☕ Nhàn đàm S&T: microRNA 🧬

 Phác họa bài post:

Ⓐ. Đề dẫn.

Ⓑ Điều hòa gen (gene regulation)?

Ⓒ. Đột phá.

Ⓓ. Suy ngẫm chậm.

Ⓔ Phụ lục: sự sống được “số hóa” như thế nào?

~

Để giúp anh/chị quyết định có đọc tiếp hay không, tôi xin phép cung cấp các thông tin liên quan đến bài post này như sau:

·       Chủ đề: Bioinformatics, DNA, RNA

·       Tính thời sự: Tháng 10/2024.

·       Thời gian đọc: 7 phút, lồng vào thời gian uống cà phê (uống cà phê xong là đọc xong).

-

Ⓐ. Đề dẫn.

Như chúng ta đã biết, giải Nobel Y Sinh năm nay (2024) đã được trao cho ông Victor Ambros và ông Gary Ruvkun vào ngày 7/10/2024. Theo thông cáo báo chí thì lý do họ được giải là, trích nguyên văn “for the discovery of microRNA and its role in post-transcriptional gene regulation” – tạm dịch “vì phát hiện ra microRNA và vai trò của nó trong việc điều hòa gen sau phiên mã”. Năm ngoái (2023) giải Nobel Y Sinh trao cho bà Katalin Karikó và ông Drew Weissman cũng về vấn đề liên quan đến RNA là mRNA vaccine. Tuy là vấn đề Y Sinh (Physiology/Medicine) nhưng khi đề cập đến phiên mã (Transcription) là đề cập đến lập trình – mà lập trình sự sống (life) thì hẳn gây tò mò cho tất cả chúng ta, đúng không anh/chị?

-

Toàn bộ bài post này tôi lấy thông tin chủ yếu từ thông cáo báo chí và thông tin chuyên sâu về cơ sở khoa học giải thưởng Y Sinh của Hội đồng Nobel.

Ⓑ. Điều hòa gen (gene regulation)?

Trước khi hiểu vai trò của microRNA, tôi xin có vài dòng giải thích về khái niệm điều hòa gen.

-

Thông tin lưu trữ trong nhiễm sắc thể của chúng ta có thể được ví như một cuốn sách hướng dẫn cho tất cả các tế bào trong cơ thể. Mỗi tế bào đều chứa cùng một nhiễm sắc thể, do đó, mỗi tế bào chứa chính xác cùng một tập hợp gen và cùng một bộ hướng dẫn. Tức là bộ hướng dẫn này giống hệt nhau cho tất cả các tế bào. Tuy nhiên, các loại tế bào khác nhau, như tế bào cơ và tế bào thần kinh, lại có những đặc điểm rất khác biệt. Những khác biệt này phát sinh như thế nào? Câu trả lời nằm ở sự điều hòa gen (gene regulation), cho phép mỗi tế bào chỉ chọn những hướng dẫn có liên quan. Điều này đảm bảo rằng chỉ có đúng tập hợp gen cần thiết được hoạt động trong mỗi loại tế bào.

-

Dòng chảy của thông tin di truyền từ DNA sang mRNA đến protein. Nguồn.

 

Trên đây là hình ảnh minh họa sự luân chuyển thông tin di truyền từ DNA sang mRNA rồi đến protein, và cách nó xác định các loại tế bào cụ thể trong cơ thể con người.

1. DNA: Ở bên trái, hình ảnh hiển thị bộ gen của con người, chứa khoảng 20.000 gen. Một đoạn xoắn kép của DNA được làm nổi bật để hiển thị một gen, đơn vị cơ bản của thông tin di truyền.
2. Sao chép (Transcription): Quá trình sao chép được mô tả, trong đó thông tin từ DNA được sao chép thành messenger RNA (mRNA). Các vùng màu khác nhau trong DNA đại diện cho các gen khác nhau.
3. mRNA: mRNA mang các hướng dẫn di truyền từ DNA và chỉ đạo quá trình tổng hợp protein. Các mũi tên biểu thị luồng thông tin khi nó di chuyển từ sao chép đến dịch mã (translation).
4. Dịch mã (Translation): Trong bước này, mRNA được dịch mã thành protein, được biểu thị dưới dạng các cấu trúc gấp màu khác nhau. (Xem thêm phần phụ lục ở cuối bài post)
5. Các loại tế bào: Protein sau đó xác định các chức năng cụ thể của tế bào, dẫn đến sự phát triển của các loại tế bào khác nhau. Có bốn loại tế bào khác nhau được hiển thị trong minh họa trên: tế bào thần kinh (neuron), tế bào cơ, tế bào ruột, và tế bào miễn dịch.

