1 ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN: “ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN” MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. 2. Mục đích nghiên cứu. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu. 4. Phương pháp nghiên cứu. NỘI DUNG I. Khái quát về sự điều hòa biểu hiện của gen I.1. Khái niệm I.2. Ý nghĩa I.3. Nguyên lý cơ bản của phiên mã và dịch mã I.4. Các yếu tố điều hòa biểu hiện gen II. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực II.1. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ II.1.1. Cấu trúc operon II.1.2. Hai loại điều hòa biểu hiện âm tính: Operon cảm ứng và ức chế 2 II.1.2.1. Điều hòa ức chế II.1.2.2. Điều hòa cảm ứng II.1.3. Điều hòa biểu hiện dương tính II.2. Điều hòa hoạt tính gen ở sinh vật nhân chuẩn II.2.1. Điều hoà cấu trúc chất nhiễm sắc II.2.2. Điều hoà giai đoạn phiên mã II.2.3. Điều hoà sau phiên mã II.2.4. Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn dịch mã và sau dịch mã. II.2. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực III. Sự biệt hóa tế bào 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Di truyền học là lĩnh vực nghiên cứu ngày càng được phát triển mạnh mẽ, mở ra nhiều triển vọng mới cho con người trong việc chữa bệnh và sản xuất vật nuôi cây trồng đáp ứng nhu cầu của con người. Trong đó lĩnh vực sinh học phân tử là cơ sở của mọi vấn đề liên quan đến di truyền. Lĩnh vực này không chỉ giúp cho loài người hiểu được một cách rõ ràng cơ chế truyền đạt các tính trạng, biểu hiện các tính trạng v.v…mà sinh học phân tử chính là chìa khóa mở ra mọi vấn đề di truyền, giải đáp mọi thắc mắc trong giới khoa học về các bệnh tật di truyền và các mối quan hệ liên qua đến gen. Chính vì vậy mà sinh học phân tử cũng như công nghệ sinh học là các lĩnh vực mũi nhọn trong nghiên cứu khoa học ngày nay. Vào năm 2006, hình ảnh của một con hươu con bị bạch tạng đang nô đùa giữa đàn hươu nâu ở vùng núi cao miền đông nước Đức đã gây nên một làn sóng phản ứng khác nhau trong cộng đồng. Một tổ chức săn bắt ở địa phương cho rằng: con hươu bạch tạng mắc bệnh “di truyền” và cần giết bỏ. Một số người khác thì lại cho rằng con hươu đó cần được bảo vệ bằng cách cho lai với những con hươu khác để bảo vệ vốn gen của quần thể. Trong khi, những người khác thì ủng hộ quan điểm cần chuyển con hươu đó vào vườn quốc gia để bảo vệ, vì trong môi trường sống hoang dại con hươu này dễ bị các loài động vật ăn thịt phát hiện… Ví dụ về bạch tạng trên chính là hình ảnh minh họa về mối quan hệ trong dòng thông tin di truyền. Nói cách khác protein là cầu nối giữa kiểu gen và kiểu hình. Quá trình truyền thông tin di truyền từ gen đến protein như thế nào và tại sao các đột biến di truyền có thể ảnh hưởng đến cơ thể sinh vật thông qua các 4 protein của chúng. Điều này phụ thuộc vào cơ chế điều hòa biểu hiện của gen. Đó chính là lí do tôi chọn đề tài tiểu luận: “điều hòa sự biểu hiện của gen” 2. Mục đích nghiên cứu Phân tích cơ chế quá trình điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn 3. Nhiệm vụ nghiên cứu -Thu thập các tài liệu giáo trình, sách chuyên khảo, sách tham khảo và các công cụ internet để tổng hợp những vấn đề nghiên cứu liên quan đến sự điều hòa hoạt động gen -Thu thập các ứng dụng về sự điều hòa biểu hiện gen trong lĩnh vực y học và khoa học công nghệ 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tổng hợp tài liệu 5 