Giáo trình Di truyền y học - Chương 2: Cấu trúc và chức năng của gene

RNA với cấu trúc chuỗi đơn, phân tử này được gọi là phân tử mã 
sao nguyên thủy (primary transcript). 
Ở một số gene người, trên một gene có thể có nhiều vị trí khởi đầu 
khác nhau nằm ở các vị trí khác nhau do đó làm gene có thể được bắt đầu 
phiên mã ở các vị trí khác nhau dẫn đến việc tổng hợp các phân tử protein 
ít nhiều khác nhau từ cùng một gene. Điều này cho phép với cùng một 
gene có thể mã hóa cho các protein khác nhau ở các mô khác nhau 
3. Điều hòa sự biểu hiện của gen (hình 9) 
Mặc dù tất cả tế bào của cơ thể đều mang trình tự DNA giống nhau, 
nhưng hoạt động phiên mã của các gene không giống nhau. 
Một số gene được phiên mã trong tất cả các tế bào của cơ thể, chúng 
được gọi là các “gene quản gia” (housekeeping gene) chịu trách nhiệm 
mã hóa cho các sản phẩm cần thiết cho sự tồn tại và chuyển hóa của tế 
bào. Số này chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ trên DNA. Trong khi đó đa số 
gene chỉ hoạt động ở các mô đặc hiệu và ở những thời điểm nhất định do 
đó tạo nên tính đặc thù cho từng loại tế bào, loại mô khác nhau và qua đó 
sản xuất ra các loại protein khác nhau. 
Nhiều loại protein khác nhau tham gia vào quá trình phiên mã. Một 
số cần thiết cho mọi quá trình phiên mã được gọi là các yếu tố phiên mã 
tổng quát (general transcription factors). Một số chỉ hoạt động ở một số 
gene nhất định vào những giai đoạn nhất định trong quá trình phát triển 
được gọi là các yếu tố phiên mã đặc hiệu (specific transcription factors). 
Enzyme RNA polymerase II mặc dù có vai trò quyết định trong việc 
bắt đầu quá trình phiên mã thông qua việc gắn với vị trí khởi động nhưng 
tự nó không thể gắn vào vị trí này và không thể quyết định số lượng 
mRNA được tổng hợp. 
 8 
 Để thực hiện được quá trình phiên mã đòi hỏi một sự phối hợp phức 
tạp với khoảng trên dưới 50 loại protein khác nhau. 
Những yếu tố phiên mã tổng quát cho phép gắn RNA polymerase 
vào đoạn DNA đặc hiệu như đoạn TATA và những đoạn khác để bắt đầu 
quá trình phiên mã trên vùng khởi động. 
Hình 9. Các yếu tố tham gia vào cơ chế điều khiển hoạt động phiên mã 
Hoạt động phiên mã của các gene đặc hiệu có thể được gia tăng 
đáng kể bằng cách tương tác với các đoạn DNA được gọi là tác nhân thúc 
đẩy (enhancer), đây là những đoạn có chiều dài khoảng vài ngàn 
nucleotide nằm ở phía trước hoặc sau gene. Tuy nhiên những tác nhân này 
không tương tác trực tiếp với các gene mà thay vào đó chúng được gắn với 
các yếu tố phiên mã đặc hiệu được gọi là các tác nhân hoạt hóa (activator). 
Những tác nhân này đến phiên nó lại gắn với tác nhân phiên mã đặc hiệu 
thứ hai gọi là các tác nhân đồng hoạt hóa (co-activator), các tác nhân này 
mới thật sự gắn với phức hợp các yếu tố phiên mã tổng quát nói trên. 
Chuỗi tác động này bắt đầu từ tác nhân thúc đẩy đến tác nhân hoạt hóa 
đến tác nhân đồng hoạt hóa rồi đến phức hợp phiên mã tổng quát và cuối 
cùng là đến bản thân của gene làm gia tăng tốc độ phiên mã của các gene 
đặc hiệu ở những thời điểm nhất định. 
Trong khi các tác nhân thúc đẩy giúp gia tăng hoạt động phiên mã 
của các gene thì các đoạn DNA khác có tên là các tác nhân kìm hãm 
 9 
 (silencer) lại ức chế hoạt 
động phiên mã của gene 
thông qua kiểu tác động 
tương tự. 
Đột biến xảy ra ở 
các đoạn làm nhiệm vụ 
của tác nhân thúc đẩy, tác 
nhân kìm hãm, vị trí khởi 
động cũng như đột biến ở 
các gene mã hóa cho các 
yếu tố phiên mã có thể 
dẫn đến các bệnh di truyền 
do gây ra những sai lầm 
trong biểu hiện của các 
gene. 