Phần bên phải của hình minh họa cho thấy cách các loại tế bào khác nhau, dù chứa cùng một DNA, có thể thực hiện các chức năng chuyên biệt trong các phần khác nhau của cơ thể thông qua việc điều hòa chính xác biểu hiện gen.

 

Câu hỏi đặt ra là: chuỗi DNA của tất cả các tế bào là giống hệt nhau, làm sao mà biết được lúc nào thì chọn đoạn DNA này, lúc khác lại chọn đoạn DNA khác?

 

Trả lời (phiên bản 1.0). Vào những năm 1960, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các protein chuyên biệt, được gọi là yếu tố phiên mã (transcription factor), có thể liên kết với các vùng cụ thể trong DNA và kiểm soát dòng chảy của thông tin di truyền bằng cách quyết định loại mRNA nào được tạo ra. Kể từ đó, hàng nghìn yếu tố phiên mã đã được xác định, và trong một thời gian dài, người ta tin rằng các nguyên tắc chính của điều hòa gen đã được giải quyết.

Ⓒ. Đột phá

Thế giải Nobel năm nay có đột phá gì đặc biệt?

Hai nhà khoa học được giải đã khám phá ra rằng, tham gia vào quá trình điều hòa gen còn có một loại RNA siêu nhỏ, được gọi là microRNA. Để hiểu vai trò của microRNA, xin tham khảo minh họa lấy từ thông cáo báo chí của Hội đồng Nobel.

Cách microRNA tham gia vào quá trình điều hòa gen. Nguồn.

 

Hình ảnh minh họa giải thích chi tiết về microRNA và vai trò của nó trong việc điều hòa biểu hiện gen, đặc biệt tập trung vào sự tham gia của nó trong các quá trình sinh học khác nhau.

Phía bên trái:

• Một sơ đồ tế bào cho thấy microRNA tương tác với mRNA. MicroRNA liên kết với mRNA, ngăn chặn quá trình dịch mã để tạo ra protein (được chỉ thị bằng ký hiệu "X"). Quá trình này phản ánh cách microRNA kiểm soát biểu hiện gen bằng cách ức chế tổng hợp protein.

Phần trung tâm:

• Một hình ảnh cận cảnh của phân tử microRNA nhấn mạnh cấu trúc và chức năng của nó. MicroRNA được hiển thị đang nhắm đến mRNA, củng cố vai trò của nó trong điều hòa sau phiên mã.

Phía bên phải:

• Ảnh hưởng của microRNA đối với ba lĩnh vực sinh học chính được làm nổi bật:
1. Phát triển: MicroRNA rất quan trọng cho sự phát triển và tăng trưởng chính xác của sinh vật.
2. Sinh lý học: MicroRNA giúp điều hòa các chức năng sinh lý bình thường trong các tế bào và mô.
3. Bệnh tật/Ung thư: Sự rối loạn điều hòa của microRNA có liên quan đến các bệnh tật, bao gồm ung thư, nơi chúng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển và phân chia của tế bào.

Hình ảnh này cung cấp cái nhìn tổng quan rõ ràng về chức năng quan trọng của microRNA trong việc điều hòa gen và những tác động rộng lớn của nó trong sinh học, từ phát triển đến bệnh lý.

-

Trên đây là minh họa cho một microRNA tham vào quá trình điều hòa một gen. Người ta còn phát hiện ra rằng một microRNA tham gia vào quá trình điều hòa nhiều gen. Ngược lại, quá trình điều hòa một gen có sự tham gia của nhiều microRNA. Như vậy, mạng lưới (microRNA, gen) điều phối toàn bộ quy trình điều hòa gen.

-

Thêm nữa, người ta biết rằng có hơn một nghìn gen cho các microRNA khác nhau ở người và sự điều hòa gen bằng microRNA là phổ quát trong các sinh vật đa bào.

