RNA

Bài viết này không nằm trong Dược thư quốc gia Việt Nam 2022 lần xuất bản thứ 3

RNA được biết đến là một trong ba đại phân tử chính (cùng với DNA và protein) cần thiết cho tất cả các dạng sống. Trong bài viết này, Trung Tâm Thuốc Central Pharmacy (trungtamthuoc.com) xin gửi đến bạn đọc những thông tin chi tiết hơn về RNA.

1 Giới thiệu về RNA

1.1 RNA là gì ?

Axit ribonucleic (viết tắt RNA) là một axit nucleic có trong tất cả các tế bào sống có cấu trúc tương tự DNA. Tuy nhiên, không giống như DNA, RNA thường có dạng chuỗi đơn. Một phân tử RNA có khung được tạo thành từ các nhóm phốt phát xen kẽ và đường ribose, chứ không phải deoxyribose có trong DNA. Gắn vào mỗi đường là một trong bốn bazơ: Adenine (A), uracil (U), cytosine (C) hoặc guanine (G). 

Các loại RNA khác nhau tồn tại trong tế bào: RNA thông tin (mRNA), RNA ribosome (rARN) và RNA chuyển (tRNA). Ngoài ra, một số RNA còn tham gia vào việc điều chỉnh biểu hiện gen. Một số virus sử dụng RNA làm vật liệu di truyền.

1.2 Lịch sử ra đời

Axit nucleic được phát hiện vào năm 1868 bởi Friedrich Miescher, người gọi vật chất này là 'nuclein' vì nó được tìm thấy trong nhân. Sau đó người ta phát hiện ra rằng các tế bào nhân sơ không có nhân cũng chứa axit nucleic. Vai trò của RNA trong quá trình tổng hợp protein đã bị nghi ngờ từ năm 1939. Severo Ochoa đã đoạt giải Nobel Y học năm 1959 (chung với Arthur Kornberg) sau khi ông phát hiện ra một loại enzyme có thể tổng hợp RNA trong phòng thí nghiệm.

Trình tự 77 nucleotide của tRNA nấm men được Robert W. Holley tìm ra vào năm 1965, Holley đoạt giải Nobel Y học năm 1968 (chia sẻ với Har Gobind Khorana và Marshall Nirenberg).

Năm 1967, Carl Woese đưa ra giả thuyết rằng RNA có thể có tác dụng xúc tác và cho rằng các dạng sống sớm nhất (phân tử tự sao chép) có thể dựa vào RNA để mang thông tin di truyền và xúc tác cho các phản ứng sinh hóa.

Vào đầu những năm 1970, retrovirus và enzyme phiên mã ngược đã được phát hiện, lần đầu tiên cho thấy enzyme có thể sao chép RNA thành DNA (ngược lại với con đường truyền thông tin di truyền thông thường). Với công trình này, David Baltimore, Renato Dulbecco và Howard Temin đã được trao giải Nobel năm 1975. Năm 1976, Walter Fiers và nhóm của ông đã xác định được trình tự nucleotide hoàn chỉnh đầu tiên của bộ gen virus RNA, đó là trình tự thực khuẩn thể MS2.

Năm 1977, intron và sự ghép nối RNA được phát hiện ở cả virus ở động vật có vú và gen tế bào, mang lại giải Nobel năm 1993 cho Philip Sharp và Richard Roberts. Các phân tử RNA xúc tác (ribozyme) được phát hiện vào đầu những năm 1980, mang lại giải thưởng Nobel năm 1989 cho Thomas Cech và Sidney Altman. Vào năm 1990, người ta phát hiện ra rằng các gen được đưa vào cây dã yên thảo có thể làm bất hoạt các gen tương tự của chính cây này, hiện nay được biết là kết quả của sự can thiệp RNA.

Cùng lúc đó, các RNA dài 22 nt, hiện được gọi là microRNA, được phát hiện có vai trò trong sự phát triển của C. Elegans. Các nghiên cứu về sự can thiệp của RNA đã mang lại giải Nobel cho Andrew Fire và Craig Mello vào năm 2006, và một giải Nobel khác được trao cho các nghiên cứu về quá trình phiên mã RNA cho Roger Kornberg trong cùng năm đó. 