Hình 10. Một kiểu motif gắn với đoạn DNA 
đặc hiệu theo kiểu helix - loop - helix (xoắn - 
vòng - xoắn).
Một lượng lớn và khá phức tạp của các yếu tố phiên mã đã góp phần 
vào việc điều hòa một cách hiệu quả hoạt động của gene. Vấn đề đặt ra là 
làm thế nào chúng có thể định vị một cách chính xác các đoạn DNA đặc 
hiệu? Việc định vị này được thực hiện thông qua các motif gắn DNA 
(DNA-binding motif). Trong mỗi motif, cấu hình của phân tử protein cho 
phép chúng gắn một cách chính xác và hằng định trên một đoạn đặc hiệu 
của chuỗi xoắn kép DNA. Trong môt số trường hợp chúng có thể uốn 
cong DNA để các tác nhân thúc đẩy có thể tác động lên trên các gene đích 
mặc dù chúng nằm xa nhau (hình 10). 
4. Sự cắt nối gene (gene splicing) (hình 11) 
Phân tử mRNA nguyên thủy (primary mRNA) được sao ra từ mạch 
khuôn ở trên gene theo nguyên tắc bổ sung. Ở cơ thể eukaryote, trước khi 
phân tử mRNA này đi ra khỏi nhân các enzyme của nhân tế bào sẽ cắt các 
intron đi đồng thời nối các đoạn exon lại với nhau để biến mRNA nguyên 
thủy thành mRNA hoàn chỉnh (mature mRNA). Phân tử này sau đó sẽ 
được đưa vào bào tương. 
Một vài gene có các vị trí cắt thay đổi (alternative splice sites), điều 
này làm cho một phân tử mRNA nguyên thủy có thể bị cắt theo nhiều kiểu 
khác nhau dẫn đến việc tạo ra các sản phẩm protein khác nhau từ cùng 
một gene. Những sai sót trong quá trình nối gene, cũng giống như những 
sai sót xảy ra trong quá trình nhân đôi cũng là một dạng đột biến có thể 
gây ra các bệnh di truyền. 
 10 
Hình 11. Quá trình cắt nối mARN để tạo thành mRNA hoàn chỉnh 
IV. Mã di truyền 
Các protein được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide. Mỗi 
chuỗi polypeptid được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc cơ bản là các acid 
amine. Cơ thể có 20 loại acid amine khác nhau, trình tự của các acid 
amine này trong chuỗi polypeptide được DNA quy định. 
Mỗi acid amine được mã hóa bởi ba nucleotide kế nhau trên DNA, 
ba nucleotide này được gọi là một codon. Với 4 loại nucleotide khác nhau 
sẽ có 64 codon khác nhau bởi thành phần và trật tự của các nucleotide, 
trong số này có 3 codon kết thúc (stop codon) UAA, UAG và UGA có 
nhiệm vụ báo hiệu chấm dứt việc tổng hợp chuỗi polypeptide. Trong số 61 
mã còn lại có nhiều codon cùng mã hóa cho 1 acid amine, hiện tượng này 
được goi là hiện tượng thoái hóa mã (degeneration) (bảng 1). 
Mã di truyền là chung cho toàn bộ sinh giới trừ một số ngoại lệ đối 
với các codon ở ti thể. Ở DNA của ti thể có một số codon mã cho các acid 
amine khác với nghĩa của các codon này trên DNA trong nhân. 
 11 
 - UGA mã cho tryptophan thay vì báo hiệu chấm dứt việc tổng hơp 
protein. 
- AGA và AGG không mã cho arginine mà báo hiệu chấm dứt tổng hợp 
protein. 
- AUA mã cho methionine thay vì mã cho isoleucine. 
Bảng 1. Bảng mã di truyền. 
VË TRÊ 1 VË TRÊ 2 VË TRÊ 3 
(âáöu 5’) U C A G (âáöu 3’) 
U Phe Ser Tyr Cys U 
U Phe Ser Tyr Cys C 
U Leu Ser STOP STOP A 
U Leu Ser STOP Trp G 
C Leu Pro His Arg U 
C Leu Pro His Arg C 
C Leu Pro Gln Arg A 
C Leu Pro Gln Arg G 
A Ile Thr Asn Ser U 
A Ile Thr Asn Ser C 
A Ile Thr Lys Arg A 
A Met Thr Lys Arg G 
G Val Ala Asp Gly U 
G Val Ala Asp Gly C 
G Val Ala Glu Gly A 
G Val Ala Glu Gly G
Ala: Alanine; Arg: arginine; Asn: asparagine; Asp: aspartic acid; Cys: cysteine; Gln: 
glutamine; Gla: glutamic acid; Gly: glycine; His: histidine; Ile: isoleucine; Leu: leucine; 
Lys: lysine; Met: methionine; Phe: phenylalanine; Pro: proline; Ser: serine; Thr: 
threonine; Trp: tryptophan; Tyr: tyrosine; Val: valine. 