-

Trả lời (phiên bản 2.0 cho câu hỏi liên quan đến các nguyên tắc chính của điều hòa gen): Đối với mỗi một gen, có nhiều microRNA tham gia vào quá trình điều hòa gen sau phiên mã (post-transcriptional regulation). Câu trả lời phiên bản 2.0 là bổ sung cho câu trả lời phiên bản 1.0.

Ⓓ. Suy ngẫm chậm

Phần mềm sự sống (Life Software) vô cùng phức tạp và đương nhiên là cực kỳ lý thú. Tôi để câu trả lời về việc làm thế nào để phân định các đoạn DNA để “chép” sang mRNA thành phiên bản 1.0 và 2.0. Lý do cho việc này vì tôi cho rằng nhân loại, dù có giỏi đến mức nào đi nữa, cũng sẽ không bao giờ hiểu hết được mức độ phức tạp của việc vận hành sự sống. Có thể đến một thời điểm nào đó, các nhà khoa học lại phát hiện ra các cách thức mới trong điều hòa gen. Lúc đó, chúng ta lại phải bổ sung phiên bản vào đáp án.

-

Cuối cùng, như thường lệ, tôi nhờ bạn thỏ nhỏ mời anh/chị một tách cà phê (ảo), hy vọng anh/chị có thêm một chút thư giãn cuối tuần.

Credit: DALL·E.

 

Trân trọng và vui nhã

LeVanLoi

---

Ⓔ. Phụ lục: sự sống được “số hóa” như thế nào?

Phần này, tôi nôm na dùng ngôn ngữ CNTT để mô tả một vài khái niệm sinh học. Anh/chị vui lòng đừng quá bận tâm về ý nghĩa hàn lâm của chúng.

① Mã hóa thông tin sự sống.

Nếu như trong máy tính, chúng ta mã hóa thông tin thành các bit 0, 1 thì sự sống mã hóa thành 4 nucleotide cơ sở: A, C, G, U/T. (Chúng ta có thể viết nucleotide hoặc nucleoside, hai từ này đồng nghĩa.)

 

A: Adenine

C: Cytosine

G: Guanine

T: Thymine

U: Uracil

 

Trong RNA chúng ta viết các ký hiệu là A, C, G, U.

Trong DNA chúng ta viết các ký hiệu là A, C, G, T.

-

➡ RNA của vi khuẩn có chiều dài khoảng hơn vài triệu nucleotide.

➡ DNA của cơ thể sống bậc cao có chiều dài tới hàng tỷ nucleotide.

➡ DNA của người có chiều dài khoảng 3 tỷ nucleotide, gồm nhiều đoạn mã lặp.

-

② A-xít a-min (Amino acids).

Chỉ có 20 loại a-xít a-min. A-xít a-min được mã hóa theo nhóm 3 nucleotide một, được gọi là một codon. Ví dụ về cách viết codon: ‘AAC’, ‘CCG’. Một byte có 8 bit, còn một codon có 3 nucleotide. Mỗi một bit nucleotide có 4 giá trị khác nhau (A, C, G, U/T). Như vậy, nếu tính tổ hợp thì 3 nucleotide sẽ tạo ra 4*4*4 = 64 tổ hợp khác nhau. (Một byte có 2⁸ = 256 tổ hợp khác nhau.)

 

⚠ Một codon tương ứng với một a-xít a-min. Vì chỉ có 20 loại a-xít a-min mà lại có 64 tổ hợp codon nên có nhiều codon tương ứng với cùng một a-xit amin. (Tham chiếu: DNA and RNA codon tables.)

 

Các a-xít a-min có thể được liên kết với nhau để tạo thành protein (đạm).

 

③ Phiên mã (transcription).

Phiên mã (sao chép mã) là bước đầu tiên của một số bước biểu hiện gen dựa trên DNA, trong đó một đoạn DNA cụ thể được sao chép thành RNA (đặc biệt là mRNA) bởi enzyme RNA polymerase. Tham khảo: Transcription.

 

Điểm mấu chốt chúng ta cần quan tâm ở đây là “phần mềm sự sống” (life software) có thể chép một đoạn DNA thành RNA.

 

④ RNA.

