Đặc điểm vùng promoter lõi tác động đến quá trình khởi đầu phiên mã  


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

Promoter lõi (Core promoter) nằm trong vùng promoter chứa vị trí khởi đầu phiên mã ở sinh vật nhân thực. Tại đây, quá trình khởi đầu phiên mã được kiểm soát chặt chẽ bởi nhiều cơ chế khác nhau. Mỗi một kiểu promoter lõi chịu trách nhiệm cho quá trình phiên mã ra các mRNA khác nhau cần thiết cho nhiều quá trình khác nhau trong cơ thể. Vậy đặc điểm nào của promoter lõi tác động đến quá trình khởi đầu phiên mã ?

Đặc điểm promoter lõi

Cấu trúc cơ bản của một promoter

Promoter là vùng trình tự trên gen cần thiết trong quá trình phiên mã các mRNA ở sinh vật nhân thực. Vùng promoter gồm ba vùng chính là promoter lõi, cận biên promoter và ngoại biên promoter (Hình 1).

Hình 1: Sơ đồ vùng promoter ở sinh vật nhân thực. Vùng promoter gồm 3 phần: promoter lõi, cận biên promoter và ngoại biên promoter. Tại vùng promoter lõi, các nhân tố phiên mã TFIIA, TFIIB, TFIIH, TFIIE kết hợp với RNA polymerase II tạo thành phức hợp tiền phiên mã. Các nhân tố ở các vùng cận biên và ngoại biên promoter tác động đến hoạt động của phức hợp tiền phiên mã.

Promoter lõi thường nằm vị trí -35 về phía thượng nguồn của gen và được xem là chìa khóa trong quá trình khởi đầu phiên mã. Vùng promoter lõi chứa vị trí khởi đầu phiên mã TSS (Transcription Start Site), vị trí bám của RNA polymerase II và các yếu tố phiên mã GTFs (General Transcription Factors).

Vùng cận biên (proximal) promoter: nằm ở vị trí -250 về phía thượng nguồn gen. Vùng này thường chứa các trình tự nhận biết của các yếu tố phiên mã đặc biệt có vai trò trong điều hòa quá trình hoạt động của phức hợp tiền phiên mã.

Vùng ngoại biên (distal) promoter: nằm ở khoảng cách xa đối với vùng promoter lõi. Vùng ngoại biên thường chứa các trình tự nhận biết của các yếu tố đặc biệt, các trình tự điều hòa phiên mã, và các vùng tăng cường phiên mã (enhancer).

(*các vùng điều hòa và các vùng enhancer có thể nằm hoặc không nằm ở vùng ngoại biên promoter. Các vùng này không phụ thuộc vào vị trí và chiều của RNA polymerase II).

Đặc điểm promoter lõi

Đặc điểm cấu trúc của vùng promoter lõi được thể hiện qua trình tự acid nucleotide. Sự đa hình trong trình tự vùng promoter lõi tạo nên các kiểu promoter lõi mang các đặc trưng khác nhau. Các promoter lõi ở sinh vật nhân thực được phân thành 3 kiểu chính dựa vào đặc điểm về trình tự nucleotide, nucleosome và chức năng của gen (Hình 2).

Hình 2: Ba kiểu promoter thường gặp ở sinh vật nhân thực. (a) promoter lõi của gen chịu trách nhiệm cho quá trình biệt hóa thành các mô ở động vật hữu nhũ và ruồi giấm đều có chứa hộp TATA và yếu tố Inr; (b, c) Trong khi đó, promoter lõi của gen giữ nhà và gen mã hóa cho các nhân tố phát triển ở động vật hữu nhũ và ruồi giấm có sự khác biệt. Ở động vật hữu nhũ, promoter lõi chồng lắp lên các đảo CG. Trong khi đó, đối với ruồi giấm, các core promoter chống lắp lên các trình tự Ohler 6 và Ohler 1.

Đối với các promoter của gen chịu trách nhiệm trong quá trình biệt hóa thành các mô trong cơ thể có những đặc điểm như: vùng promoter lõi có sự tập trung, vị trí các nucleosome ngẫu nhiên ở vùng promoter lõi. Trong vùng trình tự của promoter lõi (ở cả động vật hữu nhũ và ruồi giấm) có chứa trình tự hộp TATA và yếu tố Inr. Khi các histone H3 ở nucleosome ở vùng này được trimethyl hóa ở Lysine thứ 4 và được acetyl hóa ở Lysine thứ 27 thì vùng gen này sẽ được hoạt hóa và bắt đầu phiên mã.

