Phiên mã là quá trình sinh học quan trọng, trong đó thông tin di truyền từ DNA được sao chép thành RNA. Quá trình này là bước đầu tiên trong biểu hiện gen, dẫn đến tổng hợp protein và quyết định các đặc điểm của tế bào. Mặc dù cơ bản giống nhau, quá trình phiên mã ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn, archaea) và sinh vật nhân thực (thực vật, động vật, nấm) có những khác biệt đáng kể do sự khác biệt trong cấu trúc tế bào và độ phức tạp của bộ gen.
Điểm giống nhau cơ bản
Cả ở sinh vật nhân sơ và nhân thực, phiên mã đều tuân theo các nguyên tắc chung:
- Khuôn mẫu DNA: Cả hai đều sử dụng một sợi DNA làm khuôn để tổng hợp RNA.
- Enzyme RNA polymerase: Đều sử dụng enzyme RNA polymerase để xúc tác phản ứng tổng hợp RNA.
- Chiều tổng hợp: RNA được tổng hợp theo chiều 5′ đến 3′.
- Nguyên tắc bổ sung: Các nucleotide RNA được thêm vào chuỗi đang phát triển tuân theo nguyên tắc bổ sung (A-U, G-C) với khuôn DNA.
- Ba giai đoạn: Đều trải qua ba giai đoạn chính: khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
Sự khác biệt chính
Tuy nhiên, quá trình phiên mã ở hai nhóm sinh vật này có nhiều điểm khác biệt quan trọng:
1. Vị trí
-
Nhân sơ: Do không có màng nhân, phiên mã diễn ra trực tiếp trong tế bào chất. Quá trình dịch mã có thể bắt đầu ngay cả khi phiên mã chưa hoàn tất, tạo thành phức hệ phiên mã-dịch mã.
-
Nhân thực: Phiên mã diễn ra trong nhân tế bào. RNA sơ khai (pre-mRNA) cần trải qua quá trình chế biến (splicing, gắn mũ, gắn đuôi poly-A) trước khi được vận chuyển ra tế bào chất để dịch mã.
2. Enzyme RNA polymerase
- Nhân sơ: Chỉ có một loại RNA polymerase duy nhất chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các loại RNA (mRNA, tRNA, rRNA).
- Nhân thực: Có ba loại RNA polymerase khác nhau:
- RNA polymerase I: Tổng hợp rRNA.
- RNA polymerase II: Tổng hợp mRNA và một số snRNA.
- RNA polymerase III: Tổng hợp tRNA và một số rRNA nhỏ.
3. Yếu tố phiên mã
- Nhân sơ: Quá trình khởi đầu phiên mã được điều khiển bởi yếu tố sigma (σ), giúp RNA polymerase nhận diện vùng promoter trên DNA.
- Nhân thực: Quá trình khởi đầu phức tạp hơn, đòi hỏi sự tham gia của nhiều yếu tố phiên mã (TFIIA, TFIIB, TFIID, v.v.) để hình thành phức hợp khởi đầu phiên mã (PIC) tại vùng promoter.
4. Cấu trúc gen
- Nhân sơ: Gen thường có cấu trúc liên tục, tức là vùng mã hóa protein không bị gián đoạn bởi các đoạn không mã hóa.
- Nhân thực: Gen thường có cấu trúc phân mảnh, bao gồm các exon (vùng mã hóa) và intron (vùng không mã hóa). RNA sơ khai phải trải qua quá trình splicing để loại bỏ intron và nối các exon lại với nhau, tạo thành mRNA trưởng thành.
5. Chế biến RNA
- Nhân sơ: RNA thường không cần chế biến sau phiên mã.
- Nhân thực: RNA sơ khai (pre-mRNA) phải trải qua nhiều bước chế biến:
- Gắn mũ 5′: Một phân tử 7-methylguanosine được gắn vào đầu 5′ của mRNA, bảo vệ mRNA khỏi bị phân hủy và giúp ribosome nhận diện.
- Gắn đuôi poly-A: Một chuỗi dài adenine (đuôi poly-A) được gắn vào đầu 3′ của mRNA, tăng tính ổn định và hiệu quả dịch mã.
- Splicing: Intron được loại bỏ và các exon được nối lại với nhau. Splicing có thể tạo ra nhiều biến thể mRNA khác nhau từ một gen duy nhất (splicing thay thế).
6. Tốc độ phiên mã
- Nhân sơ: Tốc độ phiên mã thường nhanh hơn so với sinh vật nhân thực.
- Nhân thực: Tốc độ phiên mã có thể bị ảnh hưởng bởi cấu trúc chromatin, các yếu tố điều hòa và các sửa đổi epigenetic.
Tóm tắt so sánh
| Đặc điểm | Sinh vật nhân sơ | Sinh vật nhân thực |
|---|---|---|
| Vị trí | Tế bào chất | Nhân tế bào |
| RNA polymerase | Một loại | Ba loại (I, II, III) |
| Yếu tố phiên mã | Yếu tố sigma (σ) | Nhiều yếu tố phiên mã (TFIIA, TFIIB, TFIID, v.v.) |
| Cấu trúc gen | Liên tục | Phân mảnh (exon và intron) |
| Chế biến RNA | Ít hoặc không có | Gắn mũ, splicing, gắn đuôi poly-A |
| Tốc độ | Nhanh | Chậm hơn, điều hòa phức tạp |
Ý nghĩa
Việc so sánh quá trình phiên mã ở sinh vật nhân sơ và nhân thực giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự tiến hóa của cơ chế biểu hiện gen và sự khác biệt trong điều hòa gen giữa các loài sinh vật. Những kiến thức này có ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghệ sinh học, y học và nông nghiệp.