25 tháng 10 năm 2022

Bộ môn Công nghệ Sinh học – Thực phẩm

Giống như DNA, RNA có thể được dùng để mang thông tin di truyền. Các virus RNA có bộ gene chứa RNA mã hóa cho các protein của chúng. Bộ gene virus được tái bản bằng một số protein này, trong khi các protein khác có chức năng bảo vệ bộ gene khi hạt virus chuyển sang tế bào vật chủ mới.
RNA phổ biến nhất gồm 3 loại là mRNA, tRNA, rRNA, nhưng cho đến thời điểm hiện tại, có rất nhiều loại RNA khác đã được tìm ra cho thấy chúng đóng vai trò quan trọng trong điều hòa hoạt động của gene cũng như toàn bộ hoạt động tế bào. Bên cạnh đó, nhiều khía cạnh về nguồn gốc, cách thức hoạt động và vai trò của nhiều loại RNA vẫn còn là ẩn số. Các RNA là ứng viên tiềm năng cho nhiều lĩnh vực vốn vẫn đang chưa được giải quyết thỏa đáng như: hiểu rõ hơn quá trình điều hòa biểu hiện gene và sinh lý tế bào, chữa trị nhiều bệnh, hay gần gũi nhất gần đây là vaccine Covid-19 bằng công nghệ mRNA.
Ngoài 3 loại RNA phổ biến vừa nêu, hiện tại có hàng chục nhóm RNA khác đã được xác nhận, với nhiều vai trò khác nhau liên quan đến điều hòa biểu hiện gene, điều hòa các RNA khác hay điều hòa hoạt động tế bào; rất nhiều các phân tử RNA tuy đã được phân lập nhưng chưa rõ chức năng; ngoài ra còn có vô số RNA được dự đoán là có tồn tại thông qua phân tích trình tự DNA.
Vì số lượng nhiều và tính phức tạp trong vai trò, hệ thống phân loại RNA chưa có tiêu chuẩn nhất định nào, với mỗi một tiêu chí hay mỗi tác giả sẽ có cách phân loại khác nhau. RNA có thể chia làm các nhóm sau:
- Messeger RNA (mRNA) mang thông tin di truyền
- Non-mRNA. Non-mRNA chia tiếp thành 2 nhóm gồm:
+ Housekeeping noncoding RNA: gồm rRNA và tRNA.
+ Regulatory noncoding RNA: gồm long-noncoding RNA và small RNA (snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA, piRNA,...)
Trong bài viết này, sẽ giới thiệu vài loại RNA có thể bạn chưa được biết đến trong số các loại RNA đã nêu trên, là những loại đã biết chức năng hoặc có tiềm năng ứng dụng, đó là snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA, piRNA, lncRNA, circRNA.
1/ snRNA (small nuclear RNA) [2]
snRNA là những đoạn RNA nhỏ không mang thông tin di truyền tồn tại trong nhân tế bào. Các snRNA đi kèm với protein, tạo thành phức hợp snRNP. Phổ biến là phức spliceosome – phức hệ cắt nối mRNA, giúp cắt các đoạn intron và nối các exon lại với nhau.
2/ snoRNA (small nucleolar RNA) [3]
Là RNA nhỏ tồn tại trong nhân con của tế bào, loại này khác hẳn snRNA ở trên dù chỉ thêm một chữ ‘o’. snoRNA có vai trò chính là phụ trách điều hòa, biến đổi các RNA khác như snRNA, rRNA, tRNA, hoàn thiện cho chúng trở nên có chức năng.
3/ lncRNA (long noncoding RNA) [4]
Thường dùng để gọi những sợi RNA không mã hóa dài hơn 200 Nu. Một ví dụ là Xist RNA (X-inactive specific transcript RNA), ở người Xist có kích thước 17kbs (17000 base pairs). Loại RNA này làm bất hoạt một trong hai nhiễm sắc thể X trong cặp XX ở nữ bằng cách làm thay đổi cấu trúc chất nhiễm sắc.
4/ circRNA (circular RNA) [5]
Là một RNA khá đặc biệt vì chúng có cấu trúc sợi đơn dạng vòng, và có loại circRNA mang thông tin di truyền, có thể dịch mã. circRNA có mặt ở khắp nơi từ virus tới động vật có vú. Ban đầu, sợi RNA vòng cũng được phiên mã một cách bình thường như mRNA, cũng trải qua cắt nối loại intron bởi spliceosome nhưng cắt nối theo một cách khác khiến hai đầu 5’ và 3’ “dính” vào nhau. Các circRNA sau khi được phiên mã sẽ được chuyển ra tế bào chất, trong ty thể, một số ở lại trong nhân và đóng góp vào quá trình điều hòa biểu hiện gene và điều hòa cấu trúc chất nhiễm sắc, đặc biệt là, các circRNA có thể được tiết ra ngoài môi trường thông qua các bóng tiết, đi đến tế bào khác hay tuần hoàn trong cơ thể và có mặt trong nước tiểu, thêm vào đó, vì tạo thành dạng vòng nên circRNA bền hơn, tồn tại lâu hơn RNA dạng thẳng, cho thấy circRNA là một marker lý tưởng để chẩn đoán các loại bệnh lý. Và giống như các loại RNA khác có tương tác với nhau, circRNA cũng có mối quan hệ với các RNA khác, ví dụ tương tác với snRNP để kích thích phiên mã hay điều hòa các miRNA.
5/ RNA của CRISPR-Cas9 [6]
Hệ thống Crispr-Cas9 được tìm thấy trên vi khuẩn, là một cơ chế phòng thủ của vi khuẩn trước sự tấn công của DNA lạ và thực khuẩn thể. Crispr-Cas9 tìm đến DNA lạ bằng một đoạn gRNA dẫn đường (guide RNA). Trong cas9, gRNA được hình thành bởi một đoạn crRNA (crispr RNA) bắt cặp bổ sung một phần/ hoặc nối tiếp với một đoạn tracrRNA (trans-activating crRNA). Trình tự crRNA có nguồn gốc từ chính DNA xâm nhiễm, được vi khuẩn bắt giữ lại và tích hợp vào hệ gene, lưu trữ như một ‘thư viện’ nhận dạng kẻ thù. Còn trình tự tracrRNA có nguồn gốc từ chính vi khuẩn. crRNA chứa trình tự spacer sẽ bắt cặp bổ sung với DNA đích và protein Cas9 sẽ cắt sợi DNA đích đó.

