Gene và cơ chế truyền thông tin di truyền SVIP

I. Chức năng của DNA và cơ chế tái bản DNA

1. Chức năng của DNA

Ở hầu hết sinh vật, deoxyribonucleic acid (DNA) là vật chất di truyền. 

 DNA có chức năng:

• Mang thông tin di truyền: Thành phần, số lượng và trật tự sắp xếp các đơn phân nucleotide trên một mạch DNA là thông tin di truyền đặc thù của mỗi cá thể. Các liên kết hóa học giữa các nucleotide giúp DNA bền vững, bảo quản thông tin di truyền ổn định.
• Truyền thông tin di truyền: Nucleotide trên hai mạch đơn DNA liên kết nhau bằng liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung: A - T, G - C và ngược lại. Liên kết này yếu, có thể tách nhau trong quá trình tái bản DNA để tạo thành hai mạch khuôn, khi đó các nucleotide mới kết cặp với các nucleotide mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung. Nhờ tái bản, DNA truyền thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào và cơ thể.
• Biểu hiện thông tin di truyền: Trình tự nucleotide của DNA được truyền qua nucleotide của RNA, từ đó quy định trình tự amino acid của protein. Protein là cơ sở hình thành các cấu trúc, chức năng tế bào và tính trạng của cơ thể. → DNA có chức năng biểu hiện thông tin di truyền.
• Tạo biến dị: Trình tự nucleotide của DNA có khả năng biến đổi, dẫn đến đột biến gen có lợi, có hại hoặc trung tính. Biến dị di truyền là nguyên liệu của chọn lọc tự nhiên và tiến hóa. Nhờ đó, sinh giới trở nên đa dạng và phong phú.​​

2. Tái bản DNA

Là quá trình tạo ra bản sao giống với phân tử DNA ban đầu. Diễn biến: 

• Hai mạch của DNA mẹ tách nhau, mỗi mạch làm khuôn để tổng hợp mạch mới theo nguyên tắc bổ sung và theo chiều 5' → 3' nhờ sự xúc tác của enzyme DNA polymerase.
• Một mạch được tổng hợp liên tục (mạch dẫn đầu); một mạch được tổng hợp gián đoạn (đoạn Okazaki), sau đó enzyme DNA ligase nối các đoạn ngắn này thành mạch hoàn chỉnh (mạch ra chậm).
• Nguyên tắc bán bảo toàn: Mỗi DNA con có một mạch từ DNA mẹ, một mạch mới tổng hợp.

Trước khi nguyên phân, ở pha S của chu kì tế bào, DNA trong tế bào mẹ tái bản và phân chia về hai tế bào con. → Hai tế bào con có thông tin di truyền giống hệt nhau.

Trong giảm phân tạo giao tử, sự nhân đôi của nhiễm sắc thể bắt nguồn từ sự tái bản DNA xảy ra một lần trước giảm phân I. Nhiễm sắc thể phân li hai lần trong giảm phân → tạo ra các giao tử mang một nửa DNA trong nhân so với tế bào lưỡng bội trước giảm phân.

Trong thụ tinh, sự kết hợp các nhiễm sắc thể trong giao tử - là bản sao DNA từ bố và mẹ tạo nên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng ở hợp tử.

Như vậy, tái bản DNA là cơ chế phân tử của sự truyền thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào và các thế hệ cơ thể.

II. Gene

1. Khái niệm gene

Gene là đoạn trình tự nucleotide trên DNA mang thông tin di truyền mã hóa RNA hoặc chuỗi polypeptide.

Quá trình biểu hiện gene: Gene → RNA → polypeptide → protein.

2. Cấu trúc và các loại gene

Cấu trúc một gene gồm ba vùng:

• Vùng điều hòa: Có trình tự khởi động tổng hợp RNA → điều hòa lượng sản phẩm của gene.
• Vùng mã hóa: Chứa thông tin di truyền quy định trình tự RNA hoặc chuỗi polypeptide.
• Vùng kết thúc: Mang tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp RNA.

Dựa vào chức năng, gene được chia thành gene cấu trúc và gene điều hòa.

• Gene cấu trúc: Gene mã hóa protein hình thành cấu trúc hoặc thực hiện một số chức năng khác nhưng không có chức năng điều hòa. Ví dụ: Gene mã hóa protein cấu trúc màng tế bào, gene mã hóa enzyme amylase xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột, gene mã hóa rRNA, tRNA,...
• Gene điều hòa: Gene mã hóa protein điều hòa hoạt động của gene cấu trúc. Ví dụ: Gene mã hóa protein ức chế/hoạt hóa mức độ biểu hiện của các gene mã hóa enzyme.

Dựa vào cấu trúc vùng mã hóa: Gene không phân mảnh và gene phân mảnh.

