:55 SA 29 Nguyễn Hữu Trí RNA processing 24/03/2016 2:57:55 SA 30 Nguyễn Hữu Trí 15
16. 24/03/2016 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 50 đến 250 adenine nucleotide Được gắn vào đầu 5 Được gắn vào đầu 3 TRANSCRIPTION DNA RNA PROCESSING Pre-mRNA Đoạn mã hóa protein Tín hiệu Polyadenylation 5 3 mRNA G P P P AAUAAA AAA AAA Ribosome TRANSLATION Start codon Stop codon 5 Cap 5 UTR 3 UTR Đuôi Poly-A Polypeptide 24/03/2016 2:57:55 SA 31 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 2:57:55 SA 32 Nguyễn Hữu Trí 16
17. 24/03/2016 Gene gián đoạn và RNA splicing • RNA splicing – Loại bỏ các intron và nối exon lại Intron 5 Exon Intron Exon Exon 3 TRANSCRIPTION DNA Pre-mRNA 5 Cap Đuôi Poly-A 1 30 31 104 105 146 RNA PROCESSING Pre-mRNA mRNA Intron bị cắt ra và các Đoạn mã hóa exon được nối lại với nhau Ribosome TRANSLATION Polypeptide mRNA 5 Cap Đuôi Poly-A 1 146 3 UTR 3 UTR 24/03/2016 2:57:55 SA 33 Nguyễn Hữu Trí RNA transcript (pre-mRNA) 5 Exon 1 Intron Exon 2 Protein 1 snRNA Các protein khác snRNPs Spliceosome 2 5 Thành phần Spliceosome Intron bị cắt ra mRNA 3 5 Exon 1 Exon 2 24/03/2016 2:57:55 SA 34 Nguyễn Hữu Trí 17
18. 24/03/2016 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 24/03/2016 2:57:55 SA 35 Nguyễn Hữu Trí 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 36 Nguyễn Hữu Trí 18
19. 24/03/2016 24/03/2016 2:57:55 SA 37 Nguyễn Hữu Trí Ribonucleoprotein (RNP) 24/03/2016 2:57:55 SA 38 Nguyễn Hữu Trí 19
20. 24/03/2016 Ribozyme 24/03/2016 2:57:55 SA 39 Nguyễn Hữu Trí Phiên mã ngược 24/03/2016 2:57:55 SA 40 Nguyễn Hữu Trí 20
21. 24/03/2016 Phiên mã ngược 24/03/2016 2:57:55 SA 41 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 2:57 SA 42 Nguyễn Hữu Trí 21