Chuyển sang thuật ngữ máy tính, DNA có thể xem như bộ nhớ trên đĩa còn RNA đóng vai là bộ nhớ RAM. Cơ thể sống có một cơ chế “chép” thông tin từ DNA sang các phân tử RNA. Giống như trong máy tính chúng ta đọc file trên đĩa (DNA) và kết quả đọc được chép vào RAM (RNA). Chúng ta có thể hiểu nôm na là “phần mềm sự sống” xử lý chương trình chạy trên RNA. “Bộ nhớ RAM” RNA chứa mã nguồn có thể xử lý được (executable). Cũng giống như RAM, RNA rất mong manh (volatile) trong lúc DNA rất ổn định. (Trong máy tính, khi ta ngắt điện thì bộ nhớ RAM mất toàn bộ nội dung - trong lúc nội dung trên đĩa vẫn giữ nguyên.)

-

⚠ Thời gian tồn tại của mRNA là hữu hạn. Trong vi khuẩn thì con số này là từ 1 đến 3 phút. mRNA trong động vật có vú có thể tồn tại từ nhiều phút đến nhiều ngày.

-

Tế bào có một cỗ máy (có tên gọi là ribosome) có thể dịch mã (translate) các phân tử RNA thành chuỗi a-xít a-min (protein). Ribosome đọc mã trong sợi RNA và căn cứ vào mã đọc được để “sản xuất” ra a-xít a-min. Có thể nói ribosome là “nhà máy tổng hợp protein bên trong tế bào”.

Cấu trúc thường thấy của đoạn mã mRNA. Nguồn.

 

Chú thích:

·       Cap: Đây là mã báo hiệu phần sau là ‘Executable’ (giống như quy định về file .EXE của DOS phải bắt đầu bằng ‘MZ’ hay script lệnh trên UNIX phải bắt đầu bằng ‘#!‘).

·       5’-UTR | 3’UTR: Các vùng này có tên gọi là vùng không dịch mã (untranslated region). Nghĩa là ribosome bỏ qua vùng này, không dịch mã để sản xuất ra a-xít a-min.

·       Coding sequence (CDS): Chuỗi mã mà ribosome sẽ đọc và sản xuất ra a-xít a-min (xem minh họa dưới đây).

·       Poly-A tail: Chuỗi đuôi kết thúc mRNA. Thường là chuỗi liên tục các base A (có chiều dài khoảng vài trăm base).

-

Minh họa quá trình “sản xuất” protein:

Ribosome định vị con trỏ tại codon ‘Start’ (xem hình vẽ trên)

Lặp cho đến khi gặp codon ‘Stop’: (while codon != ‘Stop’)

Đọc và giải mã codon (trong chuỗi CDS); Tiết ra a-xít a-min tương ứng;

-

Minh họa phiên mã và dịch mã. Nguồn. Trong nhân tế bào, DNA được phiên mã thành mRNA. Sau khi được xuất sang tế bào chất, phân tử mRNA được liên kết bởi ribosome và được dịch mã bằng cách sử dụng tRNA, đọc mã codon trong mRNA, tiết ra axit-amin tương ứng.

  

⑤ Protein.

Protein là các phân tử có kích cỡ từ nhỏ đến rất lớn có thể thực hiện (hoặc kích hoạt) hầu hết mọi phản ứng hóa học, quá trình vật lý.

 

➡ Có loại protein chỉ có ý nghĩa “quản trị nội bộ”. Chẳng hạn như insulin báo hiệu rằng các tế bào nên thay đổi hành vi của chúng, nhưng chính bản thân insulin lại không làm hoặc tạo ra bất cứ điều gì.

 

➡ Có loại protein đóng vai trò cảm biến, như protein cryptochrome có thể phát hiện ánh sáng, từ trường. Có loại khác đo được mức pH, đo nhiệt độ, đo mức đường glucose!

 

➡ Có loại protein là men (enzyme) xúc tác phản ứng hóa học để sản sinh ra các phân tử mới.

 

➡ Có loại protein chỉ đóng vai “cấu trúc” cho tế bào và các hợp phần của tế bào.

 

║ Tóm lại, protein là các thành tố cơ bản của sự sống, vừa có chức năng cảm biến, vừa có chức năng thực thi.