Yếu tố phiên mã

Như trên đã nói: Ở nhân sơ, phiên mã do chỉ một loại enzym đảm nhiệm gọi là ARN pôlymêraza. Enzym này có khả năng khởi động phiên mã ngay, sau khi nó gắn tại một điểm của gen gọi là vùng khởi động (promoter). Nhưng ở nhân thực, phải có thêm một bước nữa tiến hành trước, trong đó enzym này chỉ có thể gắn với promoter với sự trợ giúp của phức hợp prôtêin đặc trưng gọi là các yếu tố phiên mã hay phức hợp trợ giúp phiên mã (hình 2). Phức hợp này là một phần không thể thiếu của bộ máy phiên mã cho bất kỳ gen nào trong tế bào nhân thực. Bước chuẩn bị này là giai đoạn chuẩn bị cho khởi đầu phiên mã, nên gọi là tiền khởi đầu (pre-initiation).[13] Chi tiết về phức hợp này xem ở trang Phức hợp tiền khởi đầu phiên mã (Transcription preinitiation complex).

• Vùng khởi động phiên mã của gen nhân thực (promoter eukaryotic) lớn hơn và phức tạp hơn nhiều so với của vi khuẩn (promoter prokaryotic) nhưng cả hai đều có một trình tự TATA... gọi tắt là hộp TATA (TATA box). Ví dụ, trong gen tổng hợp thymidine kinase của chuột, hộp này chính xác là TATAAAA, định vị tại toạ độ -30 so với vị trí bắt đầu (+1), được đọc theo hướng 5'-3' trên mạch bổ sung (nontemplate).[14]
• Pol II - tự nó - hoàn toàn đủ khả năng để xúc tác tổng hợp ARN dựa trên khuôn ADN, nhưng nó không thể tự nhận biết trực tiếp vùng khởi động (promoter) này của gen mà nó sẽ xúc tác. Do đó, nó cần nhiều yếu tố trợ giúp, tạo thành một tập hợp các phân tử phức tạp và đặc trưng liên quan đến nhau, gọi là phức hợp khởi động phiên mã Pol II (Pol II transcription preinitiation complex - viết tắt: PIC-Pol II). Trong mỗi PIC (viết tắt từ preinitiation complex) của Pol II, có nhiều phân tử khác nhau gọi là yếu tố hay phần tử (element). Mỗi yếu tố đóng vai trò như là một vị trí gắn kết cho các thành phần cụ thể khác trong "bộ máy" phiên mã chung, chứ không phải tất cả mọi kiểu phiên mã, nên gọi là các yếu tố phiên mã chung (general transcription factors). Các yếu tố phiên mã chung này bao gồm TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF và TFIIH (hình 4). Sau đây, gọi tắt Pol II transcription preinitiation complex là PIC cho đơn giản.

Tiền khởi đầu phiên mã

• Đầu tiên, PIC được tạo ra nhờ prôtêin liên kết TATA với TBP, một tiểu đơn vị của TFIID. Liên kết này với TATA làm cho ADN bị uốn cong lại ở nơi xác định (hình 5). Tiếp theo, TFIIA rồi đến TFIIB liên kết với phức hợp DNA-TBP ở cả thượng lưu (phía trên) và hạ lưu (phía dưới) của hộp TATA. Phức hợp DNA-TBP-TFIIB hiện hữu đã có thể liên kết với Pol II, sẽ được TFIIF chuyển đến vùng khởi động. Rồi TFIIE liên kết phía sau Pol II và như một điều kiện tiên quyết cần kết nối với TFIIH. Lúc này, PIC được coi là đã được lắp ráp hoàn chỉnh.[15]
• Trong trường hợp không có hộp TATA, thì phức hợp PIC vẫn có thể bắt đầu hoạt động bằng cách gắn các tiểu đơn vị TAF của TFIID với các yếu tố khác. Trường hợp này không mô tả ở đây. Tập hợp PIC được kích hoạt trong phản ứng với chất kích hoạt gắn với yếu tố tăng cường (enhancer) giống như chuỗi hoạt hóa ở nấm men, điều này sẽ thay thế các phức hợp đồng kích hoạt (coactivator) bao gồm các chất biến đổi nhiễm sắc tử (chromatine) và yếu tố trung gian (mediator) tương tác trực tiếp với Pol II và các yếu tố phiên mã chung.[16]
• Ở trường hợp có hộp TATA, cuối giai đoạn khởi động này, thì PIC và vị trí của nó được mô tả ở hình 6.
• Tóm lại, sự lắp ráp các yếu tố phiên mã diễn ra theo các bước chung như sau:

