Điều hòa sự biểu hiện của gen Tổng quan • Sự biểu hiện gen ở tế bào sơ hạch và tế bào chân hạch thay đổi tùy theo những biến đổi của môi trường. • Ở sinh vật đa bào sự biểu hiện của gen có vai trò trong sự biệt hóa các loại tế bào trong quá trình phát triển. Điều hòa sự biểu hiện gen ở vi khuẩn • Vi khuẩn thường đáp ứng với những thay đổi của môi trường bằng cách điều hòa hoạt động phiên mã • Chỉ những gen mà sản phẩm của chúng cần thiết tại một thời điểm nào đó mới được biểu hiện • Tế bào có thể kiểm soát sự tổng hợp enzyme bằng mối liên hệ ngược âm tính hoặc bằng sự điều hòa hoạt động của gen • Sự biểu hiện gen ở vi khuẩn được kiểm soát bởi mô hình operon Các nguyên lý cơ bản về Operon • Một nhóm gen có quan hệ về chức năng có thể chịu sự kiểm soát đồng thời: cùng “đóng” hoặc “mở” • Sự “đóng” hoặc “mở” cùng lúc của một nhóm gen do sự kiểm soát của một đoạn ADN được gọi là vùng vận hành (operator) • Một operon là một đoạn của ADN bao gồm vùng vận hành, vùng khởi động và các gen cấu trúc do chúng kiểm soát • Operon có thể bị “đóng” bởi một protein gọi là chất ức chế (repressor) • Chất ức chế ngăn cản sự phiên mã của gen bằng cách gắn vào vùng vận hành, cản trở sự gắn của ARN polymerase vào vùng khởi động • Chất ức chế được điều khiển tổng hợp bởi gen điều hòa (regulatory gene) • Chất ức chế có thể ở dạng hoạt động hoặc bất hoạt tùy vào sự có mặt của các phân tử khác • Một chất đồng ức chế (corepressor ) là một phân tử khi phối hợp với một protein ức chế có thể làm opron “đóng” Kiểm soát âm tính • Operon cảm ứng (inducible operon): – Bình thường không hoạt động (‘đóng”). Khi có một phân tử gọi là chất cảm ứng (inducer) làm bất hoạt chất ức chế gen phiên mã (“mở”) – Lac operon là một operon cảm ứng • Operon ức chế (repressible operon): – Bình thường hoạt động (“mở”). Khi chất ức chế gắn vào vùng vận hành gen ngừng phiên mã – Trp operon là một operon ức chế Lac operon • Lac operon là một operon cảm ứng, có chứa các gen mã hóa cho các enzyme tham gia vào việc thủy phân và chuyển hóa đường lactose Môi trường không có Lactose  gen “đóng” • Gen điều hòa  protein ức chế (dạng hoạt động) • Chất ức chế gắn vào vùng vận hành  ARN polymerase không thể gắn vào vùng khởi động  Các gen cấu trúc không phiên mã Môi trường có Lactose  gen “mở” • Lactose biến đổi allolactose (chất cảm ứng) • Allolactose gắn vào chất cảm ứng  Chất ức chế gắn bị bất hoạt, không thể gắn vào vùng vận hành  ARN polymerase có thể gắn vào vùng khởi động  Các gen cấu trúc phiên mã Trp operon • Trp operon là một operon ức chế, có các gen mã hóa cho các enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp tryptophan từ acid chorismic. Môi trường không có tryptophan → gen “mở” • Bình thường, khi môi trường thiếu tryptophan, trp operon “mở” do protein ức chế (được tổng hợp từ gen điều hòa) ở dạng bất hoạt → các gen cấu trúc phiên mãi • Khi có tryptophan, nó sẽ gắn vào protein ức chế → protein hoạt động → operon bị “đóng” • Vì chất ức chế chỉ hoạt động khi có tryptophan → trp opẻon bị “đóng” nên tryptophan được gọi là chất đồng ức chế (corepressor) • Các enzyme cảm ứng thường có vai trò trong con đường dị hóa; sự tổng hợp chúng được cảm ứng bởi một tín hiệu hóa học • Các enzyme ức chế thường có vai trò trong con đường đồng hóa; sự tổng hợp chúng bị ức chế khi lượng sản phẩm tạo ra nhiều. • Sự điều hòa của trp và lac operons đều là sự kiểm soát âm tính của gen vì các operon luôn bị “đóng” khi chất ức chế hoạt động Kiểm soát dương tính • Một số operon được kiểm soát dương tính nhờ một protein kích hoạt, chẳng hạn như catabolite activator protein (CAP), một chất hoạt hóa (activator) của sự phiên mã • Khi glucose (một nguồn thức ăn ưa thích của E. coli) trong môi trường rất ít, CAP được hoạt hóa bằng cách gắn với AMP vòng (cyclic AMP) • CAP đã kích hoạt sẽ gắn vào vùng hoạt hóa (phía trước vùng khởi động) của lac operon và làm tăng ái lực của RNA polymerase → tốc độ phiên mã • Khi lượng glucose trong môi trường tăng, CAP tách khỏi lac operon, và tốc độ phiên mã trở lại bình thường • CAP giúp điều hòa các operon khác mã hóa cho các enzymes được dùng trong con đường dị hóa Điều hòa sự biểu hiện gen ở TB chân hạch • Ở sinh vật đa bào, sự biểu hiện gen rất cần cho sự biệt hóa tế bào. • Tất cả các tế bào trong cơ thể đều có kiểu di truyền giống nhau. Sự khác biệt giữa các tế bào chính là do sự biểu hiện khác nhau. • Những sai sót trong