Hình 1. Quá trình phiên mã ở Eukaryote và Prokaryote

- rRNA ban đầu được phiên mã từ DNA là một sợi dài, qua quá trình cắt và chế biến trở thành các đoạn rRNA hoàn chỉnh có kích thước khác nhau, đo bằng đơn vị S ( hiểu đơn giản là độ lắng trong ly tâm, nhìn chung S càng lớn thì phân tử càng nặng và chìm xuống sâu hơn khi ly tâm).
- Trình tự gene mã hóa cho 16S rRNA trong vi khuẩn thường được dùng để phân loại các loài vi khuẩn, ví dụ, 2 loài có trình tự 16S càng tương đồng nhau thì 2 loài đó càng có quan hệ gần gũi trong cây phát sinh chủng loại.

Hình 2. Crispr-Cas9

DNA thực khuẩn thể bị protein cas1 và 2 của vi khuẩn ‘bắt giữ’, tích hợp vào trình tự crispr, trở thành 1 spacer. Mỗi spacer là một đoạn DNA ngoại lai được vi khuẩn ‘sưu tầm’ về, giữa các spacer là các đoạn DNA lặp bảo thủ (ít biến đổi). Khi DNA ngoại lai một lần nữa xuất hiện, đoạn spacer của DNA ngoại lai đó được phiên mã rồi chế biến thành guide RNA, dẫn Cas9 đến cắt DNA đích tại ví trí gần trình tự PAM.

