ADN và điều hoà hoạt động gen — từ thông tin di truyền đến hoạt động của tế bào

ADN chứa thông tin, nhưng tế bào phải chọn gen nào hoạt động, khi nào và ở mức nào. Phiên mã, dịch mã, điều hoà gen và biểu sinh giải thích bằng lời dễ hiểu.

Vì sức khoẻ của chính mình, hãy dành ít phút tìm hiểu khoa học về tế bào và phân tử — để hiểu cơ thể cần gì và biết cách chăm sóc sức khoẻ đúng từ nền tảng.

Bên trong một tế bào sống, mỗi giây có vô số quá trình diễn ra: tế bào tạo năng lượng, tổng hợp protein, vận chuyển ion, tiếp nhận tín hiệu, sửa chữa tổn thương, phân chia và thực hiện chức năng chuyên biệt của mình.

Nhưng làm thế nào một tế bào biết protein nào cần được tạo ra, tạo ở đâu, khi nào và với lượng bao nhiêu?

Muốn hiểu điều đó, chúng ta phải đi vào một trong những hệ thống quan trọng nhất của sự sống:

ADN → GEN → BIỂU HIỆN GEN → ĐIỀU HOÀ GEN

ADN — kho lưu trữ thông tin di truyền

ADN (deoxyribonucleic acid) là phân tử lưu giữ thông tin di truyền của cơ thể. Thông tin này được mã hoá trong trình tự của bốn loại nucleotide chứa các base:

• A — Adenine
• T — Thymine
• G — Guanine
• C — Cytosine

Một cách dễ hình dung, ADN giống như một thư viện thông tin sinh học khổng lồ. Trong thư viện ấy có các gen và rất nhiều vùng ADN tham gia kiểm soát việc sử dụng thông tin.

Gen không đơn giản chỉ là "một đoạn ADN tạo ra một đặc điểm". Nhiều gen chứa thông tin để tạo ra protein hoặc các ARN có chức năng, đồng thời hoạt động của chúng được kiểm soát bởi một hệ thống điều hoà rất phức tạp.

ADN chứa thông tin, nhưng tế bào phải "đọc" thông tin đó

Có bản thiết kế không có nghĩa toàn bộ công trình được xây cùng một lúc. Tương tự, tế bào chứa ADN nhưng không sử dụng tất cả các gen cùng một lúc và với cùng một mức độ.

Tế bào phải lựa chọn: gen nào cần hoạt động, gen nào cần giảm hoạt động, hoạt động vào thời điểm nào, ở loại tế bào nào, và tạo ra bao nhiêu sản phẩm.

Quá trình tế bào sử dụng thông tin của gen để tạo ra sản phẩm chức năng được gọi là biểu hiện gen (gene expression). Đây là một chìa khoá để hiểu hoạt động của tế bào.

Từ ADN đến ARN — quá trình phiên mã

Đối với gen mã hoá protein, bước đầu tiên là phiên mã (transcription). Một vùng ADN của gen được sử dụng làm khuôn để tổng hợp ARN.

ADN → PHIÊN MÃ → ARN

Ở tế bào người, ARN ban đầu của nhiều gen còn phải trải qua quá trình xử lý như cắt nối (splicing) trước khi tạo thành mRNA trưởng thành thích hợp cho dịch mã. Muốn thấy toàn bộ chuỗi này chạy trên một ví dụ có thật, xem bài Tổng hợp insulin của tế bào beta tuyến tuỵ.

Nhưng không phải tất cả ARN đều được dùng để tạo protein. Nhiều loại ARN có chức năng riêng trong cấu trúc và điều hoà tế bào.

Từ mRNA đến protein — quá trình dịch mã

Đối với mRNA mã hoá protein, thông tin tiếp tục được ribosome đọc. Ribosome đọc các codon trên mRNA; tRNA mang những amino acid thích hợp đến ribosome, và các amino acid được nối lại thành chuỗi polypeptide.

Đó là dịch mã (translation). Có thể khái quát:

ADN → ARN → PROTEIN

Nhưng protein vừa được tổng hợp chưa chắc đã hoạt động ngay. Nó còn có thể phải gấp cuộn, biến đổi sau dịch mã, kết hợp với những thành phần khác và được vận chuyển đến đúng vị trí.

Từ một thông tin trong ADN đến một protein hoạt động thực sự là cả một hệ thống nhiều tầng được kiểm soát chặt chẽ.