1.3 Cấu trúc 

RNA thường là một polyme sinh học chuỗi đơn. Tuy nhiên, sự hiện diện của các trình tự tự bổ sung trong chuỗi RNA dẫn đến sự ghép cặp bazơ nội chuỗi và sự gấp khúc của chuỗi ribonucleotide thành các dạng cấu trúc phức tạp bao gồm các chỗ phình và xoắn. Cấu trúc ba chiều của RNA rất quan trọng đối với tính ổn định và chức năng của nó, cho phép đường ribose và các bazơ nitơ được biến đổi theo nhiều cách khác nhau bởi các enzyme của tế bào gắn các nhóm hóa học (ví dụ: nhóm methyl ) vào chuỗi. Những sửa đổi như vậy cho phép hình thành các liên kết hóa học giữa các vùng xa nhau trong chuỗi RNA, dẫn đến sự xoắn phức tạp trong chuỗi RNA, giúp ổn định hơn nữa cấu trúc RNA. Các phân tử có sự biến đổi và ổn định cấu trúc yếu có thể dễ dàng bị phá hủy. Ví dụ, trong phân tử ARN vận chuyển khởi đầu (tRNA) thiếu nhóm metyl, sự biến đổi ở vị trí 58 của chuỗi tRNA làm cho phân tử này không ổn định và do đó không có chức năng; chuỗi không chức năng bị phá hủy bởi cơ chế kiểm soát chất lượng tRNA của tế bào.

RNA cũng có thể hình thành phức hợp với các phân tử được gọi là ribonucleoprotein (RNP). Phần RNA của ít nhất một RNP tế bào đã được chứng minh là hoạt động như một chất xúc tác sinh học , một chức năng trước đây chỉ được gán cho protein.

2 Các loại và chức năng

Trong số nhiều loại RNA, ba loại được biết đến nhiều nhất và được nghiên cứu phổ biến nhất là ARN thông tin (mRNA), RNA vận chuyển (tARN) và RNA ribosome (rRNA), có trong tất cả các sinh vật. Những loại RNA này và các loại RNA khác chủ yếu thực hiện các phản ứng sinh hóa, tương tự như enzyme. Tuy nhiên, một số cũng có chức năng điều tiết phức tạp trong tế bào . Do tham gia vào nhiều quá trình điều hòa, sự phong phú và chức năng đa dạng của chúng , RNA đóng vai trò quan trọng trong cả quá trình tế bào bình thường và bệnh tật.

Trong quá trình tổng hợp protein, mRNA mang mã di truyền từ DNA trong nhân đến ribosome , nơi dịch mã protein trong tế bào chất . Ribosome bao gồm rARN và protein. Các tiểu đơn vị protein ribosome được mã hóa bởi rRNA và được tổng hợp trong nucleolus . Sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh, chúng di chuyển đến tế bào chất, nơi, với tư cách là cơ quan điều chỉnh dịch mã chính, chúng “đọc” mã do mRNA mang theo. Trình tự ba bazơ nitơ trong mRNA quy định sự kết hợp của một axit amin cụ thể trong trình tự tạo nên protein. Các phân tử tRNA (đôi khi còn được gọi là chất hòa tan hoặc chất kích hoạt, RNA), chứa ít hơn 100 nucleotide, mang các axit amin cụ thể đến ribosome, nơi chúng được liên kết để tạo thành protein.

Ngoài mRNA, tRNA và rRNA, RNA có thể được chia thành RNA mã hóa (cRNA) và RNA không mã hóa (ncRNA). Có hai loại ncRNA, ncRNA nội trợ (tRNA và rRNA) và ncRNA điều hòa, được phân loại thêm theo kích thước của chúng. Các ncRNA dài (lncRNA) có ít nhất 200 nucleotide, trong khi các ncRNA nhỏ có ít hơn 200 nucleotide. Các ncRNA nhỏ được chia thành micro RNA (miRNA), RNA nucleol nhỏ (snoRNA), RNA hạt nhân nhỏ (snRNA), RNA can thiệp nhỏ (siRNA) và RNA tương tác PIWI (piRNA).