Hình 3. Các RNAi

6/ siRNA (small interfering RNA) [7]
Có nguồn gốc ngoại sinh hoặc nội sinh, bắt đầu từ sợi RNA dài, được cắt bởi Dicer, đoạn ngắn hơn này sau đó kết hợp với phức RISC. Trong phức RISC, một sợi đơn RNA được giữ lại làm vai trò dẫn đường, sợi này bắt cặp bổ sung với mRNA đích, phức RISC sau đó sẽ cắt mRNA đích. Cơ chế siRNA có mặt trên cả sinh vật bậc thấp lẫn sinh vật bậc cao như thực vật hay chuột.
7/ miRNA (microRNA) [8]
Được phiên mã từ gene trong tế bào bởi RNA polymarase II. Gene phiên mã nên miRNA trải rộng từ virus, thực vật cho đến động vật và người. Sợi pri-miRNA sau khi được phiên mã từu gene sẽ được cắt gọt tạo thành một sợi pre-miRNA ngắn hơn với các cấu trúc loop. Khi được vận chuyển ra tế bào chất, pre-miRNA tiếp tục được cắt bởi Dicer rồi tạo thành phức với RISC để target tới mRNA. miRNA có thể ức chế dịch mã, làm bất ổn định mRNA và kích thích quá trình phân giải mRNA. miRNA đóng nhiều vai trò trong kiểm soát hoạt động tế bào, giúp hé lộ nhiều thông tin trong quá trình biệt hóa tế bào, chết tế bào theo chương trình, hình thành ung thư, thoái hóa, bệnh tật,...
Bộ đôi siRNA và miRNA này thường đi với nhau vì cùng có vai trò nổi bật là gây nhiễu (RNA interference) tới RNA/DNA đích mà chủ yếu là tới mRNA. Các RNAi làm bất hoạt mRNA bằng cách bắt cặp bổ sung với trình tự nucleotide trên mRNA, ngăn cản quá trình dịch mã và phá hủy sợi mRNA. Việc tác động vào mRNA làm giảm biểu hiện protein sẽ quyết định tới nhiều hoạt động sinh lý tế bào, điều hòa mRNA cũng linh hoạt và mang tính chất tạm thời, giúp sinh vật dễ thích nghi hơn với môi trường sống thay đổi, chống lại các stress do môi trường tạo ra. Ngoài ra, cơ chế gây nhiễu này cũng góp phần vào hệ thống phòng thủ của vật chủ trước các tác nhân RNA/DNA lạ xâm nhiễm từ bên ngoài. Tuy hay được gọi tên cùng nhau nhưng nguồn gốc siRNA và miRNA được tạo ra là khác nhau, và còn một loại nữa có thể được xếp vào RNAi đó là piRNA (Piwi-interacting RNA).
8/ shRNA (short hairpin/small hairpin RNA) [9]
Là RNAi nhân tạo bắt chước siRNA và miRNA dùng để bất hoạt mRNA đích. Đây là ứng dụng quan trọng, việc tấn công vào mRNA giúp ngăn cản sản phẩm protein lỗi được sản xuất bởi gene lỗi, mà lại tránh được việc phải can thiệp trực tiếp vào gene, công việc vốn tiềm ẩn nhiều rủi ro và tốn kém. Việc bất hoạt một mRNA nào đó và xem kết quả xảy ra cũng là cách để tìm ra chức năng của chính mRNA đó cũng như gene mã hóa cho nó.
9/ piRNA(Piwi-interacting RNA):
Là RNA nhỏ hoạt động cùng với nhóm protein piwi-một subfamily của Argonaute. Con đường của piRNA thì không phụ thuộc Dicer và đi theo cơ chế xoay vòng (ping-pong). Vai trò nổi bật của piRNA là tham gia bất hoạt transposon (là các gene nhảy gây nên xáo trộn hệ gene), giúp ổn định hệ gene nhất là dòng tế bào mầm sinh dục.
Trên đây là tóm tắt các quá trình chính đại diện cho các con đường RNAi của các loài sinh vật nhưng không phải với sinh vật nào cũng rập khuôn y như vậy. RNAi được nghiên cứu nhiều trên cải xoăn tai chuột, ruồi giấm, giun tròn, chuột và người.
Tài liệu tham khảo
1. “RNA: The Versatile Molecule”. University of Utah. 2015.
2. Thore S, Mayer C, Sauter C, Weeks S, Suck D (2003). “Crystal Structures of the Pyrococcus abyssi Sm Core and Its Complex with RNA”. J. Biol. Chem. 278 (2): 1239–47.
3. Kiss T (2001). “Small nucleolar RNA-guided post-transcriptional modification of cellular RNAs”. The EMBO Journal. 20 (14): 3617–22.
4. Lin SL, Miller JD, Ying SY (2006). “Intronic microRNA (miRNA)”. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2006 (4): 1–13.
5. “Circular RNAs: analysis, expression and potential functions”. Development.
6. Brouns SJ, Jore MM, Lundgren M, và đồng nghiệp (tháng 8 năm 2008). “Small CRISPR RNAs guide antiviral defense in prokaryotes”. Science. 321 (5891): 960–4.
7. Ghildiyal M, Zamore PD (tháng 2 năm 2009). “Small silencing RNAs: an expanding universe”. Nat. Rev. Genet. 10 (2): 94–108.
8. Lin SL, Miller JD, Ying SY (2006). “Intronic microRNA (miRNA)”. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2006 (4): 1–13.
9. Ahmad K, Henikoff S (2002). “Epigenetic consequences of nucleosome dynamics”. Cell. 111 (3): 281–84.
10. Horwich MD, Li C, Matranga C, Vagin V, Farley G, Wang P, Zamore PD (2007). “The Drosophila RNA methyltransferase, DmHen1, modifies germline piRNAs and single-stranded siRNAs in RISC”. Current Biology. 17 (14): 1265–72.
ThS. Huỳnh Đặng Hà Uyên (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)