• Gene không phân mảnh: Vùng mã hóa chỉ có trình tự được dịch mã. Vi khuẩn chỉ có gene không phân mảnh. Ở sinh vật nhân thực, gene không phân mảnh chiếm tỉ lệ nhỏ.

  

• Gene phân mảnh: Vùng mã hóa gồm các đoạn trình tự được dịch mã (exon) xen kẽ các đoạn không được dịch mã (intron). Gene phân mảnh có ở sinh vật nhân thực và một số ít vi sinh vật cổ.

  

III. RNA và phiên mã

1. Các loại RNA

RNA có cấu trúc mạch đơn polynucleotide gồm đơn phân là các nucleotide: Adenine (A), Uracil (U), Guanine (G) và Cytosine (C).

Có ba loại RNA với các chức năng khác nhau và cùng tham gia tổng hợp protein:

mRNA - RNA thông tin

• Có kích thước phụ thuộc độ dài gene mã hóa, chiếm 4% tổng lượng RNA.
• Có chức năng trung gian truyền thông tin di truyền từ gene đến protein.
• Trình tự mã hóa trên mRNA quy định trình tự chuỗi polypeptide được dịch mã → quyết định cấu trúc và chức năng của protein.

tRNA - RNA vận chuyển

• Dài khoảng 74 – 95 nucleotide.
• Có những đoạn trình tự nucleotide bắt cặp bổ sung với nhau.
• Mỗi tRNA chứa một bộ ba đối mã (anticodon) và trình tự đầu 3’ đặc thù liên kết với một loại amino acid nhất định.
• Có chức năng vận chuyển các amino acid tới ribosome khi dịch mã. Ví dụ: tRNA^Met vận chuyển amino acid loại methionine.

​rRNA - RNA ribosome 

• Chiếm khoảng 80% tổng lượng RNA, thường có kích thước lớn.
• rRNA liên kết với các protein tạo thành tiểu phần lớn và tiểu phần nhỏ của ribosome.
• Ribosome là nơi xảy ra dịch mã.

2. Phiên mã và phiên mã ngược

a. Phiên mã

Phiên mã là quá trình tổng hợp RNA trong tế bào dựa trên khuôn DNA.

Diễn biến:

• Enzyme RNA polymerase bám vào vùng khởi động của gene.
• Enzyme RNA polymerase di chuyển trên mạch khuôn (có chiều 3’ → 5’) của gene để tổng hợp RNA theo chiều 5’ → 3’. 
• Enzyme RNA polymerase tách hai mạch DNA, các nucleotide tự do được gắn với các nucleotide trên mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung (A - U, T - A, G - C và C - G) và tạo ra RNA.

Ở sinh vật nhân thực: Có nhiều loại RNA polymerase; sau phiên mã tạo ra tiền mRNA và được xử lý (gắn mũ đầu 5’; cắt bỏ intron, nối các exon; tổng hợp đuôi poly A đầu 3’) → tạo ra mRNA trưởng thành.

b. Phiên mã ngược ở tế bào nhân thực

Là quá trình tổng hợp DNA bổ sung (cDNA) dựa trên khuôn RNA bởi enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase).

Phiên mã ngược cần cho sự nhân lên của một số virus (như HIV, viêm gan B – HBV) để tạo DNA, sau đó hợp nhất DNA này vào hệ gene tế bào chủ.

Ở vi khuẩn, động vật và thực vật, phiên mã ngược xảy ra nhờ retrotransposon - yếu tố di truyền vận động. Retrotransposon phiên mã ngược các RNA tạo ra cDNA và chèn vào các vị trí trên DNA → tăng kích thước DNA, tạo nên các trình tự DNA lặp lại trong tế bào.​

​IV. Mã di truyền và dịch mã

1. Mã di truyền

Mã di truyền là trình tự nucleotide được mã hóa ở dạng mã bộ ba (codon) trên mRNA xác định trình tự amino acid trong một chuỗi polypeptide.

Các đặc điểm của mã di truyền:

• Là mã bộ ba: Ba nucleotide liền nhau trên mRNA  (một codon theo chiều 5’ → 3’) mã hóa một amino acid; mã được đọc kế tiếp, không gối nhau.
• Gồm 61 bộ ba mã hóa và 3 bộ ba kết thúc. Bộ ba mở đầu dịch mã: AUG → mã hóa methionine (sinh vật nhân thực) hoặc formyl methionine (sinh vật nhân sơ). Ba bộ ba kết thúc dịch mã: UAA, UAG, UGA → không mã hóa cho amino acid nào.
• Tính đặc hiệu: Mỗi bộ ba chỉ mã hóa cho một amino acid duy nhất, trừ 3 bộ ba kết thúc.
• Tính thoái hóa: Nhiều bộ ba khác nhau cùng mã hóa cho một amino acid.
• Tính phổ biến: Hầu hết sinh vật đều có chung mã di truyền (trừ một số trường hợp ngoại lệ).

2. Dịch mã

Là quá trình sinh tổng hợp protein: Thông tin trình tự nucleotide trên mRNA chuyển thành trình tự amino acid của chuỗi polypeptide.

Hai giai đoạn dịch mã: Hoạt hóa amino acid và tổng hợp chuỗi polypeptide.

Hoạt hóa amino acid

Mỗi amino acid được liên kết vào đầu 3’ của tRNA (tRNA^aa) có bộ ba đối mã tương ứng nhờ sự xúc tác đặc hiệu của enzyme aminoacyl tRNA synthetase.

Quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide

Quá trình này bắt đầu sau khi ribosome bám vào trình tự nucleotide đặc thù phía đầu 5’ của mRNA.

Tổng hợp chuỗi polypeptide gồm 3 giai đoạn: Mở đầu, kéo dài và kết thúc. Ví dụ ở sinh vật nhân sơ:

Tại một thời điểm, trên mRNA có thể có nhiều ribosome tham gia dịch mã, được gọi là polyribosome (polysome).

V. Sơ đồ cơ chế truyền thông tin di truyền ở cấp độ phân tử

Thông tin di truyền được truyền đạt từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác qua quá trình tái bản DNA, và được truyền từ DNA qua mRNA tới protein, từ đó quy định các tính trạng của cơ thể sinh vật.

Trong hầu hết trường hợp, thông tin di truyền được truyền một chiều: DNA → mRNA → protein.

Trong trường hợp đặc biệt, thông tin từ RNA có thể được truyền ngược lại sang DNA qua quá trình phiên mã ngược. Ví dụ: HIV có vật chất di truyền là RNA. Khi vào tế bào người, enzyme phiên mã ngược trong virus tổng hợp DNA từ RNA rồi tích hợp DNA đó vào NST của tế bào chủ.

Toàn bộ quá trình truyền tin từ DNA – RNA – protein đều dựa trên NTBS đặc hiệu: A - T/U; G - C.

1. DNA có chức năng lưu giữ, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào và cơ thể là nhờ sự kết cặp đặc hiệu giữa A - T và G - C trong cấu trúc.

2. Quá trình tái bản DNA diễn ra theo nguyên tắc bổ sung và bán bảo toàn, nhờ đó hai phân tử DNA con được tạo ra hoàn toàn giống phân tử DNA mẹ. Nhờ quá trình phân bào, mỗi phân tử DNA đi về một tế bào, đảm bảo cho sự truyền đạt thông tin di truyền từ tế bào mẹ sang tế bào con hay từ thế hệ này sang thế hệ sau.

3. Gene là một đơn vị di truyền mang thông tin mã hóa cho chuỗi polypeptide hoặc phân tử RNA. Mỗi gene cấu trúc gồm ba vùng trình tự nucleotide: điều hòa, mã hóa và kết thúc. Căn cứ vào cấu trúc vùng mã hóa có thể phân biệt gene phân mảnh và gene không phân mảnh hoặc căn cứ vào chức năng có thể phân biệt gene điều hòa và gene cấu trúc.

4. RNA thông tin có cấu trúc một mạch thẳng, trực tiếp truyền thông tin di truyền từ gene trên DNA đến protein; tRNA là một phân tử có cấu trúc không gian ba chiều ổn định, làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid đến ribosome để lắp ghép thành chuỗi polypeptide trong quá trình dịch mã; rRNA có cấu trúc một mạch, liên kết với protein tạo nên ribosome. Ribosome là nhà máy tổng hợp protein.

5. Phiên mã là quá trình thông tin di truyền trên gene được phiên mã thành các codon trên mRNA theo nguyên tắc bổ sung. Phiên mã ngược là quá trình tổng hợp DNA từ mạch khuôn mRNA nhờ enzyme phiên mã ngược.

6. Mã di truyền là mật mã quy định thông tin về trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide được mã hóa trong mạch khuôn của gene dưới dạng các mã bộ ba. Mã di truyền có tính đặc hiệu, tính thoái hóa và tính phổ biến.

7. Dịch mã là quá trình các tRNA mang các amino acid tương ứng khớp bổ sung anticodon với codon trên mRNA trong ribosome để tổng hợp chuỗi polypeptide. Polyribosome bao gồm nhiều ribosome cùng hoạt động trên phân tử mRNA giúp tăng hiệu suất dịch mã.

8. Nhờ cơ chế tái bản, thông tin di truyền trên DNA được truyền qua các thế hệ tế bào và cơ thể. Thông tin di truyền trên gene được biểu hiện thành tính trạng nhờ quá trình phiên mã và dịch mã.