Phát hiện cơ chế vận chuyển mới làm sáng tỏ bí ẩn về biểu hiện gen
Thứ ba, 03-12-2024 | 08:44:26
|
Hình ảnh nền là mẫu tinh khiết của các tổ hợp phân tử phiên mã và dịch mã gen vi khuẩn, được chụp bằng kính hiển vi điện tử đông lạnh. Ở tiền cảnh, các mô hình nguyên tử của phân tử được tạo ra từ những hình ảnh này được hiển thị rõ nét.
Một sự hợp tác nghiên cứu quốc tế đã làm sáng tỏ cơ sở phân tử của biểu hiện gen, quá trình sinh học cơ bản làm nền tảng cho cách tất cả các sinh vật sử dụng thông tin di truyền của chúng.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến để ghi lại chi tiết chưa từng có, thời điểm quan trọng khi thông tin di truyền được chuyển thành các protein, hình thành cấu trúc và quá trình sinh hóa trong tự nhiên.
Tiến sỹ Michael Webster, trưởng nhóm tại Trung tâm John Innes và là một trong những tác giả của nghiên cứu, chia sẻ: “Nghiên cứu của chúng tôi tiết lộ cách các phân tử này hoạt động giống như những cỗ máy phức tạp. Tôi luôn ngạc nhiên rằng có thể tái tạo lại một quy trình sinh học cơ bản và phức tạp như vậy trong một ống nghiệm. Thật đặc biệt thú vị khi có cơ hội sử dụng các kỹ thuật hình ảnh mạnh mẽ để trả lời các câu hỏi mà các nhà nghiên cứu đã quan tâm từ lâu”.
Những phát hiện này mang lại cơ hội cho cộng đồng nghiên cứu tìm hiểu cách vi khuẩn phản ứng với môi trường của chúng và do sự tương đồng trong lục lạp, cách thực vật điều chỉnh hoạt động quang hợp để đáp ứng nhu cầu của chúng. Protein được tạo ra bằng cách giải mã thông tin di truyền được lưu trữ trong DNA. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu cách thông tin được sao chép từ trình tự nucleotide của gen sang trình tự axit amin của protein.
Các chuỗi DNA không có khả năng tự hoạt động mà thể hiện dưới dạng cấu trúc protein và các hoạt động sinh hóa, do đó có tên là gen “biểu hiện”. Một phân tử trung tâm liên quan đến biểu hiện gen là ribosome, một cỗ máy phân tử đọc bản sao thông tin di truyền được phiên mã, gọi là RNA thông tin (mRNA), để tạo ra protein mới.
Mặc dù đã biết nhiều về cách ribosome giải mã các mRNA, một quá trình gọi là 'dịch mã', nhưng một câu hỏi quan trọng là làm thế nào ribosome lần đầu tiên tìm thấy mRNA mà nó sẽ giải mã. Để tìm câu trả lời, nhóm nghiên cứu đã chụp ảnh các ribosome được tinh chế từ vi khuẩn và lắp ráp với các thành phần khác thành các trạng thái bắt chước khi chúng tiếp xúc với mRNA. Sử dụng kính hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM), họ đã xây dựng các mô hình nguyên tử của tổ hợp ribosome-mRNA, cho phép hình dung quá trình một cách chi tiết.
Người ta biết rằng ribosome của vi khuẩn có thể được đưa đến mRNA bằng ba tương tác phân tử: trình tự RNA gọi là mô típ Shine-Dalgarno, một protein liên kết với RNA gọi là S1 và enzyme tạo ra mRNA gọi là ARN polymerase. Liệu những tương tác này có thể phối hợp để đưa mRNA đến ribosome hay không vẫn chưa rõ ràng. Nghiên cứu này cho thấy sự phối hợp có thể xảy ra giữa các tương tác ribosome-mRNA, tiết lộ một con đường trên bề mặt ribosome mà mRNA có thể đi theo để đến nơi diễn ra quá trình giải mã.
Một trong những mô hình nguyên tử của bộ máy biểu hiện gen vi khuẩn được xác định trong nghiên cứu này. RNA polymerase (trái, màu trắng) tạo ra RNA thông tin (màu vàng) bằng cách đọc DNA (màu xanh lá cây). Ribosome (màu xám, phải) tương tác với RNA thong tin để chuẩn bị tổng hợp protein được mã hóa. Trong nghiên cứu này, cơ sở phân tử của quá trình vận chuyển mRNA từ RNA polymerase đến ribosome đã được nghiên cứu, cho thấy sự phối hợp giữa các protein S1 (màu xanh lam) và S21 (màu đỏ) và chuỗi kép SD RNA (màu cam).
Dự án hợp tác này thúc đẩy nỗ lực kéo dài hàng thập kỷ của lĩnh vực này nhằm tìm hiểu cách thức biểu hiện gen xảy ra ở cấp độ phân tử, làm sáng tỏ một sự kiện đơn lẻ nhưng quan trọng trong quá trình này. Tiến sỹ Webster tiếp tục: “Phát hiện đáng ngạc nhiên là thực sự có một cơ chế đã phát triển để giúp các mRNA được chuyển đến ribosome để dịch mã. Trước đây rõ ràng là ribosome bằng cách nào đó phải tìm đúng vị trí trên đúng mRNA để bắt đầu tổng hợp protein. Đối với tôi, điều này gợi ý một cuộc tìm kiếm có thể rất lâu trước khi các phân tử tương tác theo cách cần thiết. Tôi rất ngạc nhiên khi các mô hình cấu trúc của chúng tôi cho thấy rõ ràng rằng ribosome của vi khuẩn có thể tạo đường dẫn cho mRNA đến. Sự sắp xếp phân tử này rõ ràng sẽ giúp công việc tìm kiếm mRNA để dịch dễ dàng hơn nhiều”.
Cơ chế phân tử được tiết lộ cũng liên quan đến lục lạp ở thực vật, là hậu duệ của vi khuẩn đã trở thành bào quan thực vật. Nhóm của Webster dự định xây dựng dựa trên sự hiểu biết mới này về biểu hiện gen của vi khuẩn để kiểm tra sự đóng góp của nó trong việc sản xuất protein quang hợp trong lục lạp. Lĩnh vực này có liên quan đến cách chúng ta có thể phát triển các loại cây trồng thích ứng tốt hơn với các thách thức về khí hậu.
Bùi Anh Xuân theo Trung tâm John Innes. |
Trở lại In Số lần xem: 97 |
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|