1. TBP liên kết với hộp TATA (TBP là một tiểu đơn vị của TFIID).
2. TBP tương tác với TFIIA, nhờ đó TFIIA lắp vào vùng khởi động.
3. Xuất hiện tương tác TBP với TFIIB, nhờ đó TFIIB lắp vào vùng khởi động.
4. TFIIB tương tác với Pol II và tương tác TFIIB với TFIIF giúp cho Pol II và TFIIF vào vùng khởi động.
5. TFIIE tham gia vào phức hợp và "kết nạp" TFIIH có hoạt tính kinase, nó phôtphoryl hoá Pol II ở CTD, và hoạt động hêlicaza dãn xoắn và tách mạch gen tại vùng khởi động. Đồng thời, nó cũng "kết nạp" các prôtêin sửa chữa trong phiên mã.
6. Các tiểu đơn vị của TFIIH khởi động chức năng ATPase và hêlicaza biến đổi hình thái của gen được phiên mã thành dạng tuyến tính.
7. Tháo xoắn hoàn toàn đoạn gen sắp phiên mã, tạo thành một cấu trúc gọi là "bóng phiên mã" (hình 1).
8. Bóng phiên mã tương tác với Pol II, từ đó quá trình tổng hợp ARN bước vào giai đoạn 1 (khởi đầu).

• Hình 4: Sơ đồ tập hợp PIC gồm các yếu tố phiên mã chung và Pol II.
• Hình 5: Mô hình đơn giản khởi đầu phiên mã nhân thực. 1 = Vị trí bắt đầu phiên mã. 2 = Hộp TATA với Pol II đã gắn với PIC. 3 = Trình tự tăng cường liên kết prôtêin kích hoạt.
• Hình 6: Sơ đồ sự gắn kết của Pol II với phức hợp PIC cuối giai đoạn "khởi động" phiên mã.

Diễn biến phiên mã

1) Giai đoạn khởi đầu (initiation)

Khi "bóng phiên mã" tương tác với Pol II (bước 8 ở trên) thì cũng là giai đoạn khởi đầu phiên mã được tiến hành. Lúc này hình thành trong "bụng" của Pol II một cấu trúc "phân tử lai" tạm thời xuất hiện: ADN-ARN, từ đó các ribônuclêôtit được lắp vào khuôn theo nguyên tắc bổ sung (A-U, G-X). Rồi giai đoạn kéo dài diễn ra ngay.[17]

2) Giai đoạn kéo dài (elongation)

• Sau khi tổng hợp được một đoạn ngắn ribônuclêôtit (khoảng hơn 10 bazơ), thì Pol II thoát khỏi vùng khởi động cũng như thoát khỏi PIC để tự phiên mã nốt đoạn còn lại của gen. Trong giai đoạn này, từ tổ hợp "phân tử lai" nói trên xuất hiện 2 sợi đi ra theo 2 kênh riêng biệt: sợi ARN ngày càng dài (hình 2), còn sợi ADN (khuôn) sẽ tái kết hợp với sợi ADN bổ sung với nó ở phía sau Pol II, đồng thời đóng xoắn lại ngay sau khi đã được Pol II "đọc" xong. Giai đoạn này nói chung tương tự như ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn).
• Mặc dù diễn biến chung của giai đoạn kéo dài ở nhân thực giống như ở vi khuẩn, nhưng có nhiều chiết khác biệt. Một trong các khác biệt chính là cần có các yếu tố kéo dài (elongation factors) có vai trò kích thích sự kéo dài phiên mã, ví dụ như P-TEFb đặc biệt quan trọng. P-TEFb phôtphoryl hoá Ser-2 và kích hoạt SPT5 cũng như TAT-SF1. Trong đó, SPT5 là một yếu tố phiên mã giúp kết hợp enzym 5'-capping vào Pol II.[18]

3) Giai đoạn kết thúc (termination)

• Khi Pol II trượt đến một cấu trúc gọi là yếu tố kết thúc (transcription terminator) ở cuối gen cần phiên, thì nó sẽ rời khỏi đoạn ADN khuôn mẫu này và quá trình phiên mã cho 1 gen của nó kết thúc. Mỗi lần phiên mã, Pol II chỉ phiên được 1 mARN chứa 1 gen, khác hẳn với ở nhân sơ là mARN nhân sơ gồm 1 bản phiên nhưng lại chứa thông tin của nhiều gen (cụm gen ở operon). Đừng nhầm yếu tố kết thúc này với bộ ba kết thúc (Stop codon) ở gen và cũng là của mARN có cấu trúc và vai trò khác hẳn trong dịch mã.
• Xem chi tiết hơn về vấn đề này ở trang Yếu tố kết thúc phiên mã.

Bởi vì gen cấu trúc của nhân thực gồm nhiều đoạn êxôn (có mã) lẫn với cả intrôn (không mã), nên quá trình phiên mã nhân thực kết thúc mà mới chỉ tạo ra ARN sơ khai (hay tiền ARN - primordial RNA) chưa có chức năng sinh học. Do đó, sản phẩm sơ khai này còn phải qua quá trình chế biến hay xử lý (RNA processing) mới tạo nên ARN trưởng thành.