sự biểu hiện gen có thể dẫn đến một số bệnh như ung thư • Sự biểu hiện của gen được điều hòa ở nhiều mức: – Trước phiên mã – Phiên mã – Sau phiên mã Điều hòa trước phiên mã • Chủ yếu là điều hòa cấu trúc của chất nhiễm sắc (chromatin) • Trong vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) là nơi chất nhiễm sắc đóng xoắn chặc, các gen thường không biểu hiện • Sự biến đổi hóa học của các histone và ADN của chromatin có ảnh hưởng đến cấu trúc của chromatin và sự biểu hiện của gen Sự biến đổi Histone • Acetyl hóa histone (histone acetylation): – nhóm acetyl được gắn vào lysine tích điện dương trong đuôi histone → chromatin tháo xoắn → phiên mã • Methyl hóa (methylation) & Phosphoryl hóa: – nhóm methyl được gắn vào chromatin. Sự gắn thêm nhóm phosphate gần các acid amin bị methyl hóa sẽ làm cho chromatin tháo xoắn Sự methyl hóa ADN • Ở một số loài, sự gắn nhóm methyl vào các nucleotide xác định có thể làm giảm sự phiên mã • Sự methyl hóa ADN có thể làm gen bất hoạt một thời gian dài trong sự biệt hóa tế bào • Trong sự ghi dấu bộ gen (genomic imprinting) sự methyl hóa điều hòa sự biểu hiện của một số gen xác định nhận từ cha hoặc mẹ trong giai đoạn đầu của sự phát triển Sự di truyền biểu sinh • Mặc dù những biến đổi của chromatin vừa được đề cập không làm thay đổi trình tự các nucleotide của ADN nhưng chúng vẫn được di truyền lại cho các thế hệ tế bào tiếp theo • Sự di truyền của các tính trạng do các cơ chế không bao gồm trình tự của nucleotide được gọi là sự di truyền biểu sinh hay sự di truyền hậu thành (epigenetic inheritance) Điều hòa phiên mã • Các enzyme làm biến đổi chromatin có vai trò kiểm soát bằng cách làm cho một vùng của ADN có khả năng gắn chặc hoặc lỏng lẽo với bộ máy phiên mã Tổ chức của một gen tiêu biểu ở TB chân hạch • Có quan hệ với hầu hết các gen ở TB chân hạch là yếu tố kiểm soát (control elements). Đây là một đoạn ADN không mã hóa giúp điều hòa sự phiên mã bằng cách gắn với các protein xác định • Yếu tố kiểm soát cùng với các protein gắn vào có vai trò kiểm soát chính xác sự điều hòa biểu hiện của gen ở những loại TB khác nhau Vai trò của các nhân tố phiên mã • Để khởi đầu sự phiên mã ở tế bào chân hạch, ARN polymerase cần được sự hỗ trợ của các protein gọi là nhân tố phiên mã (TF = transcription factor) • Các nhân tố phiên mã chung cần cho sự phiên mã của tất cả các gen mã hóa protein • Ở tế bào chân hạch, tốc độ phiên mã tùy thuộc vào sự tương tác giữa các yếu tố kiểm soát và các nhân tố phiên mã đặc trưng Vùng tăng cường và các TF đặc trưng • Các yếu tố kiểm soát gần nằm cạnh vùng khởi động • Các yếu tố kiểm soát từ xa, còn được gọi là vùng tăng cường (enhancers), nằm cách gen rất xa, thậm chí có thể nằm trong một intron • Chất hoạt hóa (activator) là một protein gắn vào [...]...vùng tăng cường và làm tăng tốc độ phiên mã của một gen • Sự gắn của chất hoạt hóa làm cho các protein điều hòa tương tác với các protein tại vùng khởi động Kiểm soát sau phiên mã • Chỉ một mình sự phiên mã chưa đủ cho sự biểu hiện của gen • Các cơ chế điều hòa có thể tác động vào những giai đoạn khác nhau sau khi phiên mã Biến đổi ARN & phân hủy ARN... được tạo ra từ cùng một bản phiên mã sơ cấp, tùy thuộc vào những đoạn nào của ARN được xử lý như là các intron hay exon • Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, các mARN thường bị phân hủy Đời sống của các ARN ở TB chân hạch dài hơn ở TB sơ hạch Kiểm soát giải mã • Sự giải mã của một mARN có thể bị ngừng lại do sự gắn các protein điều hòa vào một trình tự trên ARN Biến đổi và phân hủy protein • Sau khi giải... protein • Sau khi giải mã, việc tạo thành các loại protein chức năng khác nhau cũng được kiểm soát bằng cách cắt bỏ một số đoạn hoặc thêm vào các nhóm chất hóa học • Tốc độ phân hủy của các protein khác nhau nhờ sự kiểm soát của các phức hệ gọi là proteasome . Điều hòa sự biểu hiện của gen Tổng quan • Sự biểu hiện gen ở tế bào sơ hạch và tế bào chân hạch thay đổi tùy theo những biến đổi của môi trường. • Ở sinh vật đa bào sự biểu hiện. nhau. Sự khác biệt giữa các tế bào chính là do sự biểu hiện khác nhau. • Những sai sót trong sự biểu hiện gen có thể dẫn đến một số bệnh như ung thư • Sự biểu hiện của gen được điều hòa ở. giảm sự phiên mã • Sự methyl hóa ADN có thể làm gen bất hoạt một thời gian dài trong sự biệt hóa tế bào • Trong sự ghi dấu bộ gen (genomic imprinting) sự methyl hóa điều hòa sự biểu hiện của