Phiên mã gen là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Phiên mã gen là quá trình sao chép thông tin di truyền từ chuỗi DNA thành phân tử RNA nhờ RNA polymerase và yếu tố phiên mã, nền tảng biểu hiện gen. Quá trình bao gồm khởi đầu đánh dấu promoter, kéo dài tổng hợp chuỗi RNA theo chiều 5′→3′ và kết thúc khi gặp tín hiệu terminator trên mạch DNA.

Giới thiệu chung về phiên mã gen

Phiên mã gen (transcription) là quá trình sao chép thông tin di truyền từ chuỗi DNA thành phân tử RNA, là bước đầu tiên không thể thiếu trong biểu hiện gen. Phân tử RNA thu được có thể là mRNA, rRNA, tRNA hoặc các loại RNA không mã hóa khác, đóng vai trò điều hòa biểu hiện, vận chuyển và tổng hợp protein trong tế bào (NCBI Bookshelf).

Trình tự và cấu trúc của promoter, enhancer và silencer trên DNA quyết định khi nào, ở đâu và ở mức độ nào gen được phiên mã. Sự điều hòa phiên mã linh hoạt cho phép tế bào đáp ứng tín hiệu môi trường, phân chia tế bào, biệt hóa và quá trình phát triển sinh vật.

Sai sót trong phiên mã có thể dẫn đến đột biến RNA, điều hòa biểu hiện không chính xác và gây ra các bệnh lý như ung thư, bệnh thoái hóa thần kinh và rối loạn phát triển. Do đó, nghiên cứu cơ chế phiên mã là trung tâm của sinh học phân tử và y sinh hiện đại.

Cấu trúc và vai trò của DNA trong phiên mã

DNA cung cấp chuỗi khuôn (template strand) chứa trình tự nucleotide định hướng cho sự lắp ráp ribonucleotide. Vùng promoter bao gồm các vị trí tương tác đặc hiệu với RNA polymerase và các yếu tố phiên mã, thường chứa box TATA ở eukaryote và -10, -35 box ở vi khuẩn (NCBI PMC3352864).

Các yếu tố điều hòa xa như enhancer và silencer có thể nằm hàng trăm kilobase khỏi gene, tác động thông qua cấu trúc không gian của chromatin. Nồng độ ion Mg²⁺ và thay đổi độ xoắn DNA cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mối nối DNA–RNA trong quá trình kéo dài.

Thành phần DNAVị tríVai trò chính
Promoter (TATA box)~25–35 bp phía trước startGắn RNA polymerase, xác định điểm khởi đầu
EnhancerCách gene xa (±kb–Mb)Tăng cường hiệu quả phiên mã
SilencerCó thể trong intron hoặc xa geneỨc chế gắn yếu tố phiên mã
TerminatorCuối vùng mã hóaKết thúc phiên mã, phóng thích RNA
Nguồn: NCBI PMC3352864

Tỷ lệ GC/AT trong vùng promoter và exon ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy của DNA và tốc độ phiên mã. Vùng giàu GC thường ổn định hơn nhưng có thể làm chậm quá trình tách chuỗi kép ban đầu.

Các thành phần chính của bộ máy phiên mã

RNA polymerase là enzyme trung tâm catalyze liên kết phosphodiester giữa các ribonucleotide theo hướng 5′→3′. Ở vi khuẩn, chỉ có một loại RNA polymerase gồm năm tiểu đơn vị α₂ββ′ω với yếu tố sigma (σ) giúp nhận diện promoter.

Ở eukaryote, tồn tại ba polymerase chính:

  • RNA Pol I: tổng hợp rRNA (28S, 18S, 5.8S).
  • RNA Pol II: tổng hợp mRNA và nhiều loại RNA không mã hóa.
  • RNA Pol III: tổng hợp tRNA, 5S rRNA và snRNA nhỏ.

Các yếu tố phiên mã chung (GTFs) như TFIIA–H, mediator complex và chromatin remodelers hợp tác để hình thành phức hợp tiền khởi đầu (pre-initiation complex) trên promoter, tạo môi trường thích hợp cho Pol II bắt đầu tổng hợp RNA (Nature Rev. Genetics).

Các giai đoạn phiên mã

Khởi đầu: Phức hợp tiền khởi đầu hình thành khi RNA polymerase và các yếu tố phiên mã gắn chính xác lên promoter. Sự tách chuỗi DNA xảy ra trong cửa sổ phiên mã (transcription bubble) dài ~14–17 bp.