V. Hoạt động giải mã (translation) 
Hoạt động giải mã là quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide dựa trên 
khuôn mRNA. Phân tử mRNA không gắn trực tiếp với các amino acid mà 
phải thông qua vai trò của RNA vận chuyển (tRNA : transfer RNA). 
 12 
 Phân tử này là một chuỗi RNA với khoảng 80 nucleotide có hình ba 
nhánh. Mỗi phân tử tRNA sẽ gắn 1 amino acid vào đầu 3’ của nó qua một 
liên kết cộng hóa trị. Ở đầu kia của của phân tử tRNA là một đoạn 3 
nucleo-tide được gọi là bộ ba đối mã (anticodon) (hình 12). 
Trình tự của các 
nucleotide trong bộ ba đối mã 
sẽ bắt cặp với một codon trên 
mRNA theo nguyên tắc bổ 
sung. Bằng cách này phân tử 
mRNA quy định trình tự của 
các amino acid một cách đặc 
hiệu thông qua vai trò của các 
tRNA. 
Nơi xảy ra quá trình 
tổng hợp protein trong bào 
tương là ribosome. Bào quan 
này được cấu tạo từ các 
protein có hoạt tính enzyme 
và các RNA ribosome 
(rRNA: ribosomal RNA) với 
tỷ lệ tương đương. Chức năng 
của rRNA là giúp gắn mRNA 
và tRNA vào ribosome. 
Trong quá trình giải mã, 
đầu tiên ribosome gắn vào vị 
trí khởi đầu trên mRNA. Tại 
vị trí này có một cođon đặc 
hiệu là AUG mã hóa cho 
amino acid methionine, amino acid này thường được tách khỏi chuỗi 
polypeptide đang được tổng hợp (hình 13). 
Hình 12: Cấu trúc của phân tử RNA vận 
chuyển
Ribosome sẽ gắn tRNA vào bề mặt của nó để sự bắt cặp base có thể 
xảy ra giữa mRNA và tRNA. Ribosome di chuyển dọc theo phân tử 
mRNA từ codon này đến codon khác theo hướng từ 5’ đến 3’. Khi qua 
được một codon thì một amino acid sẽ được giải mã thông qua sự tương 
tác giữa mRNA và tRNA. Trong quá trình này một enzyme của ribosome 
sẽ xúc tác cho việc hình thành các liên kết peptide giữa các amino acid kế 
nhau dẫn đến sự phát triển của chuỗi polypeptide. Khi ribosome đi đến 
codon kết thúc trên mRNA, sự giải mã và quá trình hình thành chuỗi 
polypeptide sẽ ngừng lại. 
 13 
Hình 13: Quá trình giải mã trên mRNA 
Đầu amino (-NH2) của chuỗi polypeptide tương ứng với đầu 5’ của 
mRNA và nhóm carboxyl (-COOH) tương ứng với đầu 3’. Khi hoàn tất 
quá trình giải mã, mRNA, ribosome, chuỗi polypeptide sẽ được tách rời 
nhau và chuỗi polypeptide sẽ được giải phóng vào trong tế bào chất. 
Trước khi một chuỗi poly-peptide mới được tổng hợp có thể bắt đầu 
thực hiện hoạt động chức năng nó thường phải trãi qua một số biến đổi. 
 14 
 Những biến đổi này được gọi là biến đổi sau giải mã (posttranslational 
modification). 
Sự biến đổi này có thể diễn ra theo các kiểu khác nhau. Chuỗi 
polypeptide có thể được cắt thành các đoạn nhỏ hơn hoặc các chuỗi 
polypeptide khác nhau được gắn lại với nhau để tạo thành một phân tử 
protein lớn hơn hoặc các chuỗi bên carbohydrate được gắn thêm vào chuỗi 
polypeptide v.v... Những biến đổi này hết sức cần thiết để phân tử protein 
có được cấu trúc không gian chính xác, giúp chúng ổn định về cấu trúc và 
thực hiện các chức năng sinh học. 
 15