PHẦN: NỘI DUNG I. Khái niệm về sự điều hòa biểu hiện của gen I.1. Khái niệm sự điều hòa biểu hiện của gen Sự biểu hiện của gen là quá trình ở đó AND điều khiển sự tổng hợp protein (hoặc ARN). Sự biểu hiện của một gen mã hóa protein luôn tồn tại hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã. Sự biểu hiện của gen khác nhau ở sinh vật nhân sơ (prokaryotae) và sinh vật nhân chuẩn (Eukaryotae). Vệc điều hòa được thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau và liên quan đến từng giai đoạn phát triển. Theo quan niệm operon, các gen điều hòa giữ vài trò quan trọng trong việc đóng và mở các gen cấu trúc để có biểu hiện tổng hợp protein đúng lúc, đúng nơi và theo nhu cầu của tế bào và cơ thể. Như vậy quá trình điều chỉnh sự biểu hiện của gen thông qua quá trình điều khiển sự phiên mã và dịch mã cho phù hợp với nhu cầu là quá trình điều hòa hoạt động của gen. I.2. Ý nghĩa về sự điều hòa biểu hiện của gen Trong tế bào, một số gen hoạt động thường xuyên cung cấp sản phẩm liên tục, một số khác có biểu hiện ở những giai đoạn nhất định trong chu trình sống và có thể chỉ hoạt động trong điều kiện môi trường không bình thường. Một số protein cần được tổng hợp với số lượng lớn, một số khác lại chỉ cần một ít phân tử. Do vậy hoạt tính của mỗi gen điều hòa bởi nhiều cơ chế khác nhau để có hiệu quả tốt nhất trong tế bào. Nhờ cơ chế điều hòa, cơ thể thực hiện đều đặn và hợp lí chương trình phát triển cá thể và thích nghi với điều kiện ngoại cảnh. I.3. Nguyên lý cơ bản của phiên mã và dịch mã 6 Dòng thông tin từ gen đến protein được mô tả như sự truyền tải của các dạng “ngôn ngữ”. Bởi vì các Acid nuceic cũng như protein đều là các đa phân, truyền tải thông tin dựa trên cơ sở tính đặc thù của đơn phân. Trong AND và ARN, các đơn phân là 4 loại nucleotid khác nhau về thành phần base. Các gen điển hình có chiều dài hàng trăm đến hàng nghìn nucleotid, mỗi gen có một trình tự base đặc thù. Mỗi chuỗi protein cũng có các đơn phân xếp thành một chuỗi thẳng hàng có trình tự nhất định, nhưng các đơn phân của nó là acid amin. Như vậy acid nucleic và protein mang thông tin được viết bằng hai thứ ngôn ngữ hóa học khác nhau. Sự truyền tải thông tin từ AND đến protein trải qua 2 giai đoạn: phiên mã và dịch mã. Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN dưới sự chỉ dẫn của AND. Đối với gen mã hóa protein các ARN thu được là bản phiên mã “trung thực” từ gen, loại ARN đó goi là mARN (ARN thông tin) bởi vì nó mang thông điệp di truyền thông tin di truyền từ AND đến bộ máy tổng hợp protein trong tế bào. Dịch mã là quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide diễn ra dưới sự chỉ dẫn của mARN. Quá trình dịch mã diễn ra ở ribosome, phức hệ dạng hạt tạo điều kiện thuận lợi cho sự kết nối các acid amin theo trật tự nhất định để hình thành nên chuỗi polypeptide. Có thể thấy rằng dòng thông tin di truyền được thể hiện AND  mARN  protein. Lần đầu tiên Francis Crick đưa ra nguyên lý này vào 1956 và được gọi là “nguyên lý trung tâm”. I.4. Các yếu tố điều hòa biểu hiện gen Để thực hiện điều hoà biểu hiện gen, đầu tiên, phải có tín hiệu gây điều hoà, sau đó, thực hiện quá trình điều hoà. 7 Ở tế bào procaryote, tín hiệu gây điều hoà thường là những yếu tố dinh dưỡng hay những yếu tố vật lý của môi trường. Sự thay đổi các yếu tố dinh dưỡng hay yếu tố vật lý của môi trường có tác động làm thay đổi hoạt động của cơ thể sống, nhằm thích