Kéo dài: RNA polymerase di chuyển dọc theo DNA, mở và đóng phiên bản chuỗi kép, tổng hợp RNA với tốc độ ~20–50 nucleotide/giây. Cấu trúc K-shaped của enzyme đảm bảo độ chính xác cao và cơ chế sửa lỗi sơ bộ qua pyrophosphorolysis.

  • Chèn nucleotide mới vào vị trí 3′ của RNA đang tổng hợp.
  • Đẩy mạch DNA đã phiên mã ra phía sau.
  • Phòng ngừa tạo cấu trúc thứ cấp không mong muốn của RNA bằng yếu tố NusA (vi khuẩn) hoặc TFIIS (eukaryote).

Kết thúc: Khi polymerase gặp tín hiệu terminator (ví dụ rho-dependent hoặc rho-independent ở vi khuẩn; polyadenylation signal ở eukaryote), phóng thích RNA và tách khỏi DNA. Sự kiện này thường kèm theo cắt bỏ đuôi poly(A) sơ bộ ở eukaryote (NCBI PMC3335260).

Điều hòa phiên mã

Sự điều hòa phiên mã ở cấp độ DNA–RNA cho phép tế bào kiểm soát chính xác lượng RNA sản sinh và đáp ứng linh hoạt trước tín hiệu ngoại bào. Các yếu tố phiên mã đặc hiệu (transcription factors, TFs) gắn vào vùng promoter, enhancer hoặc silencer, điều chỉnh khả năng tuyển RNA polymerase lên khuôn DNA (NCBI PMC3335260, Nature Rev. Genetics).

Các cơ chế chính bao gồm:

  • Điều hòa âm tính: repressor gắn vào silencer hoặc operator ngăn cản phức hợp khởi đầu hình thành.
  • Điều hòa dương tính: activator gắn enhancer hoặc vùng UAS (upstream activating sequence) kéo dài tương tác giữa promoter và bộ máy phiên mã.
  • Chromatin remodeling: thay đổi cấu trúc nucleosome qua các phức hợp SWI/SNF, ISWI, giúp mở mật độ chromatin để TFs và polymerase truy cập DNA.

Epigenetic, như methyl hóa DNA và acetyl hóa histone, cũng góp phần vào điều hòa bền vững, ảnh hưởng đến mức độ cô đặc của chromatin, từ đó quyết định tính sẵn sàng của gen cho quá trình phiên mã (NCBI PMC3352864).

Sự khác biệt giữa vi khuẩn và eukaryote

Ở vi khuẩn, chỉ có một loại RNA polymerase và promoter đơn giản gồm hai vùng -10 (Pribnow box) và -35. Yếu tố sigma (σ) là thành phần duy nhất cần thiết để định vị promoter và khởi động phiên mã. Quá trình phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời trong cùng ngăn bào tương.

Ở eukaryote, có ba RNA polymerase (I, II, III) tương ứng tổng hợp rRNA, mRNA và tRNA/snRNA. Phức hợp tiền khởi đầu (pre-initiation complex) gồm Pol II, TFIIA–H và mediator complex phải được lắp ráp tại promoter, đồng thời chromatin remodeling là bước bắt buộc (NCBI Bookshelf).

Đặc điểmVi khuẩnEukaryote
RNA polymeraseĐơn loại + σBa loại (I, II, III)
Yếu tố khởi độngσ factorGTFs (TFIIA–H), mediator
ChromatinKhông có nucleosomeNucleosome, epigenetic
Không gian phiên mã/dịch mãCùng bào tươngNhân vs tế bào chất

Sự tách biệt về ngăn bào học (nhân và tế bào chất) ở eukaryote cho phép xử lý sơ bộ mRNA trước khi xuất khẩu, đồng thời đa dạng hóa điều hòa biểu hiện gen ở mức sau phiên mã.

Phiên mã và xử lý sơ bộ mRNA ở eukaryote

Sau khi Pol II tổng hợp mRNA thô (pre-mRNA), chuỗi RNA trải qua ba bước xử lý sơ bộ cần thiết để hình thành mRNA trưởng thành:

  1. Capping 5′: gắn mũ 7-methylguanosine (m⁷G) vào đầu 5′, bảo vệ khỏi exonuclease và hỗ trợ dịch mã.
  2. Splicing: loại bỏ intron và nối exon qua spliceosome, cho phép đa dạng hóa isoform thông qua splicing thay thế (alternative splicing).
  3. Polyadenylation 3′: thêm đuôi poly(A) ~200 adenosine, tăng ổn định mRNA và thúc đẩy xuất khẩu từ nhân sang tế bào chất (EMBL-EBI).