Ở các gen giữ nhà, vùng promoter nằm giữa các nucleosome có khoảng cách rộng cùng với sự phân tán của trình tự vị trí bám cho các yếu tố phiên mã, vị trí các nucleosome được xác định. Ngoài ra, có sự khác biệt trong trình tự promoter ở động vật và ruồi giấm. Ở động vật, vùng promoter lõi có sự chồng lắp lên các đảo CG. Ở ruồi giấm, vùng promoter lõi có sự chồng lắp lên các trình tự Ohler 1 và Ohler 6. Ngoài ra, ở vùng này còn chứa nhân tố liên quan đến quá trình sao chép DNA (DRE – DNA replication related elements).

Vùng promoter ở các gen chịu trách nhiệm cho quá trình phát triển cơ thể có cấu trúc tương tự với gen giữ nhà: trình tự vị trí bám cho các yếu tố phiên mã có sự phân tán, và vị trí nucleosome được xác định. Ở động vật, vùng promoter lõi cũng chồng lắp lên các đảo CG. Trong khi đó, promoter ở ruồi giấm có chứa yếu tố Inr đi cùng với các yếu tố promoter hạ nguồn (DPE - downstream promoter element).

Vị trí của các nucleosome H3 được trimethyl hóa ở Lysine thứ 4 và được acetyl hóa ở Lysine thứ 27 cho phép xác định vị trí hoạt động của gen giữ nhà và gen chịu trách nhiệm cho sự phát triển. Ngoài ra, sự hoạt động của gen chịu trách nhiệm cho sự phát triển sẽ ở trạng thái cân bằng hoặc ngừng hoạt động khi Histone H3 được trimethyl hóa ở Lysine 27.

Vai trò của promoter lõi trong quá trình khởi đầu phiên mã

Promoter lõi có vai trò trong việc hỗ trợ sự lắp ráp phức hợp tiền phiên mã PIC (pre-transcription initiation complex) bao gồm: RNA polymerase II và các yếu tố phiên mã khác (general transcription factors). Các trình tự trong vùng promoter hoạt động như tín hiệu hướng dẫn cho các yếu tố phiên mã bám lên và thực hiện chức năng. Mỗi một kiểu promoter khác nhau sẽ có các trình tự nucleotide khác nhau và dẫn đến các yếu tố bám tương ứng cũng khác nhau (Bảng 1).

Bảng 1: Các kiểu promoter và các nhân tố bám

Từ bảng 1, có thể thấy kiểu trình tự nucleotide tại vùng promoter lõi quyết định các nhân tố nào sẽ bám lên để bắt đầu quá trình phiên mã. Ngoài ra, sự xuất hiện của các kiểu trình tự này còn phụ thuộc vào loài. Trình tự trên hộp TATA được yếu tố TBP nhận diện và bám lên. Quá trình này theo sau đó là sự sắp xếp và ổn định phức hợp tiền phiên mã PIC. Hộp TATA là một trong những trình tự khởi đầu phiên mã bảo tồn từ nấm men, ruồi giấm cho đến người. Ngược lại, yếu tố Inr ở promoter lõi ở người và ruồi lại có sự khác biệt với nhau và thường hiếm gặp ở ruồi. Ngoài ra, trong những vùng promoter thiếu hộp TATA thường sẽ xuất hiện yếu tố Inr cùng với các kiểu trình tự khác như yếu tố phiên mã hạ nguồn (DPE – downstream promoter elements). Các kiểu trình tự Ohler và pause stop thường gặp ở người và hiếm gặp hoặc không xác định ở ruồi.

Lời kết

Vùng promoter lõi có vị trí quan trọng trong bức tranh phiên mã ở sinh vật nhân thực. Tại đây, nhiều cơ chế sinh học phân tử phức tạp được diễn ra và kiểm soát chặt chẽ bởi nhiều yếu tố khác nhau: trong nội tại vùng promoter lõi, các vùng cận biên và ngoại biên promoter và thậm chí là các yếu tố ngoài vùng promoter. Các kiểu promoter lõi khác nhau đặc trưng cho các gen khác nhau. Các nghiên cứu về đặc điểm, chức năng và hoạt động ở vùng promoter đã mở hé mở nhiều “sự thật” trong quá trình sinh trưởng và phát triển ở sinh vật. Tuy nhiên, promoter và promoter lõi vẫn còn chứa nhiều bí ẩn cần được nghiên cứu và khám phá.

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

*Chú thích bảng 1:

Hộp TATA (TATA –box): hộp TATA là một đoạn trình tự DNA nằm ở vùng promoter ở hầu hết các gen. Hộp TATA thường là vị trí bám của các yếu tố khởi đầu phiên mã.  Trình tự thường gặp là 5' TATAAA(A/G) 3'.

Yếu tố Inr: có chức năng tương tự như hộp TATA. Yếu tố Inr thường chứa trình tự nhận diện cho yếu tố phiên mã IID (TFIID – transcription factor IID).