rRNA là gì? Đặc điểm, chức năng và ứng dụng trong nghiên cứu sinh học

Trong tế bào, mRNA, tRNA và rRNA là ba loại RNA chính, phối hợp chặt chẽ với nhau để hoàn thành quá trình tổng hợp protein. Trong đó, rRNA chiếm tỉ lệ lớn nhất trong tổng lượng RNA của tế bào và cũng là thành phần cấu tạo nên ribosome, bào quan vẫn được ví như nhà máy lắp ráp protein của tế bào. Vậy chính xác rRNA là gì, có đặc điểm và cấu trúc ra sao, đảm nhiệm những chức năng nào, và đang được giới khoa học khai thác như thế nào trong nghiên cứu sinh học? Hãy cùng Mescells tìm hiểu chi tiết thông qua bài viết dưới đây.

1. rRNA là gì?

rRNA (ribosomal RNA) là một loại phân tử RNA chiếm phần lớn (khoảng 80%) tổng lượng RNA trong tế bào. Chúng kết hợp với protein để tạo nên cấu trúc của ribosome. Khi ribosome đọc các chỉ dẫn được mã hóa trong mRNA, rRNA thực hiện các phản ứng hóa học để lắp ráp các protein mới từng bước một [1].

rRNA chiếm tỉ lệ lớn trong tổng số RNA của tế bào và có thời gian tồn tại lâu dài 

2. Đặc điểm và cấu trúc của rRNA

rRNA là gì và có cấu trúc như thế nào? Ribosome hoàn chỉnh luôn được cấu tạo từ hai tiểu đơn vị có kích thước khác nhau, mỗi tiểu đơn vị lại chứa một hoặc nhiều phân tử rRNA riêng biệt kết hợp với nhiều protein ribosome. Không giống như RNA thông tin (mRNA) có thời gian tồn tại ngắn, rRNA ổn định và có thời gian tồn tại lâu dài. Thành phần này có sự khác biệt rõ rệt giữa tế bào nhân thực và vi khuẩn, được so sánh trong bảng dưới đây:

Tiêu chí	Ribosome nhân thực (80S)	Ribosome vi khuẩn (70S)
Tiểu đơn vị nhỏ	40S, chứa 18S rRNA và khoảng 33 protein	30S, chứa 16S rRNA và khoảng 21 protein
Tiểu đơn vị lớn	60S, chứa 28S, 5.8S và 5S rRNA cùng khoảng 49 protein	50S, chứa 23S và 5S rRNA cùng khoảng 34 protein
Nơi phiên mã rRNA	Hạch nhân (nucleolus), bởi RNA polymerase I và III	Bào tương, do không có nhân và hạch nhân tách biệt
Ý nghĩa nghiên cứu	Đặc trưng loài ở mức độ tinh vi hơn, dùng trong phát sinh chủng loại eukaryote	Gen 16S rRNA có tính bảo tồn cao, là chuẩn vàng định danh vi khuẩn

Nguồn tổng hợp bảng so sánh: [2], [3], [4]

Về mặt cấu trúc phân tử, một chuỗi rRNA không nằm thẳng mà tự bắt cặp bổ sung nội phân tử để gấp cuộn thành vô số vòng thân (stem-loop) phức tạp, tạo nên một khung xương ba chiều vững chắc để các protein ribosome bám vào và ổn định hình dạng tổng thể. Đáng chú ý, các phân tử rRNA sơ khai còn trải qua hàng trăm biến đổi hóa học tinh vi, chủ yếu là methyl hóa và chuyển đổi uridine thành pseudouridine trước khi trở thành rRNA trưởng thành có chức năng đầy đủ [2].

3. Chức năng của rRNA

Để hiểu đầy đủ rRNA là gì và có vai trò gì trong tế bào, cần nhìn vào chức năng của phân tử này bên trong ribosome. Trong một thời gian dài, giới khoa học từng cho rằng rRNA chỉ đóng vai trò khung đỡ thụ động, còn các protein ribosome mới là thành phần thực sự đảm nhiệm chức năng xúc tác.

Tuy nhiên, các nghiên cứu cấu trúc phân giải cao vào đầu những năm 2000 đã đảo ngược hoàn toàn quan niệm này. Kết quả nghiên cứu cho thấy trung tâm xúc tác hình thành liên kết peptide giữa các axit amin (peptidyl transferase center) hóa ra được cấu thành hoàn toàn từ rRNA, không có bất kỳ protein nào tham gia trực tiếp vào phản ứng hóa học then chốt đó. Nói cách khác, bản thân ribosome chính là một ribozyme khổng lồ, nghĩa là một phân tử RNA hoạt động như enzyme thực thụ [4].

Bên cạnh vai trò xúc tác cốt lõi đó, rRNA của tiểu đơn vị nhỏ còn đảm nhiệm chức năng giám sát độ chính xác của quá trình bắt cặp giữa bộ ba mã (codon) trên mRNA và bộ ba đối mã (anticodon) trên tRNA, giúp hạn chế tối đa sai sót trong quá trình dịch mã.

rRNA hoạt động như một ribozyme xúc tác hình thành các liên kết peptide giữa các axit amin 

4. Ứng dụng của rRNA trong nghiên cứu sinh học

Nhờ vừa có tính bảo tồn cao qua các loài, vừa là mục tiêu sinh lý thiết yếu cho sự sống của tế bào, rRNA đã trở thành công cụ và đích tác động quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và y học.