Quá trình này diễn ra đồng thời với phiên mã và được phối hợp bởi C-terminal domain (CTD) của Pol II, nơi đóng vai trò “băng tải” cho các enzyme xử lý mRNA. Sai sót trong splicing hoặc capping thường dẫn đến mRNA không chức năng và bị phân hủy nhanh chóng.

Độ chính xác và sửa lỗi trong phiên mã

Pol II có cơ chế proofreading kém hơn Pol DNA, nhưng vẫn duy trì độ chính xác ~10⁻⁵–10⁻⁶ lỗi/nucleotide thông qua:

  • Pyrophosphorolysis: loại bỏ ribonucleotide vừa gắn sai khi có pyrophosphate.
  • Factor TFIIS (euk) / NusA, Gre (bacteria): giúp Pol ngừng và cắt bỏ đoạn RNA bị sai.

Mặc dù sai sót phiên mã thường không gây đột biến di truyền, nhưng có thể dẫn đến sản phẩm protein không đúng chức năng hoặc độc tính, ảnh hưởng đến cân bằng nội môi và phát sinh tình trạng stress tế bào (NCBI PMC3907280).

Ứng dụng và ý nghĩa trong nghiên cứu y sinh

Kỹ thuật RT-PCR (reverse transcription PCR) tận dụng quá trình phiên mã ngược để chuyển đổi RNA thành cDNA, cho phép định lượng biểu hiện gen với độ nhạy cao. RT-qPCR là tiêu chuẩn vàng trong chẩn đoán virus và định lượng mức độ biểu hiện gen (Nature Rev. Genetics).

RNA-seq sử dụng thư viện RNA để giải trình tự toàn bộ transcriptome, phát hiện isoform, đột biến và phân tích biểu hiện tương đối giữa mẫu. Dữ liệu RNA-seq hỗ trợ nghiên cứu ung thư, phát triển thuốc và hiểu cơ chế đa dạng hóa biểu hiện gen ở sinh vật (NCBI PMC3907280).

Các công nghệ mới như single-cell RNA-seq và spatial transcriptomics tiếp tục mở rộng khả năng phân tích biểu hiện gen trên một tế bào đơn lẻ hoặc trong bối cảnh mô, giúp khám phá tính dị biệt tế bào và cơ chế bệnh lý ở cấp độ vi mô.

Tài liệu tham khảo

  1. Molecular Biology of the Cell. Alberts B., et al. 6th ed. Garland Science; 2014.
  2. NCBI Bookshelf. Chapter “Overview of Transcription”. NBK26840
  3. NCBI PMC3335260. Chromatin remodeling in transcription. PMC3335260
  4. Nature Rev. Genetics. Transcriptional enhancers: mechanistic and functional insights. 2012;13(9):613–626. nrg3204
  5. NCBI PMC3352864. GC content and gene expression. PMC3352864
  6. EMBL-EBI Training. RNA processing and analysis. ebi.ac.uk
  7. NCBI PMC3907280. Transcription fidelity and proofreading. PMC3907280
  8. Nature Rev. Genetics. RNA-seq: a revolutionary tool for transcriptomics. 2012;13(1):1–14. nrg2484

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề phiên mã gen:

Liên Hệ Giữa Các Đặc Điểm Liên Quan Đến Lo Âu Với Đa Hình Trong Vùng Điều Hòa Của Gen Vận Chuyển Serotonin Dịch bởi AI
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 274 Số 5292 - Trang 1527-1531 - 1996
Việc hấp thu serotonin (5-hydroxytryptamine hay 5-HT) được hỗ trợ bởi chất vận chuyển đã được cho thấy có liên quan đến lo âu ở người và các mô hình động vật, và là nơi tác động của các loại thuốc chống trầm cảm và chống lo âu phổ biến đang ức chế sự hấp thu. Quá trình phiên mã của gen vận chuyển 5-HT ở người (5-HTT) được điều chỉnh bởi một loại đa hình phổ biến ở vùng điều hòa thượng nguồ...... hiện toàn bộ
#Serotonin #Vận Chuyển Serotonin #Lo Âu #Gen Versatile #Đặc Điểm Liên Quan Đến Lo Âu #Phiên Mã Gen #Đa Hình #Nguyên Bào Lympho.
Định lượng tuyệt đối mRNA sử dụng xét nghiệm phản ứng chuỗi polymerase phiên mã ngược thời gian thực Dịch bởi AI
Journal of Molecular Endocrinology - Tập 25 Số 2 - Trang 169-193 - 2000
Phản ứng chuỗi polymerase phiên mã ngược (RT-PCR) là phương pháp nhạy nhất để phát hiện mRNA với số lượng thấp, thường thu được từ các mẫu mô hạn chế. Tuy nhiên, đây là một kỹ thuật phức tạp, có nhiều vấn đề đáng kể liên quan đến độ nhạy, tính tái sản xuất và tính đặc hiệu của nó, và với tư cách là một phương pháp định lượng, nó gặp phải những vấn đề vốn có trong PCR. Sự ra đời gần đây của...... hiện toàn bộ
#RT-PCR #định lượng mRNA #phiên mã #gen housekeeping #động học
Phân tích khác biệt cho RNA-seq: ước lượng cấp độ phiên mã cải thiện suy diễn cấp độ gen Dịch bởi AI
F1000Research - Tập 4 - Trang 1521
Phân tích RNA-seq trong các nghiên cứu transcriptome được sử dụng rộng rãi để đặc trưng hóa bản sao của tế bào. Nhiều nghiên cứu transcriptomic nhằm mục đích so sánh các mức độ phong phú hoặc thành phần transcriptome giữa các điều kiện nhất định, và bước đầu tiên là sử dụng các đọc sequencer như cơ sở cho việc đo lường độ phong phú của các đặc điểm transcriptome có liên quan, chẳng hạn như gen hoặ...... hiện toàn bộ
Một biến thể di truyền phổ biến trong vùng không phiên mã 3' của gen prothrombin liên quan đến mức prothrombin huyết thanh cao và tăng nguy cơ hình thành huyết khối tĩnh mạch Dịch bởi AI
Blood - Tập 88 Số 10 - Trang 3698-3703 - 1996
Chúng tôi đã khảo sát gen prothrombin như một gen ứng cử viên cho huyết khối tĩnh mạch ở những bệnh nhân được chọn có tiền sử gia đình về thrombophilia tĩnh mạch đã được ghi nhận. Tất cả các exon và vùng 5′-UT và 3′-UT của gen prothrombin đã được phân tích bằng phương pháp phản ứng chuỗi polymerase và giải trình tự trực tiếp ở 28 bệnh nhân. Ngoại trừ các vị trí đa hình đã biết, không phát ...... hiện toàn bộ
#gen prothrombin #huyết khối tĩnh mạch #allele A 20210 #mức prothrombin huyết thanh #đa hình gen
MẠNG LƯỚI ĐIỀU KHIỂN TRANSCREPTIONAL TRONG CÁC PHẢN ỨNG VÀ KHẢ NĂNG THÍCH ỨNG CỦA TẾ BÀO ĐỐI VỚI CĂNG THẲNG HIẾM NƯỚC VÀ LẠNH Dịch bởi AI
Annual Review of Plant Biology - Tập 57 Số 1 - Trang 781-803 - 2006
Sự phát triển và năng suất của cây trồng bị ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố môi trường như hạn hán, độ mặn cao và nhiệt độ thấp. Biểu hiện của nhiều loại gen được kích thích bởi các yếu tố căng thẳng này ở nhiều loại cây khác nhau. Sản phẩm của những gen này không chỉ hoạt động trong việc chống chọi với căng thẳng mà còn trong phản ứng với căng thẳng. Trong mạng lưới truyền tín hiệu từ việc ...... hiện toàn bộ
#căng thẳng hạn hán #căng thẳng lạnh #quá trình điều hòa phiên mã #cây trồng #tín hiệu căng thẳng #yếu tố phiên mã #biểu hiện gen
Mô-đun dị loại mới cho sự huỷ bỏ gene cổ điển hoặc dựa trên PCR trong Saccharomyces cerevisiae Dịch bởi AI
Yeast - Tập 10 Số 13 - Trang 1793-1808 - 1994
Tóm tắtChúng tôi đã xây dựng và kiểm nghiệm một mô-đun kháng sinh ưu thế, để lựa chọn các biến đổi gen của S. cerevisiae, hoàn toàn bao gồm DNA dị loại. Mô-đun kanMX này chứa khung đọc mở kanr đã biết của yếu tố di chuyển Tn903 từ E. coli... hiện toàn bộ
#Mô-đun kháng dị loại #huỷ bỏ gene #<i>S. cerevisiae</i> #khung đọc mở #PCR #biến đổi gen #kháng geneticin #lựa chọn G418 #phiên mã #dịch mã #nấm sợi <i>Ashbya gossypii</i> #bất hoạt gene #lặp lại trực tiếp #tích hợp đúng #vị trí hạn chế #<i>in vivo</i>.
