Axitribonucleic (viết tắt RNA) là Phân tử polyme cơ bản có nhiều vai trò trong mã hóa, dịch mã điều hòa và biểu hiện của gen.

RNA và DNA là các axit nucleic và cùng với lipid, protein và cacbonhydrat tạo thành bốn loại đại phân tử cơ sở cho mọi dạng sự sống trên trái đất. Nghiên cứu về RNA đã dẫn đến nhiều khám phá sinh học quan trọng cũng như nhiều giải Nobel. Axit nucleic được Friedrich Miescher khám phá ra lần đầu tiên vào năm 1868, khi ông gọi các vật liệu này là “nuclein” do chúng được tìm thấy trong nhân tế bào. Sau đó người ta khám phá ra tại các tế bào sinh vật nhân sơ, mà không có nhân, cũng thấy chứa axit nucleic. Giả thuyết về vai trò của RNA trong sinh tổng hợp protein đã được nêu ra từ năm 1939. Severo Ochoa nhận giải Nobel Sinh lý học và Y khoa năm 1959 (cùng với Arthur Kornberg) cho khám phá của ông về một enzyme cho phép tổng hợp được RNA trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, loại enzyme khám phá bởi Ochoa (polynucleotide phosphorylase) sau này được chứng minh là có vai trò làm thoái hóa RNA, chứ không phải tổng hợp lên RNA. Năm 1956 Alex Rich và David Davies cho lai hai dòng RNA để tạo thành tinh thể RNA đầu tiên mà cấu trúc của nó có thể xác định bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (tinh thể học tia X).

Trình tự của 77 nucleotide trong RNA của một loài nấm men được Robert W. Holley xác định lần đầu tiên vào năm 1965, giúp Holley đoạt giải Nobel Sinh lý học và Y khoa 1968 (cùng với Har Gobind Khorana và Marshall Nirenberg).

Trong đầu thập niên 1970, các retrovirus và enzyme phiên mã ngược được phát hiện và lần đầu tiên chứng tỏ rằng các enzyme tham gia quá trình sao chép từ RNA vào DNA (quá trình ngược so với chu trình thông thường của sự truyền thông tin di truyền). Nhờ khám phá này, David Baltimore, Renato Dulbecco và Howard Temin được trao giải Nobel Y học năm 1975.

Năm 1976, Walter Fiers cùng các đồng nghiệp lần đầu tiên đã giải trình tự thành công RNA trong một bộ gene của virus, hay bacteriophage MS2.

Năm 1977, các intron và quá trình ghép RNA (RNA splicing) được phát hiện ở cả virus trên động vật và ở gene tế bào, đưa Philip Sharp và Richard Roberts đến giải Nobel năm 1993. Các phân tử RNA xúc tác (ribozyme) được phát hiện vào đầu thập kỷ 1980 và mang lại cho Thomas Cech và Sidney Altman giải Nobel năm 1989. Năm 1990, người ta tìm thấy trong thực vật Petunia (dã yên thảo) là có thể dùng các gene để tắt các gene tương tự trong chính loài thực vật này, một khám phá đã mở đường cho kỹ thuật can thiệp RNA sau này.

Trong khoảng cùng thời gian này, các sợi tRNA dài 22 nt, mà hiện nay gọi là micro RNA, được tìm thấy có vai trò trong sự phát triển của C. elegans. Nghiên cứu can thiệp RNA đưa đến giải Nobel Y học năm 2006 cho Andrew Fire và Craig Mello và giải Nobel Hóa học cho nghiên cứu về quá trình phiên mã RNA trao cho Roger Kornberg trong cùng năm. Sự khám phá các RNA điều hòa biểu hiện gene đã dẫn đến những nỗ lực phát triển các loại thuốc là từ RNA, như siRNA, có chức năng làm tắt một số gene.

Giống như DNA, RNA tạo thành từ một chuỗi nucleotide, nhưng không giống DNA là thường tìm thấy ở dạng tự nhiên là một sợi đơn gập vào chính nó hơn là xoắn kép. Các sinh vật sử dụng tế bào thông tin (mRNA) để truyền đạt các thông tin di truyền (sử dụng các base nitric guanine, uracil, adenine và cytosine ký hiệu tương ứng với các chữ cái G, U, A và C) cho phép tổng hợp trực tiếp lên các protein chuyên biệt. Nhiều virus mã hóa thông tin di truyền của chúng trong bộ gene RNA. Một số phân tử RNA đóng vai trò hoạt động trong tế bào như những chất xúc tác cho các phản ứng sinh học, kiểm soát biểu hiện của gene hoặc những đáp ứng cảm nhận và liên lạc trong quá trình truyền tín hiệu tế bào. Một trong những quá trình hoạt động chính là sinh tổng hợp protein, một chức năng phổ biến mà các phân tử RNA trực tiếp tham gia tổng hợp protein trên phân tử ribosome. Quá trình này sử dụng các phân tử RNA vận chuyển (tRNA) mang các axit amin đến phức hệ ribosome, nới các phân tử ARN ribosome (rRNA) thực hiện ghép nối các axit amin với nhau tạo thành chuỗi protein.

