Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khởi đầu phiên mã ở sinh vật nhân thực  

Error message

Deprecated function: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in _menu_load_objects() (line 579 of /home/vjsonline/GIT/vjs/main_website/includes/menu.inc).

Tác giả: Nguyễn Thị Tuyết (Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP. HCM)

Phiên mã là quá trình truyền thông tin di truyền từ DNA sang mRNA gồm 3 giai đoạn chính: khởi đầu, kéo dài và kết thúc (Hình 1). Phiên mã được bắt đầu khi phức hợp phiên mã hình thành tại  đầu 3’ trên mạch khuôn DNA tại vị trí đặc biệt – điểm khởi đầu phiên mã (transcription start site). Quá trình này được kiểm soát chặt chẽ bởi nhiều yếu tố khác nhau trong đó có các yếu tố: vùng promoter lõi (core promoter), các nhân tố tăng cường (enhancer) và các đồng yếu tố (cofactor).

                                                 Hình 1: Các giai đoạn của quá trình phiên mã                                           

Cơ chế phân tử của quá trình khởi đầu phiên mã 

Hình 2: Cơ chế phân tử của quá trình khởi đầu phiên mã. (a) Phức hợp tiền phiên mã (PIC) được hình thành tại vùng promoter lõi, (b) Phức hợp PIC bị tháo rời để RNA polymerase II phiên mã một đoạn RNA dài 30 - 50 nucleotide, (c) RNA polymerase II dừng lại ở vị trí pause stop.

Trước khi quá trình phiên mã diễn ra, các phức hợp tiền phiên mã (pre-transcription complex – PIC) được hình thành từ sáu yếu tố phiên mã GTFs (general transcription factors) và RNA polymerase II. Đầu tiên, yếu tố phiên mã TFIID nhận diện các yếu tố trên vùng promoter lõi tạo điều kiện thuận lợi cho các yếu tố TFIIA và TFIIB bám lên sau đó. Tiếp theo, phức hợp RNA polymerase II – TFIIF bám lên vùng trình tự khởi đầu phiên mã (transcription start site – TSS). Cuối cùng, các yếu tố TFIIE và TFIIH lần lượt bám lên tạo thành phức hợp tiền phiên mã PIC (Hình 2a).

Sau khi phức hợp PIC lắp ráp xong, mạch đôi DNA tại vùng promoter lõi sẽ giãn xoắn và RNA polymerase II bắt đầu phiên mã tại vị trí khởi đầu (transcription start site – TSS) một đoạn RNA ngắn dài khoản 30 – 50 nucleotide về phía hạ nguồn . Quá trình phiên mã sẽ được tiếp tục khi yếu tố TFIIH phosphoryl hóa acid amin Ser5 và Ser7 trên đuôi C của RNA polymerase II. Quá trình phosphoryl hóa này sẽ làm cho các yếu tố phiên mã tách ra khỏi RNA polymerase II (Hình 2b).

Sau khi vượt qua vị trí TSS, các yếu tố cảm ứng nhạy cảm với DRB (DRB sensitivity- inducing factor - DSIF) và yếu tố kéo dài âm tính (negative elongation factor - NELF) bám lên RNA polymerase II và đoạn RNA mới sinh làm cho quá trình phiên mã bị dừng lại. Quá trình các yếu tố DSIF và NELF rời khỏi RNA polymerase II được điều hòa bởi CDK9 (cyclin- dependent kinase 9) thông qua sự phosphoryl hóa DSIF, NELF và vị trị Ser2 trên đuôi carbon của RNA polymerase II. Khi các yếu tố DSIF và NELF được giải phóng khỏi RNA polymerase II, quá trình phiên mã sẽ được tiếp tục (Hình 2c).

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khởi sự phiên mã

Promoter lõi (core promoter)

Promoter lõi thường nằm ở vị trí -35 về phía thượng nguồn của gen và chứa trình tự nhận biết của RNA polymerase II và các yếu tố phiên mã khác (vị trí TSS). Quá trình phiên mã của RNA polymerase II chịu ảnh hưởng của promoter lõi thông qua:

Trình tự gen ở vùng promoter lõi có vai trò hỗ trợ cho quá trình nhận biết của RNA polymerase II, các yếu tố phiên mã GTFs và hỗ trợ cho quá trình lắp ráp các phức hợp tiền phiên mã (PIC). Những sự thay đổi nhỏ trong trình tự vùng promoter lõi có thể dẫn đến việc các GTFs không thể nhận diện hoặc PIC không thể hoạt đông bình thường.