Protein biến thông tin thành hoạt động sống

Đây là điểm kết nối ADN với hoạt động của tế bào. Protein đảm nhiệm vô số chức năng:

• Enzyme xúc tác các phản ứng sinh hoá.
• Receptor tiếp nhận tín hiệu.
• Kênh ion kiểm soát sự di chuyển của ion qua màng.
• Protein vận chuyển đưa các phân tử đến những vị trí cần thiết.
• Protein cấu trúc tạo nên nhiều thành phần của tế bào và mô.
• Protein tín hiệu tham gia truyền thông tin.
• Yếu tố phiên mã lại quay trở lại kiểm soát hoạt động của các gen khác.

Do đó, thông tin di truyền có thể tác động đến hoạt động tế bào thông qua một chuỗi rất quan trọng:

THÔNG TIN TRONG ADN → BIỂU HIỆN GEN → ARN → PROTEIN → ENZYME · RECEPTOR · KÊNH ION · VẬN CHUYỂN · TÍN HIỆU → CHUYỂN HOÁ VÀ CHỨC NĂNG TẾ BÀO

Cùng ADN nhưng tế bào có thể hoàn toàn khác nhau

Đây là một trong những điều kỳ diệu nhất của sinh học.

Phần lớn tế bào trong một người chứa gần như cùng một bộ ADN. Nhưng một neuron lại hoàn toàn khác một tế bào gan. Tế bào cơ tim lại khác tế bào da. Tại sao?

Một nguyên nhân trung tâm là các tế bào biểu hiện những tập hợp gen khác nhau. Tế bào gan sử dụng mạnh những chương trình gen phục vụ chức năng gan. Neuron biểu hiện những chương trình phù hợp với chức năng của hệ thần kinh. Tế bào cơ biểu hiện những protein chuyên biệt cần cho co cơ.

Như vậy:

Điều quan trọng không chỉ là tế bào có gen gì, mà còn là gen nào đang được biểu hiện, ở đâu, khi nào và ở mức độ nào.

Điều hoà gen — hệ thống kiểm soát cực kỳ tinh vi

Tế bào có thể điều hoà biểu hiện gen ở nhiều tầng.

Ngay tại ADN, các yếu tố phiên mã có thể liên kết với những vùng điều hoà như promoter, enhancer và các trình tự khác để tăng hoặc giảm quá trình phiên mã. Cấu trúc chromatin cũng ảnh hưởng đến khả năng bộ máy phiên mã tiếp cận ADN.

Sau khi ARN được tạo ra, tế bào còn có thể kiểm soát:

• ARN được xử lý như thế nào.
• ARN tồn tại bao lâu.
• ARN được vận chuyển đến đâu.
• ARN có được dịch mã hay không.
• Protein được tạo ra với tốc độ nào.
• Protein tồn tại bao lâu.
• Protein có được hoạt hoá hay bất hoạt hay không.

Vì vậy, điều hoà hoạt động gen không phải một chiếc công tắc đơn giản BẬT/TẮT. Nó giống một bảng điều khiển nhiều tầng, có khả năng điều chỉnh rất tinh vi.

Tín hiệu từ môi trường có thể ảnh hưởng đến hoạt động gen

Tế bào không sống biệt lập. Nó liên tục nhận thông tin từ môi trường.

Hormone có thể gắn vào receptor. Yếu tố tăng trưởng có thể kích hoạt đường truyền tín hiệu. Các chất dinh dưỡng và trạng thái năng lượng có thể tác động đến những cảm biến chuyển hoá. Tín hiệu miễn dịch có thể thay đổi hoạt động của tế bào.

Những tín hiệu đó được truyền vào bên trong tế bào thông qua các mạng lưới phân tử. Cuối cùng, một số đường truyền tín hiệu có thể tác động lên các yếu tố phiên mã và làm thay đổi biểu hiện của những gen nhất định.

MÔI TRƯỜNG → RECEPTOR → TRUYỀN TÍN HIỆU NỘI BÀO → YẾU TỐ ĐIỀU HOÀ → THAY ĐỔI BIỂU HIỆN GEN → THAY ĐỔI PROTEIN → THAY ĐỔI HOẠT ĐỘNG TẾ BÀO

Đây chính là một trong những cách tế bào thích nghi với môi trường.