4.1. Tiềm năng ứng dụng

• Nhận dạng vi sinh vật: Các nhà khoa học sử dụng trình tự gen 16S rRNA để xác định vi khuẩn và phân loại các vi sinh vật chưa biết. Vì gen này vừa chứa các vùng trình tự được bảo tồn cao giữa hầu hết các loài vi khuẩn, vừa chứa 9 vùng siêu biến (V1-V9) mang tính đặc trưng riêng cho từng loài, giải trình tự 16S rRNA đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn để xác định thành phần vi khuẩn trong một mẫu bệnh phẩm hay môi trường mà không cần nuôi cấy trực tiếp [5].
• Nghiên cứu tiến hóa: Các vùng được bảo tồn trong rRNA giúp theo dõi lịch sử tiến hóa sâu xa của sự sống và xác định các lĩnh vực sinh học chính.
• Giải trình tự metagenomics: Các mồi khuếch đại phổ quát nhắm mục tiêu vào rRNA để lập bản đồ toàn bộ cộng đồng vi sinh vật trong đất, nước và đường ruột người.
• Nghiên cứu kiểm soát dịch mã: Các nhà nghiên cứu kiểm tra các biến thể và sửa đổi của rRNA để xem tế bào thay đổi quá trình sản xuất protein như thế nào trong điều kiện căng thẳng hoặc bệnh tật

Song song đó, chính vì cấu trúc rRNA có sự khác biệt đáng kể giữa ribosome vi khuẩn và ribosome người, rRNA đã trở thành đích tác động lý tưởng cho nhiều nhóm kháng sinh quan trọng bậc nhất trong y học lâm sàng.

Sơ đồ giải trình tự 16S rRNA để xác định đặc điểm hệ vi khuẩn đường hô hấp của voi Châu Phi 

4.2. Thách thức còn tồn tại

• Độ phân giải phân loại thấp: Phương pháp giải trình tự 16S rRNA tiêu chuẩn thường không thể phân biệt được các loài vi khuẩn rất gần nhau như Escherichia coli và Shigella [6].
• Sai lệch trong PCR và khuếch đại: Mồi khuếch đại có thể bỏ sót một số nhóm vi sinh vật nhất định, dẫn đến kết quả sai lệch về mẫu.
• Sự dư thừa trong mẫu: rRNA chiếm phần lớn tổng lượng RNA trong tế bào, điều này có thể làm lu mờ các tín hiệu RNA thông tin (mRNA) hữu ích trong quá trình giải trình tự trừ khi được loại bỏ một cách có chủ đích.
• Hiểu sai về hoạt động: Trong nhiều trường hợp, khi nhận thấy nồng độ rRNA cao, chúng ta thường nhầm lẫn và cho rằng vi sinh vật đang phát triển mạnh. Tuy nhiên, kết quả này chỉ có thể cho thấy tiềm năng dịch mã cơ bản cao.

Đối với các kháng sinh nhắm vào rRNA, thách thức lớn nhất là hiện tượng kháng thuốc phát sinh từ đột biến điểm ngay tại vị trí gắn kết của thuốc trên rRNA. Ví dụ, đột biến tại vị trí A2058 trên 23S rRNA có thể làm giảm mạnh ái lực gắn kết của nhóm macrolide, dẫn đến đề kháng thuốc trên diện rộng [7].

Dù là công cụ hữu hiệu nhất hiện nay, giải trình tự 16S rRNA vẫn tồn tại giới hạn đáng kể về độ phân giải

Qua những phân tích trên, có thể thấy câu trả lời cho câu hỏi rRNA là gì không đơn giản chỉ là một định nghĩa sinh học. Tuy không được nhắc đến thường xuyên như mRNA hay tRNA, nhưng rRNA lại là loại RNA chiếm số lượng áp đảo nhất trong mọi tế bào sống, đồng thời giữ vai trò xúc tác trung tâm cho toàn bộ quá trình tổng hợp protein, nền tảng của mọi hoạt động sống.

Từ việc giúp các nhà vi sinh học định danh chính xác một loài vi khuẩn chưa từng nuôi cấy được, cho đến việc trở thành đích tác động của những nhóm kháng sinh cứu sống hàng triệu người mỗi năm, rRNA xứng đáng được nhìn nhận không chỉ như một thành phần cấu trúc, mà là một trong những phân tử sinh học có ảnh hưởng sâu rộng nhất đến cả nghiên cứu cơ bản lẫn y học ứng dụng.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells

NGUỒN THAM KHẢO:

• (1). “Axit ribonucleic (RNA)”, NHGRI, https://www.genome.gov/about-genomics/educational-resources/fact-sheets/ribonucleic-acid-fact-sheet
• (2). Marie-Line Dubois, 2016, “The Nucleolus: Structure and Function”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7123373/
• (3). “5.8S Ribosomal RNA — Overview”, ScienceDirect, https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/5-8s-ribosomal-rna
• (4). Mauro D Locati, 2017, “Expression of distinct maternal and somatic 5.8S, 18S, and 28S rRNA types during zebrafish development”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5513064/
• (5). Nancy J Ames, 2018, “The Human Microbiome and Understanding the 16S rRNA Gene in Translational Nursing Science”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5535273/
• (6). Paula Araujo de Souza, 2025, “Application and Limitations of 16S rRNA Gene Sequencing for Identifying WHO Priority Pathogenic Gram-Negative Bacilli”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12684418/
• (7). Birte Vester, 2021, “Macrolide Resistance Conferred by Base Substitutions in 23S rRNA”, Antimicrobial Agents and Chemotherapy, https://journals.asm.org/doi/10.1128/aac.45.1.1-12.2001