nghi với điều kiện mới để phát triển. Ở tế bào eucaryote, tín hiệu điều hoà là những phần tử do tế bào chuyên biệt phát sinh. Ví dụ như các hormone được tổng hợp ở các bộ phận chuyên biệt như tuyến yên, tuyến giáp, đi vào trong máu, đem tín hiệu đến các mô thực hiện điều hoà biểu hiện gen. Điều hoà biểu hiện gen có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau như thay đổi cấu trúc của DNA, tác động trực tiếp đến các giai đoạn tổng hợp protein như phiên mã, dịch mã, , quá trình xảy ra rất phức tạp. Phần lớn sinh vật procaryote đều ở dạng đơn bào, tế bào chưa có màng nhân, quá trình phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời trong tế bào chất, nên sự điều hoà biểu hiện gen được tiến hành chủ yếu ở giai đoạn phiên mã. Đối với các sinh vật đơn bào, sự điều hoà là nhanh và nhạy, vì các tín hiệu điều hoà tác động trực tiếp ngay tế bào. Ngược lại, sinh vật eucaryote là những cơ thể đa bào: Mỗi tế bào là một thành phần của cơ thể sống, nên phải tuân thủ nghiêm ngặt theo một chương trình phát triển chung của cơ thể, mỗi bộ phận có một chức năng riêng biệt, sự điều hoà ở đây mang tính thống nhất cho toàn bộ cơ thể. Thêm vào đó, tế bào eucaryote có cấu tạo hoàn chỉnh, sự phiên mã xảy ra trong nhân tế bào, còn sự dịch mã thực hiện ở ngoài tế bào chất, do vậy, sự điều hoà biểu hiện gen phức tạp hơn nhiều và được tiến hành ở nhiều giai đoạn. II. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực II.1. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ 8 Bộ máy di truyền ở sinh vật nhân sơ là một AND vòng tròn chứa một số lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất. Mặt khác do chu kì tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào. Do đó hoạt động của các gen được điều hòa bởi nhu cầu của tế bào khi cần thiết. Tác động của các nhân tố môi trường làm những gan tương ứng được mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu quả ngược làm dừng lại. II.1.1. Cấu trúc operon Bộ gen của vi khuẩn được tổ chức theo operon. Một operon có một vùng điều khiển và vùng mã hóa. Vùng điều khiển bao gồm gen điều hoà, promoter và điểm điều hành (operator). Vùng mã hóa bao gồm một số gen cấu trúc nằm kề nhau, mỗi gen cấu trúc mã hóa cho một polypeptide. Các protein được mã hóa trong một operon thường có quan hệ mật thiết với nhau trong một quá trình chuyển hóa sinh hóa nào đó trong tế bào. Một operon có ít nhất một promoter, tuy nhiên, operon có thể có nhiều hơn một promoter và ái lực của các promoter này đối với RNA-polymerase là khác nhau. Operator là trình tự DNA, nơi mà protein ức chế (repressor protein) gắn vào. Khái niệm về operon được F. Jacob và các cộng sự của ông nêu ra năm 1961 khi nghiên cứu sự kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose ở E. Coli. Với sự khám phá ra cơ chế điều hoà biểu hiện gen, ông đã nhận được giải thưởng Nobel 1965. II.1.2. Hai loại điều hòa biểu hiện âm tính: Operon cảm ứng và ức chế 9 II.1.2.1. Điều hòa ức chế Hình ảnh minh họa trên mô tả operon try ở E.coli- Điều hòa tổng hợp các enzym ức chế. Sự phiên mã thường diễn ra một cách mặc định. Operon tryptophan cũng có cấu trúc bao gồm gen điều hoà (R), promoter (P), operator (O) và 5 gen cấu trúc. Mỗi gen cấu trúc mã hóa cho một enzyme, xúc tác phản ứng tổng hợp tryptophan. Trong tế bào, tryptophan được tổng hợp bằng một chuỗi 5 phản ứng, mỗi phản ứng được xúc tác bằng một enzyme mã hóa trong operon. Năm