Các miRNA có tầm quan trọng đặc biệt. Chúng dài khoảng 22 nucleotide và có chức năng điều hòa gen ở hầu hết các sinh vật nhân chuẩn . Chúng có thể ức chế sự biểu hiện gen bằng cách liên kết với mRNA mục tiêu và ức chế dịch mã, do đó ngăn chặn việc sản xuất các protein chức năng. Nhiều miRNA đóng vai trò quan trọng trong bệnh ung thư và các bệnh khác. Ví dụ, chất ức chế khối u và miRNA gây ung thư (khởi phát ung thư) có thể điều chỉnh các gen mục tiêu duy nhất, dẫn đến sự hình thành khối u và tiến triển khối u .

Cũng có ý nghĩa chức năng là piRNA, dài khoảng 26 đến 31 nucleotide và tồn tại ở hầu hết các loài động vật . Chúng điều chỉnh sự biểu hiện của transposon (gen nhảy) bằng cách giữ cho gen không bị phiên mã trong tế bào mầm ( tinh trùng và trứng ). Hầu hết các piRNA đều bổ sung cho các transposon khác nhau và có thể nhắm mục tiêu cụ thể vào các transposon đó.

CircRNA là duy nhất so với các loại RNA khác vì đầu 5′ và 3′ của nó được liên kết với nhau, tạo thành một vòng lặp. CircRNA được tạo ra từ nhiều gen mã hóa protein và một số có thể dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp protein, tương tự như mRNA. Chúng cũng có thể liên kết miRNA, hoạt động như “bọt biển” ngăn chặn các phân tử miRNA liên kết với mục tiêu của chúng. Ngoài ra, CircRNA đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa quá trình phiên mã và ghép nối thay thế của các gen mà CircRNA được tạo ra.

3 Khác biệt giữa DNA, RNA là gì ?

RNA và DNA đều là axit nucleic, nhưng khác nhau ở các điểm sau.

• Đầu tiên, không giống như DNA, nói chung là sợi đôi, RNA là một phân tử sợi đơn có nhiều vai trò sinh học và có chuỗi nucleotide ngắn hơn nhiều.
• Thứ hai, trong khi DNA chứa deoxyribose thì RNA chứa ribose (trong deoxyribose không có nhóm hydroxyl nào gắn vào vòng pentose ở vị trí 2'). Các nhóm hydroxyl này làm cho RNA kém ổn định hơn DNA vì nó dễ bị thủy phân hơn.
• Thứ ba, bazơ bổ sung của adenine không phải là thymine như trong DNA, mà là uracil, một dạng thymine không được methyl hóa.
• Thứ tư, DNA nói chung ổn định trong điều kiện kiềm trong khi RNA không ổn định trong điều kiện kiềm.

Giống như DNA, hầu hết các RNA có hoạt tính sinh học, bao gồm mRNA, tRNA, rRNA, snRNA và các RNA không mã hóa khác, đều chứa các chuỗi tự bổ sung cho phép các phần của RNA gấp lại và ghép đôi với chính nó để tạo thành các chuỗi xoắn kép. Phân tích cấu trúc của các RNA này cho thấy chúng có cấu trúc cao. Không giống như DNA, cấu trúc của chúng không bao gồm các chuỗi xoắn kép dài mà là tập hợp các chuỗi xoắn ngắn được tập hợp lại với nhau thành các cấu trúc giống như protein. Theo cách này, RNA có thể đạt được xúc tác hóa học, giống như enzyme. Ví dụ, việc xác định cấu trúc của ribosome – một loại enzyme xúc tác sự hình thành liên kết peptide – cho thấy vị trí hoạt động của nó được cấu tạo hoàn toàn từ RNA.