Ảnh hưởng của đa hình trong vùng promoter của yếu tố hoại tử khối u α ở người lên hoạt động phiên mã Dịch bởi AI
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America - Tập 94 Số 7 - Trang 3195-3199 - 1997
Yếu tố hoại tử khối u α (TNFα) là một chất điều hòa miễn dịch mạnh mẽ và là cytokine có tính chất tiền viêm đã được liên kết với sự phát triển của các bệnh tự miễn và nhiễm trùng. Ví dụ, mức độ TNFα trong huyết tương có mối tương quan tích cực với mức độ nghiêm trọng và tỷ lệ tử vong trong bệnh sốt rét và bệnh leishmania. Chúng tôi đã mô tả trước đây một đa hình tại vị trí −308 trong promo...... hiện toàn bộ
#Yếu tố hoại tử khối u α #TNFα #đa hình #phiên mã #bệnh tự miễn #bệnh nhiễm trùng #sốt rét #leishmaniasis #bệnh sốt rét thể não #gen báo cáo #dòng tế bào B #hệ miễn dịch #cytokine #haplotype #phân tích vết chân #protein gắn DNA
Khuếch đại và định kiểu axit nucleic của rotavirus từ mẫu phân bằng phương pháp phản ứng chuỗi polymerase Dịch bởi AI
Journal of Clinical Microbiology - Tập 28 Số 2 - Trang 276-282 - 1990
Phân đoạn gen rotavirus mã hóa glycoprotein chính lớp vỏ capsid ngoài VP7 đã được khuếch đại trực tiếp từ mẫu phân bằng phản ứng chuỗi polymerase (PCR). RNA hai sợi được chiết xuất từ mẫu phân đã được sử dụng làm khuôn mẫu cho phiên mã ngược, sau đó tiếp diễn trong cùng một hỗn hợp phản ứng với sự khuếch đại, sử dụng polymerase Taq. Nhiều điều kiện khác nhau đã được kiểm tra để tối ưu hóa ...... hiện toàn bộ
#rotavirus #phản ứng chuỗi polymerase (PCR) #phiên mã ngược #glycoprotein VP7 #phân đoạn gen #định kiểu huyết thanh #cDNA #nghiên cứu di truyền học
Profiling vi sợi nhỏ bằng kỹ thuật microarray cho thấy sự đồng biểu hiện thường xuyên với các vi sợi lân cận và gen chủ Dịch bởi AI
RNA - Tập 11 Số 3 - Trang 241-247 - 2005
Các microRNA (miRNA) là các RNA nội sinh ngắn được biết đến với khả năng ức chế biểu hiện gen sau phiên mã ở động vật và thực vật. Một khảo sát lập bản đồ gen vi sợi cho thấy các mẫu biểu hiện của 175 miRNA ở người trên 24 cơ quan khác nhau của con người. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng các cặp miRNA gần nhau thường được biểu hiện đồng thời. Ngoài ra, một sự chuyển tiếp đột ngột trong ...... hiện toàn bộ
#miRNA #biểu hiện gen #microarray #gen chủ #phiên mã
BZR1 Là Một Yếu Tố Ức Chế Phiên Mã Với Vai Trò Kép Trong Quản lý Brassinosteroid Và Đáp Ứng Sinh Trưởng Dịch bởi AI
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 307 Số 5715 - Trang 1634-1638 - 2005
Sự cân bằng và truyền tín hiệu Brassinosteroid (BR) là cực kỳ quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của thực vật. Việc truyền tín hiệu BR thông qua các kinase thụ thể trên bề mặt tế bào và các thành phần nội bào dẫn đến sự khử phospho và tích luỹ của protein nhân BZR1. Tuy nhiên, cách mà sự truyền tín hiệu BR điều chỉnh sự biểu hiện gen vẫn chưa được biết đến. Tại đây, ch...... hiện toàn bộ
#Brassinosteroid #tín hiệu BR #BZR1 #phiên mã #yếu tố ức chế #cân bằng sinh hóa #sự sinh trưởng #gắn kết DNA #vi điểm #điều chỉnh gene.
Tổng số: 167   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10

Chủ đề khác

#thụ thể dopamine

Thụ thể dopamine là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#lanthanide

Lanthanide là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#hợp chất bay hơi

Hợp chất bay hơi là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#tăng nhãn áp

Tăng nhãn áp là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#virus varicella zoster

Virus varicella zoster là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

#sụn chêm

Sụn chêm là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#bộ chuyển đổi dc dc

Bộ chuyển đổi dc dc là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

#điện toán biên di động

Điện toán biên di động là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

#loạn thần

Loạn thần là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#cá lông gà

Cá lông gà là gì? các nghiên cứu khoa học về loài cá này


Xem thêm