gen cấu trúc mã hóa cho 5 enzyme, lần lượt được ký hiệu là trpE, trpD, trpC, trpB và trpA. Gen trpE nằm ngay sau vùng điều hoà, được phiên mã đầu tiên. 10 Ngược lại, khi môi trường dư thừa trytophan, hoạt động của operon tryptophan bị ức chế do protein kìm hãm- là sản phẩm của gen điều hòa, kết hợp với chất đồng kìm hãm (corepressor, là các phân tử trytophan), thì sẽ có ái lực với operator nên dễ dàng gắn vào đó, làm operon đóng (trạng thái ức chế). Ngược lại khi thiếu trytophan, Hoạt động của operon có thể mô tả như hình trên . Như vậy, khi lượng tryptophan được tế bào tổng hợp chính là nhân tố điều chỉnh việc operon liên kết hay không liên kết với các chất ức chế. II.1.2.2. Điều hòa cảm ứng Vi khuẩn E. Coli có khả năng sử dụng đường lactose như nguồn cacbon chính để phát triển. Lactose là một disacarit, nên khi có mặt lactose trong môi trường, vi khuẩn sản sinh ra enzyme β-galactosidase để thuỷ phân lactose, tạo thành các phân tử monosacarit là glucose và galactose thuận lợi cho quá trình chuyển hóa. Ngoài β-galactosidase ra, tế bào vi khuẩn còn tổng hợp enzyme permease làm nhiệm vụ vận chuyển lactose qua màng tế bào. Khi nghiên cứu sự kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose, F. Jacob đã phát hiện cơ chế tổng hợp các enzyme hấp thụ đường lactose. Quá trình thí nghiệm có thể mô tả như sau - Khi nuôi vi khuẩn E. Coli trên môi trường không có lactose, thì ta thấy nồng độ enzyme β-galactosidase và permease do vi khuẩn sinh ra rất thấp: khi đưa đường lactose vào môi trường nuôi thì nồng độ hai enzyme này ở tế bào vi khuẩn tăng lên rất nhiều. Nhưng nếu nuôi vi khuẩn trên môi trường có đường glucose và lactose đồng thời thì nồng độ hai enzyme nêu trên trong tế bào thấp hơn so với trường hợp chỉ có đường lactose. Khi phân tích tổng nồng độ mRNA có mặt trong tế bào trước và sau khi đưa lactose vào trong môi trường nuôi, thấy rằng: Khi không có mặt lactose trong môi trường thì không xuất hiện mRNA mã [...]... II.2.4 Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn dịch mã và sau dịch mã Ở giai đoạn dịch mã, sự điều hoà biểu hiện gen thường thể hiện ở sự biến đổi các nhân tố khởi động của quá trình dịch mã Điều hoà ở giai đoạn sau dịch mã thường được thể hiện ở sự biến đổi hoạt tính của phân tử protein Sau khi được tổng hợp, chuỗi polypeptide phải trải qua 18 một giai đoạn hoàn thiện mới trở thành phân tử protein... lại, mặc dù tất cả các bước trong sự biểu hiện của gen về căn bản được điều hoà, nhưng đối với phần lớn các gen, việc khởi sự phiên mã là điểm kiểm soát quan trọng nhất TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Phạm Thành Hổ 2003 Di truyền học NXB Giáo dục, Hà Nội 2 Nguyễn Bá Lộc 2002 Bài giảng Sinh học phân tử ĐHSP-Đại học Huế 3 Lê Đức Trình 2001 Sinh học phân tử của tế bào NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 4 Campbell,... liệu tham khảo, nội dung tiểu luận cũng đã phân tích có hệ thống quá trình và cơ chế điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực góp phần thấy được điểm chung cũng như sự khác biệt trong điều hòa hoạt động gen ở hai nhóm sinh vật điển hình Ở sinh vật nhân sơ (Prokaryotae), chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào Do đó hoạt động của các gen được điều hoà do các nhu cầu... polymerase thực hiện phiên mã các gen cấu trúc Mô hình hoạt động của operon lactose như sau: 12 P Phần lớn sự tổng hợp các enzyme hoạt động