Biểu sinh — một tầng điều hoà quan trọng

Ngoài trình tự ADN, hoạt động gen còn liên quan đến biểu sinh (epigenetics) — những cơ chế có thể ảnh hưởng đến hoạt động gen mà không nhất thiết thay đổi trình tự nucleotide của ADN.

Các cơ chế quan trọng gồm:

• Methyl hoá ADN.
• Biến đổi histone.
• Tổ chức và tái cấu trúc chromatin.

Cùng với nhiều hệ thống điều hoà khác, chúng góp phần quyết định vùng ADN nào dễ hay khó được sử dụng. Tuổi tác, trạng thái phát triển, tín hiệu sinh lý và nhiều yếu tố môi trường có thể liên quan đến những thay đổi biểu sinh.

Tuy nhiên, biểu sinh là một hệ thống rất phức tạp. Không thể hiểu đơn giản rằng một loại thức ăn hay một hoạt chất riêng lẻ có thể tuỳ ý "bật gen tốt, tắt gen xấu".

ADN cung cấp thông tin, nhưng hoạt động sống cần cả một hệ thống

Đây là điểm rất quan trọng để hiểu chính xác sinh học phân tử.

ADN chứa thông tin di truyền vô cùng quan trọng. Nhưng một phản ứng sinh hoá không xảy ra chỉ vì thông tin đó tồn tại trong ADN.

Ví dụ, để một phản ứng do enzyme xúc tác diễn ra, tế bào có thể cần:

• Gen thích hợp được biểu hiện.
• Enzyme được tổng hợp và hoạt hoá.
• Cơ chất phù hợp.
• Cofactor hoặc coenzyme cần thiết.
• Năng lượng khi phản ứng yêu cầu.
• Điều kiện pH và môi trường thích hợp.
• Tín hiệu điều hoà thích hợp.
• Sản phẩm được sử dụng hoặc loại bỏ phù hợp.

Do đó, sự sống được vận hành bởi một mạng lưới phối hợp, chứ không phải bởi một thành phần đơn lẻ.

Dinh dưỡng kết nối với hệ thống này ở đâu

Đây là một mối liên hệ rất quan trọng.

ADN có thể chứa thông tin để tạo ra một enzyme. Nhưng để tạo enzyme đó, tế bào cần amino acid. Để thực hiện phiên mã và nhiều phản ứng khác, tế bào cần năng lượng và các thành phần phân tử phù hợp. Nhiều enzyme sau khi được tạo thành lại cần coenzyme hoặc khoáng chất để thực hiện chức năng. Màng tế bào và nhiều hệ thống truyền tín hiệu cần lipid. Quá trình tạo năng lượng cần nguồn nhiên liệu chuyển hoá, vitamin, khoáng chất và oxy phù hợp.

Vì vậy, có thể hình dung rất đơn giản:

ADN cung cấp thông tin — tế bào thực hiện — dinh dưỡng cung cấp nguyên liệu và năng lượng — môi trường sinh học tạo điều kiện để hệ thống vận hành.

Đây cũng chính là lý do cơ thể phải duy trì các thành phần trong trạng thái ĐÚNG – ĐỦ – ĐỀU – CÂN BẰNG – PHÙ HỢP.

ADN — từ thông tin đến hoạt động sống

ADN không phải một phân tử nằm yên trong nhân tế bào. Thông tin chứa trong ADN được tế bào sử dụng thông qua một hệ thống cực kỳ tinh vi:

ADN → ĐIỀU HOÀ GEN → PHIÊN MÃ → ARN → DỊCH MÃ → PROTEIN → MẠNG LƯỚI SINH HOÁ & TÍN HIỆU → CHỨC NĂNG TẾ BÀO

Và toàn bộ hệ thống ấy luôn tương tác hai chiều với trạng thái của tế bào và môi trường xung quanh.

Vì vậy, muốn hiểu sâu hoạt động của cơ thể, không chỉ cần biết ADN chứa thông tin gì, mà còn phải hiểu thông tin đó được lựa chọn, biểu hiện, điều hoà và chuyển thành chức năng sinh học như thế nào.

ADN lưu giữ thông tin của sự sống. Điều hoà gen quyết định cách tế bào sử dụng thông tin ấy. Còn protein, enzyme, nguyên liệu, năng lượng và môi trường sinh học phối hợp để biến thông tin thành hoạt động sống.

Đó chính là một trong những nguyên lý sâu sắc nhất của sinh học phân tử hiện đại.