Mỗi nucleotide trong RNA chứa một đường ribose, với các bon được đánh số thứ tự từ 1’ đến 5’. Nhìn chung một base được gắn vào vị trí 1’ là adenine (A), Cytosine (C), guanine (G) hoặc uracil (U). Adenine và guanine là các purine, cytosine và uracillaf các pyrimidine. Một nhóm phosphat gắn vào vị trí 3’ của một đường ribose và vào vị trí 5’ của đường ribose tiếp theo. Nhóm phosphat tích điện âm, khiến cho RNA là phân tử mang điện (polyanion). Các base tọa thành liên kết hydro giữa các cytosine và guanine, giữa adenine và uracil. Tuy thế cũng có thể có những tương tác khác, như một nhóm base adenine liên kết với một nhóm khác trong chỗ phình hoặc tại vòng bốn (tetraloop) GNRA có liên kết cặp base guanine-ademine.

Một thành phần cấu trúc quan trọng của RNA khác biệt với DNA đó là sự có mặt của nhóm hydroxyl tại vị trí 2’ trong đường ribose. Sự có mặt của nhóm chức này làm cho dạng xoắn của RNA có dạng A-hình học (A-form geometry), mặc dù trong trường hợp sợi đơn dinucleotide, có thể hiếm gặp RNA trong dạng B-hình học như quan sát thấy ở hầu hết DNA. Dạng A-hình học khiến cho trên phân tử RNA có rãnh (groove) lớn hẹp và rất sâu và một rãnh nhỏ rộng và nông. Hệ quả thứ hai của sự có mặt nhóm 2’-hydroxyl đó là trong các vùng có hình dáng linh hoạt (conformationally flexible regions) của một phân tử RNA (tức là không tham gia vào sự tạo thành sợi xoắn kép), có thể tấn công hóa học vào liên kết phosphodiester bên cạnh để cắt bộ khung RNA.

RNA được phiên mã chỉ ở bốn base (adenine, cytosine, guanine và uracil), nhưng các base này và nhóm đường gắn cùng có thể được chỉnh sửa theo nhiều cách khi RNA trưởng thành. Ở pseudouridine (Ψ), mà trong đó mối liên kết giữa uracil và ribose bị chuyển từ liên kết C-N thành liên kết C-C và ribothymidine (T) được tìm thấy ở nhiều nơi (nổi bật nhất là nó xuất hiện ở vòng TΨC của tRNA). Một ví dụ về biến đổi khác đó là hypoxanthine, một base adenine đã khử amin mà nucleoside của nó được gọi là inosine (I). Inosine đóng vai trò quan trọng trong giả thuyết cặp base linh hoạt (wobble hypothesis) của mã di truyền.

Có hơn 100 nucleoside biến đổi xuất hiện trong tự nhiên. Sự đa dạng lớn nhất trong cấu trúc của sửa đổi này có thể tìm thấy ở tRNA, trong khi pseudouridine và nucleoside với 2’-O-methylribose thường có mặt trong rRNA là dạng phổ biến nhất. Các nhà sinh học vẫn chưa hiểu đầy đủ vai trò đặc trưng của nhiều biến đổi này trong RNA. Tuy nhiên, đáng chú ý là, trong RNA ribosome, nhiều thay đổi sau phiên mã xảy ra ở những vùng có chức năng cao như trung tâm peptidyl transferase và giao diện tiểu đơn vị, ngụ ý rằng chúng quan trọng đối với chức năng bình thường.

Dạng chức năng của các phân tử RNA sợi đơn, giống như các protein, thường đòi hỏi một cấu trúc bậc ba cụ thể. Các bộ khung cho cấu trúc này được cung cấp bởi các yếu tố cấu trúc bậc hai là liên kết hydro trong phân tử. Điều này dẫn đến một số “miền” có thể nhận biết được của cấu trúc bậc hai như vòng kẹp tóc (hairpin loop), phình và vòng lặp nội bộ (internal loop). Vì RNA mang điện tích, các ion kim loại như Mg2+ cần thiết có mặt để ổn định nhiều cấu trúc bậc hai và bậc ba của RNA. Dạng đồng phân lập thể enantiomer xuất hiện tự nhiên của RNA là D-RNA chứa các D-ribonucleotide. Mọi trung tâm đối xứng đều nằm trong D-ribose. Bằng cách sử dụng L-ribose hoặc L-ribonucleotide, có thể tổng hợp được L-RNA. L-RNA có tính ổn định lớn hơn chống lại sự thoái biến của RNase.