trong các quá trình phân giải ở tế bào được sự kiểm soát theo cơ chế của operon cảm ứng 13 Nhìn chung, cách điều hoà biểu hiện gen ở sinh vật procaryote chủ yếu được thực hiện ở giai đoạn phiên mã II.1.3 Điều hòa biểu hiện dương tính Cơ chế điều hòa dương tính... (constitutif), các enzyme khác chỉ xuất hiện khi có mặt chất cần biến đổi nên gọi là enzyme cảm ứng (inducible) Tương ứng có 2 loại gen được phân biệt : gen cơ cấu và gen điều hoà (regulator) Các gen cơ cấu được phiên mã liên tục, các sản phẩm của chúng thường xuyên có mặt trong tế bào Các gen được điều hoà hoạt động tuỳ điều kiện cụ thể của môi trường II.2 Điều hòa hoạt tính gen ở sinh vật nhân chuẩn Cấu tạo... số lượng gen cấu trúc ở người chỉ gấp 10 lần so với gen cấu trúc vi khuẩn Điều đó cho thấy rất nhiều gen ở người tham gia vào các cơ chế điều hoà 5 Điều hoà sự phát triển phôi 20 Sự điều hòa ở mức phiên mã giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển phôi Ngay lần phân chia đầu tiên của hợp tử, nếu tế bào chất phân bố không đều thì sẽ có ảnh hưởng đến quá trình biệt hóa tế bào tiếp theo Sự phân bố các... hoà biểu hiện gen rất phức tạp Các gen điều hoà 15 thường có kích thước lớn hơn nhiều so với ở sinh vật procaryote Các gen điều hoà thường nằm cách xa promoter Điều hoà biểu hiện gen có thể được thực hiện ở nhiều giai đoạn như: điều hoà bằng cách thay đổi cấu trúc của nhiễm sắc chất, điều hoà trong giai đoạn phiên mã, trong giai đoạn dịch mã và sau dịch mã II.2.1 Điều hoà cấu trúc chất nhiễm sắc Nhiễm... đoạn peptit để tạo phân tử protein hoạt tính III Sự biệt hóa tế bào Sự điều hòa ở mức phiên mã là nguồn gốc căn bản của các sai khác giữa những tế bào biệt hóa Nếu những sự biệt hóa giữa các kiểu tế bào khác nhau phụ thuộc vào các gen chuyên biệt mà tế bào biểu hiện, thì sự kiểm soát biểu hiện gen được thực hiện ở mức độ nào? 1 Các tế bào biệt hóa chứa thông tin di truyền như nhau Ở các sinh vật bậc cao... gần nhau, biểu hiện của các gen này được điều chỉnh phù hợp với từng thời kỳ phát triển của cơ thể Sự thay đổi thành phần cấu tạo của các bazơ nitơ trong nhiễm sắc chất cũng làm thay đổi hoạt động biểu hiện gen Ví dụ như sự metyl hoá một số bazơ nitơ ở vùng 5' của gen ở động vật sẽ kìm hãm hoạt động biểu hiện gen hay nhiễm sắc thể X không hoạt động ở người thuộc loại siêu metyl hoá II.2.2 Điều hoà giai... Nội 4 Campbell, Reece, Urry, Cain, Wasserman, Minorsky, Jackon Tập 3, Di truyền học USA 5 Lê Đình Nhân, Phan Cự Nhân 2001 Cơ sở di truyền học NXB Giáo dục Hà Nội 6 1 Ban Từ điển-NXB Khoa học và Kỹ thuật 2002 Từ điển Bách khoa Sinh học NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 23 7 Hoàng Trọng Phán Giáo trình sinh học phân tử NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2003 8 http://rhaptos.voer.vn/content/m33450/latest/?format=pdf . về sự điều hòa biểu hiện của gen I.1. Khái niệm sự điều hòa biểu hiện của gen Sự biểu hiện của gen là quá trình ở đó AND điều khiển sự tổng hợp protein (hoặc ARN). Sự biểu hiện của một gen mã. vậy, sự điều hoà biểu hiện gen phức tạp hơn nhiều và được tiến hành ở nhiều giai đoạn. II. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực II.1. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật. điều hòa biểu hiện của gen I.1. Khái niệm I.2. Ý nghĩa I.3. Nguyên lý cơ bản của phiên mã và dịch mã I.4. Các yếu tố điều hòa biểu hiện gen II. Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật