Tại sao ADN nhân thực có vùng intron mà vi khuẩn thì không?

Ở sinh vật nhân thực (động – thực vật, nấm, nguyên sinh…) các gen thường được cấu tạo bởi các đoạn mã hóa (exon) đan xen với các đoạn không mã hóa gọi là intron. Trong khi đó, ở hầu hết vi khuẩn, gen thường liên tục, ít hoặc không có intron. Nguyên nhân chính nằm ở những điểm sau: 1. Áp lực chọn lọc và tính hiệu quả về kích thước genome - Vi khuẩn sinh trưởng nhanh, phân chia với chu kỳ rất ngắn. Việc giữ gen “liền mạch” giúp giảm kích thước genome, tăng tốc độ sao chép ADN và rút ngắn thời gian phiên mã, dịch mã. - Ngược lại, sinh vật nhân thực có chu kỳ phân chia chậm hơn, có bộ máy điều khiển phiên mã – dịch mã phức tạp, nên chấp nhận được một lượng lớn vùng không mã hóa (bao gồm intron) để phục vụ điều hòa biểu hiện gen. 2. Vai trò của intron trong điều hòa biểu hiện gen - Nhiều intron chứa các phần tử điều hòa (enhancer, silencer) giúp tinh chỉnh tốc độ, thời điểm, mô hình biểu hiện gen ở các mô khác nhau. - Sự có mặt của intron đôi khi làm tăng hiệu suất khuếch đại tín hiệu phiên mã hoặc tạo điều kiện cho các yếu tố phiên mã (transcription factors) gắn vào ADN dễ dàng hơn. 3. Khả năng ghép nối thay thế (alternative splicing) - Nhân thực thường dùng alternative splicing để từ một tiền mRNA (pre-mRNA) tạo ra nhiều dạng mRNA khác nhau, cũng như nhiều isoform protein khác nhau. Điều này gia tăng đa dạng chức năng mà không cần gia tăng số lượng gen. - Vi khuẩn hầu như không có cơ chế alternative splicing phức tạp, nên cũng không cần intron để “cắt – ghép” linh hoạt như vậy. 4. Vai trò tiến hóa và trao đổi exon - Sự có mặt của intron tạo khung (scaffold) để thực hiện cơ chế exon shuffling (trộn các exon từ gen khác nhau), từ đó sinh ra các protein mới với thứ tự hoặc tổ hợp domain khác nhau. Đây là một cách nhanh chóng để phát triển các chức năng sinh học mới ở sinh vật nhân thực. - Ở vi khuẩn, cơ chế này ít phổ biến vì gen thường rất nhỏ gọn, ít miền mã hóa rời rạc. 5. Một số ngoại lệ ở vi khuẩn - Mặc dù hiếm, vẫn có nhóm intron tự cắt (self-splicing intron) thuộc loại nhóm I, nhóm II ở một vài vi khuẩn hoặc ti thể, lạp thể; nhưng về cơ bản chúng không phổ biến và không đóng vai trò điều hòa phức tạp như ở nhân thực. Tóm lại, sự khác biệt cơ bản giữa ADN nhân thực và vi khuẩn về intron phản ánh hai chiến lược tiến hóa khác nhau: • Vi khuẩn ưu tiên genome gọn nhẹ, sao chép nhanh, vận hành đơn giản. • Nhân thực trao đổi, điều hòa và tái kết hợp gen linh hoạt hơn thông qua intron, phục vụ cho cơ chế alternative splicing và điều hòa biểu hiện gen đa chiều.