Giống như các phân tử sinh học có cấu trúc khác như protein, có thể định nghĩa tô pô của một phân tử RNA đã gập. Điều này thường dựa trên sự sắp xếp các vị trí tiếp xúc nội chuỗi bên trong RNA đã gập, gọi là mạch tô pô (circuit topology).

RNA là axit nucleit, cùng với protein, lipid và cacbonhydrat cao phân tử (polysaccharide) đều là những phân tử sinh học chính có vai trò thiết yếu đối với mọi dạng sống được biết đến. Trong phân tử RNA đường và phốt pho kết hợp với nhau để tạo thành cấu trúc giúp các nitơ cơ sở được gắn kết. Các phân tử này có thành phần ít hơn 100 đến vài ngàn bazơnitơ cơ sở và có hình dạng khác nhau từ xoắn ốc đến không xoắn ốc.

Cấu trúc hóa học của RNA có những điểm giống với DNA, nhưng có ba điểm khác biệt cơ bản:

1. Không như sợi xoắn kép DNA, RNA là phân tử sợi đơn trong hầu hết các chức năng sinh học của nó và chứa chuỗi các nucleotide ngắn hơn nhiều. Tuy nhiên, RNA có thể, bằng cách bắt cặp base bổ sung, tạo thành sợi xoắn kép tự gập từ một sơn đơn, như ở trường hợp tRNA.
2. Trong khi “bộ khung” đường-phosphate của DNA chứa deoxyribose, thì bộ khung của RNA là phân tử ribose. Đường ribose có một nhóm hydroxyl gắn với mạch vòng pentose ở vị trí 2’, trong khi ở phân tử deoxyribose không có. Nhóm hydroxyl trong bộ khung ribose làm cho RNA ít ổn định so với DNA bởi vì chúng dễ bị thủy phân hơn.
3. Base bổ sung của adenine trong DNA là thymine, trong khi ở RNA, nó là uracil, mà là một dạng chưa metyl hóa của thymine.

Giống như DNA, hầu hết các hoạt động sinh học của RNA, bao gồm mRNA, tRNA, rRNA, snRNA và các RNA không mã hóa khác, chứa các trình tự bổ sung cho phép một phần RNA gập lại và bắt cặp với chính nó để tạo thành sợi kép xoắn ốc. Phân tích những RNA này cho thấy chúng có dạng cấu trúc bậc cao. Không giống như DNA, không chứa một sợi xoắn kép quá dài, mà là một hệ bao gồm các sợi xoắn kép ngắn đính cùng các cấu trúc tương tự như ở protein.

Theo dạng cấu trúc này, RNA có thể trở thành các chất xúc tác (giống như enzyme). Ví dụ, khi xác định cấu trúc của ribosome - một phức hợp RNA - protein tham gia xúc tác hình thành chuỗi peptide - các nhà sinh học phát hiện thấy vị trí hoạt động của nó chứa hoàn toàn của RNA.

Tài liệu tham khảo

1. Từ điển Wkipedia (Tiếng Việt) 16/3/2020, “RNA: The Versatile Molecule”, University of Utah, “Nucleotides and Nucleic Acids” (PDF), University of California, Los Angeles, 2015.
2. Raymond J. Corsini, Alan J. Auerbach, Concise Encyclopedia of Psychology, Second edition, 1988.
3. Tinoco I. & Bustamante C., “How RNA folds”, Journal of Molecular Biology, 293 (2): 271 81. PMID 10550208. doi:10.1006/jmbi.1999.3001, 1999.
4. Barciszewski J., Frederic B., Clark C., RNA biochemistry and biotechnology Springer, ISBN 0-7923-5862-7. OCLC 52403776, 1999, pp. 73 - 87.
5. Higgs P.G., “RNA secondary structure: physical and computational aspects”, Quarterly Reviews of Biophysics, 33 (3): PMID 11191843. doi: #1017/S0033583500003620, 2000, pp. 199 - 253.
6. Nissen P. và đồng nghiệp, “The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis”, Science 289 (5481): 92030, Bibcode:2000Sci.289.920N. PMID 10937990, doi: 10.1126/science. 289.5481.920, 2000.
7. Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L., Biochemistry (ấn bản 5), WH Freeman and Company, ISBN 0-7167-4684-0. OCLC 179705944, 2002, pp. 118 - 119, pp. 781 - 808.
8. Lee J.C., Gutell R.R., “Diversity of base-pair conformations and their occurrence in rRNA structure and RNA structural motifs”, Journal of Molecular Biology. 344 (5): 1225 - 49. PMID 15561141. doi: 10.1016/j.jmb.2004.09.072, 2004.
9. . Shukla R.N., Analysis of Chromosomes, ISBN 9789384568177, 2014.

[[Thể loại: Tâm lý học