Cơ chế can thiệp RNA Can thiệp RNA

Cơ chế chung

Can thiệp RNA là một cơ chế được bảo tồn trong sinh vật đa bào nhằm giúp tế bào ức chế biểu hiện một gene khi trong tương bào có sự xuất hiện một chuỗi xoắn kép RNA có trình tự giống với gene này. Đây có lẽ là hệ thống tự vệ của tế bào nhằm chống lại sự xâm nhập của siêu vi khuẩn và các phần tử di truyền ngoại lai khác, những yếu tố sử dụng chuỗi kép RNA trong chu kỳ sống của chúng.

Khả năng chống lại các virus và gene nhảy

Sự can thiệp RNA đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại sự xâm nhiễm của các virus, đặc biệt là các sinh vật bậc thấp hơn vào cơ thể vật chủ. Nhiều virus có thông tin di truyền chứa trên RNA sợi đôi. Khi các virus này xâm nhiễm vào tế bào, chúng bơm thông tin di truyền vào tế bào vật chủ. Khi đó, RNA lập tức vào Dicer, phức hợp RISC kích hoạt, RNA virus bị phân hủy, tế bào vật chủ thoát khỏi xâm nhiễm.

Gene nhảy (trasposon) là các trình tự DNA có thể di chuyển trong bộ gen. Nhiều transposon hoạt động bằng cách sao chép DNA thành RNA, sau đó, RNA phiên mã ngược thành DNA và gắn vào vị trí khác trên bộ gene. Sự can thiêp RNA bảo vệ bộ gene chống lại transposon.

Một số quá trình sống của tế bào có liên quan đến quá trình can thiệp RNA

  • Khi virus RNA nhiễm vào tế bào, nó tiêm bộ gene có chứa RNA mạch đôi của nó vào bên trong. Can thiệp RNA tiêu hủy RNA của virus, ngăn cản sự hình thành virus mới.
  • Sự tổng hợp của nhiều loại protein do các gene mã hoá cho vi RNA kiểm soát. Sau khi xử lý, vi RNA ngăn cản sự dịch mã từ mRNA thành protein.
  • Trong phòng thí nghiệm, các phân tử RNA mạch đơn được biến đổi để hoạt hoá phức hợp RISC để phân hủy mRNA của một gene chuyên biệt nào đó.
  • Quá trình can thiệp RNA được kích hoạt khi phân tử RNA tồn tại trong tế bào với cấu trúc sợi đôi.
  • RNA sợi đôi kích hoạt một cơ chế hoá sinh để phân huỷ các phân tử mRNA có mã di truyền giống với nó.
  • Khi các phân tử mRNA này biến mất => gene tương ứng bị bất hoạt => không có protein nào do gene đó mã hoá được tạo thành.

Cơ chế làm tắt gene bởi siRNA

Trong tế bào, sự biểu hiện hoặc cảm ứng của RNA mạch kép dài là kết quả của sự bắt cặp giữa mạch mang mã (sợi có nghĩa) và mạch đối mã (sợi vô nghĩa). Các đoạn dsRNA sợi kép dài được cắt bởi enzyme Dicer tạo ra những đoạn RNA ngắn (siRNA) khoảng 21-28 nucleotide.

  • Sau đó các siRNA được tháo xoắn dưới tác dụng của enzyme helicase và một mạch được nạp vào phức hợp protein một cách chon lọc gọi là phức hợp cảm ứng bất hoạt RISC.
  • Sự xuất hiện của mạch đơn siRNA sẽ hoạt hoá RISC thành trạng thái hoạt động (ký hiệu là RISC*).
  • Cuối cùng phức hợp siRNA-RISC* này sẽ tìm kiếm các transcriptome (sản phẩm của quá trình phiên mã) một cách đặc hiệu và những RNA mục tiêu tiềm năng.
  • Sợi đơn siRNA sau khi được nạp vào RISC được gọi là mạch hướng dẫn, nó đóng vai trò chỉ đạo trong việc đưa phức hợp siRNA-RISC* đến các phân tử mRNA có trình tự bổ sung với nó.Việc chỉ đạo của siRNA thông qua một endonuclease có trong RISC là Agronaute protein.
  • RISC* cũng có thể xâm nhập được vào nhân tế bào và kết cặp với trình tự tương đồng trên phân tử DNA hệ gene.
  • Lúc này RISC* huy động một số protein làm cải biến chất nhiễm sắc quanh vị trí promoter của gene => sự kìm hãm phiên mã.
  • Cơ chế tắt gen lúc này phụ thuộc vào mức độ tương đồng giữa siRNA và mRNA đích.
  • Nếu sự tương đồng giữa siRNA và mRNA đích là hoàn toàn thì phân tử mRNA có xu hướng bị cắt và phân giải (do hoạt tính nuclease của RISC). => không có mRNA mã hoá cho protein đó.
  • Nếu sự tương đồng giữa siRNA và mRNA chỉ là một phần thì xu hướng xảy ra là sự ức chế dịch mã do khi chung bám trên mRNA

=> ngăn cản sự dịch chuyển của Ribosome trong quá trình dịch mã => quá trình dịch mã bi ngưng lại

=> không tạo ra được protein.

  • Cơ chế tắt gene bởi siRNA có hiệu quả rất cao, chỉ cần một lượng nhỏ siRNA được đưa vào tế bào cố thể đủ để làm tắt hoàn toàn sự biểu hiện của một gene nào đó (vốn có rất nhiều bản sao trong cơ thể đa bào).

Cơ chế làm tắt gene bởi miRNA

  • Trong tự nhiên, ngoài cơ chế điều hoà biểu hiện gene bằng sợi siRNA còn có cơ chế điều hoà biểu hiện của gene bởi một nhóm RNA khác gọi là micro RNA (miRNA).
  • Cơ chế hoạt động của miRNA trong quá trình ức chế sự biểu hiện của gene cũng tương tự như ở siRNA.
  • Các miRNA có chiều dài khoảng 19-24 nucleotide được tạo từ tác động cắt các đoạn Pre- miRNA có trình tự kẹp tóc (được phiên mã từ các đoạn DNA không mã hoá protein) bởi 2 enzyme là Drosha và Dicer.
  • Gần 70% các miRNA được phát sinh liên quan đến sự điều tiết trong quá trình phiên mã tạo ra các mRNAvà các RNA không sinh tổng hợp các protein. Và 30% còn lại được phát sinh độc lập không liên quan đến quá trình nhân lên (chức năng của 30% miRNA này chưa được làm rõ).
  • Tương tự với siRNA: Các miRNA có thể điều tiết sự phân giải mRNA với sự hiện diện của phức hợp RISC trong trường hợp bổ sung hoàn toàn(ở thực vật) (perfect complementary)
  • Trong trường hợp bổ sung không hoàn toàn (inperfect complementary) với vùng 3’ UTR của mRNA => ức chế quá trình dịch mã.
  • Ước lượng có khoảng 120 gene mã hoá cho miRNA ở giun tròn, ở người có khoảng 250 gene và 50% gene mã hoá protein ở người đang bị kiểm soát bởi miRNA.
  • Thông thường các gene miRNA được điều hoà theo kiểu chỉ biểu hiện vào những thời điểm nhất định và ở các mô nhất định trong quá trinh phát triển của cá thể.
  • Đáng chú ý là 30% các phân tử miRNA ở giun trong có trình tự rất giống ở ruồi giấm và động vật có vú. Điều này cho thấy, dường như cơ chế điều hoà biểu hiện gene bởi miRNA đã có nguồn gốc từ lâu trong quá trình tiến hoá và vai trò của chúng trong việc " lập trình" biểu hiện của hệ gene là rất quan trọng đối với giới sinh vật.