4 Ứng dụng trong lâm sàng

Mối liên hệ quan trọng đã được phát hiện giữa RNA và bệnh tật ở người. Ví dụ, như đã mô tả trước đây, một số miRNA có khả năng điều chỉnh các gen liên quan đến ung thư theo những cách tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều trị sự phát triển của khối u. Ngoài ra, sự rối loạn điều hòa chuyển hóa miRNA có liên quan đến nhiều nguyên nhân khác nhau như bệnh thoái hóa thần kinh, bệnh Alzheimer. Đối với các loại RNA khác, tRNA có thể liên kết với các protein chuyên biệt được gọi làcaspase, có liên quan đến apoptosis (chết tế bào theo chương trình). Bằng cách liên kết với protein caspase, tRNA ức chế quá trình apoptosis; khả năng tế bào thoát khỏi tín hiệu chết theo chương trình là dấu hiệu đặc trưng của bệnh ung thư. RNA không mã hóa được gọi là các mảnh có nguồn gốc từ tRNA (tRF) cũng bị nghi ngờ có vai trò trong bệnh ung thư. Sự xuất hiện của các kỹ thuật nhưGiải trình tự RNA đã dẫn đến việc xác định các loại bản phiên mã RNA đặc hiệu của khối u, chẳng hạn như MALAT1 (bản sao ung thư biểu mô tuyến phổi liên quan đến di căn), mức độ gia tăng của chúng đã được tìm thấy trong các mô ung thư khác nhau và có liên quan đến sự tăng sinh và di căn của tế bào khối u.

Một loại RNA chứa các trình tự lặp lại được biết là có khả năng cô lập các protein gắn với RNA (RBP), dẫn đến sự hình thành các tiêu điểm hoặc tập hợp trong các mô thần kinh. Những tập hợp này đóng một vai trò trong sự phát triển của các bệnh thần kinh như bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS) và chứng loạn dưỡng cơ. Sự mất chức năng, rối loạn điều hòa và đột biến của các RBP khác nhau có liên quan đến một loạt bệnh ở người.

Việc phát hiện thêm các liên kết giữa RNA và bệnh tật được mong đợi. Sự hiểu biết ngày càng tăng về RNA và các chức năng của nó, kết hợp với sự phát triển liên tục của các công nghệ giải trình tự và nỗ lực sàng lọc RNA và RBP làm mục tiêu điều trị, có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho những khám phá như vậy.

5 Nghiên cứu về quá trình methyl hóa nucleotide RNA

Quá trình methyl hóa RNA xảy ra ở nhiều nguyên tử, nucleotide, trình tự và cấu trúc bậc ba. Liên quan chặt chẽ đến các sửa đổi sau phiên mã khác, quá trình methyl hóa các loại RNA khác nhau bao gồm tRNA, rRNA, mRNA, tmRNA, snRNA, snoRNA, miRNA và RNA virus. Các chiến lược xúc tác khác nhau được sử dụng để methyl hóa RNA bằng nhiều loại RNA-methyltransferase thuộc bốn siêu họ. Tổng quan này phác thảo các chức năng khác nhau của các nhóm methyl trong RNA, bao gồm ổn định sinh lý, sinh hóa và trao đổi chất của RNA, kiểm soát chất lượng, khả năng kháng kháng sinh, duy trì khung đọc mRNA, giải mã mã di truyền bình thường và biến đổi, kết hợp selenocysteine, aminoacyl hóa tRNA, ribotoxin, nối, buôn bán nội bào, phản ứng miễn dịch và những thứ khác. Mối liên hệ với các lĩnh vực khác bao gồm điều hòa gen, sửa chữa DNA, phản ứng với căng thẳng và có thể acetyl hóa histone và xuất bào được chỉ ra.

6 Tài liệu tham khảo

1. Tác giả Yuri Motorin và cộng sự, ngày đăng báo năm 2011. RNA nucleotide methylation, Pubmed. Truy cập ngày 8 tháng 9 năm 2023.
2. Tác giả Young-Kook Kim, ngày đăng báo năm 2022. RNA therapy: rich history, various applications and unlimited future prospects, PMC. Truy cập ngày 8 tháng 9 năm 2023.