Sự xuất hiện của các trình tự di – nucleotide lặp lại thường được tìm thấy trong trong vùng promoter lõi.  Hiện nay, hai trình tự nucleotide C-G và A-T được tìm thấy có sự lặp lại nhiều trong vùng promoter lõi và nằm ở vị trí hạ nguồn của trình tự TSS. Vai trò của hai trình tự này vẫn chưa được hiểu rõ. Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy trình tự C-G thường lặp lại cao trên các gen giữ nhà (housekeeping gene), hoặc các gen mã hóa cho các nhân tố chủ chốt trong quá trình điều hòa phát triển phôi, phát triển hình dạng và cấu trúc của cơ thể và các bộ phận cơ thể. Trong khi đó, trình tự A-T thường lặp lại có tính tuần hoàn và thường được tìm thấy trong vùng liên kết giữa nucleosome và TSS.

Các biến đổi trên histone sau phiên mã tại vị trí promoter lõi là một yếu tố khác tác động đến quá trình khởi đầu phiên mã ở sinh vật nhân thực. Quá trình acetyl hóa trên histone sẽ làm giảm ái lực giữa DNA và nucleosome, làm chromatin mở ra. Quá trình này sẽ làm lộ ra vị trí bám cho các đồng yếu tố (cofactors) cần thiết cho quá trình phiên mã.

Sự ảnh hưởng của các enhancer (yếu tố tăng cường) và cofactor (đồng yếu tố)

Các yếu tố tăng cường (enhancer) và đồng yếu tố (cofactor) là những nhân tố tham gia vào quá trình cảm ứng để kích hoạt và tăng cường hoạt động của các promoter.

Hình 3: Ảnh hưởng của enhancer đến hoạt động tại vùng promoter lõi

Quá trình phiên mã tại vùng promoter được kích hoạt bởi các enhancer nằm cách xa vị trí phiên mã (ở thượng nguồn hoặc hạ nguồn). Vùng enhancer chứa các trình tự nhận biết của các yếu tố phiên mã (Transcription Factor – TF) và có sự tập trung của các đồng yếu tố (cofactor – COF). Sự hình thành các liên kết giữa vùng enhancer, TF và COF sẽ tạo thành các tín hiệu kích hoạt phức hợp tiền phiên mã hoạt động (hình 3). 

Hình 4: (a) Ảnh hưởng của enhancer và các đồng yếu tố (COFs) đến phức hợp tiền phiên mã PIC, (b) Quá trình giải phóng các yếu tố phiên mã (GTFs) ra khỏi RNA polymerase II, (c) Quá trình kéo dài RNA qua vị trí Pause site.

Khi phức hợp tiền phiên mã (PIC) được rắp láp hoàn chỉnh, các phức hợp hình thành trên vùng tăng cường sẽ tích lũy các phức hợp trung gian (Mediator complex – MED) hoặc các histone acetyltransferase p300 để tăng cường quá trình phiên mã của RNA polymerase II. Ở giai đoạn kéo dài RNA qua vùng pause site (khi RNA mới sinh có độ dài 30 – 50 nucleotide), vùng enhancer sẽ tích lũy nhân tố BRD4 (bromodomain- containing protein 4) và nhân tố kéo dài dương tính P-TEFb (positive transcription elongation factor b). Sự tích lũy các nhân tố này sẽ làm cho các yếu tố NELF và DSIF sẽ bị tăng cường phosphoryl hóa do các kinase. Kết quả là RNA polymerase II tiếp tục quá trình phiên mã.

Tham khảo: Haberle, V., & Stark, A. (2018). Eukaryotic core promoters and the functional basis of transcription initiation. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 1.

Còn tiếp (Kì tới: Đặc điểm vùng promoter lõi tác động đến quá trình khởi đầu phiên mã)