điều hòa hoạt động biểu hiện của gen

•Gen điều hòa giữ vai trò quan trọng trong việc đóng mở các gen cấu trúc để có biểu hiện tổng hợp protein đúng lúc, đúng nơi theo nhu cầu cụ thể của tế bào... ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở

L/O/G/O GV Th.S Trần Hồng Bảo Quyên

Điều hòa và biểu hiện gen

NỘI DUNG CHÍNH

Đặc điểm điều hòa biểu hiện gen

Mục đích

Các mức độ biểu hiện gen

Điều hòa âm tính –dương tính

ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

•Sự biểu hiện của gen chịu sự kiểm soát của cơ chế điều

hòa.

• Đáp lại các biến đổi của môi trường bên trong và ngoài cơ

thể.

• Thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau và liên quan đến

từng giai đoạn phát triển.

•Gen điều hòa giữ vai trò quan trọng trong việc đóng mở

các gen cấu trúc để có biểu hiện tổng hợp protein đúng lúc,

đúng nơi theo nhu cầu cụ thể của tế bào

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở PROKARYOTE

• Điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các biến đổi của

môi trường để tăng trưởng, sinh sản.

• Chỉ những gen mà sản phẩm của chúng cần thiết tại 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 gen.

• Sự biểu hiện gen ở vi khuẩn được kiểm soát bởi mô hình

operon.

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở EUKARYOTE

• Mục đích của sự điều hòa biểu hiện gen: hướng đến

sự chuyên biệt hóa từng loại tế bào vào từng cấu trúc và chức năng riêng.

•Do hệ gen có tổ chức đa dạng và phức tạp nên sự điều

hòa hoạt động gen được tiến hành ở nhiều giai đoạn.

CÁC MỨC BIỂU HIỆN GEN

1 Điều hòa và biểu hiện bằng thay đổi

cấu trúc NST hay cấu trúc phân tử

DNA

2 Điều hòa ở mức độ phiên mã

3 Cắt bỏ intron, nối exon (Splicing)

4 mARN gắn với một số protein đặc

hiệu xuyên qua lỗ nhân ra bào tương

5 Huỷ các mARN không được dùng

để dịch mã

6 Dịch mã, tổng hợp Protein

7 Biến đổi protein

8 Điều hòa bằng cơ chế phân hủy

Protein

Các giai đoạn biểu hiện của gen có thể được điều hòa

ở sinh vật nhân thật

• Sự biến đổi hóa học của các histone và DNA của chromatin có ảnh hưởng đến cấu trúc của chromatin và

sự biểu hiện của gen

1 Điều hòa và biểu hiện gen bằng thay đổi

cấu trúc NST hay cấu trúc phân tử DNA

a Sự Acetyl hóa histone

Nhóm acetyl được gắn vào lysine tích điện

dương trong đuôi histone → chromatin tháo xoắn

→ phiên mã.

b Sự methyl hóa DNA

 Nhóm methyl được gắn vào chromatin Sự gắn thêm nhóm phosphate gần các acid amin bị methyl hóa

sẽ làm cho chromatin tháo xoắn

 Trong các sinh vật đa bào, metyl hoá ADN là một dấu hiệu biểu hiện gen liên quan tới sự biệt hoá của mô

tế bào Trình tự nhận biết cho sự metyl hoá rất ngắn, ở động vật thường là CG còn ở thực vật là CNG

2 Điều hòa hoạt động gen bằng kiểm soát phiên mã

a/Điều hòa biểu hiện bằng các trình tự tăng cường

(Enhancer) phiên mã:

Một số yếu tố trình tự điều khiển, gọi là các yếu tố điều khiển

gần, nằm ngay gần promoter, còn các yếu tố điều khiển xa nằm

cách promoter một đoạn xa hơn và chúng tập hợp thành một nhóm được gọi là các trình từ tăng cường (enhancer)

Mô hình hoạt động của enhancer và các yếu tố hoạt hóa phiên mã

b.Phức hệ trung gian truyền tín hiệu tới RNA polymerase:

• Các yếu tố hoạt hoá ở sinh vật bậc cao như là các yếu tố hỗ trợ RNA polymerase di chuyển lên phía trước kể từ vị trí promoter trong quá trình phiên

c.Protein hoạt hóa (activator protein):

Protein hoạt hóa kết hợp với nhau, gắn với trình tự

enhancer và các nhân tố phiên mã, enzyme RNA polymerase II kích hoạt quá trình phiên mã Các protein hoạt hóa gắn càng nhiều trình tự enhancer, phiên mã càng mạnh, có thể cực đại

Các activator protein gắn với nhiều enhancer Cấu trúc đoạn gen ở vị trí các protein bám dính

3 Sự cắt nối các intron và exon

• Qúa trình này nhờ spliceosome (gồm snRNP và các protein)

• Hai Nu đầu tiên GU ở đầu 5’ và AG ở đầu 3’ của mỗi intron là

vị trí nhận biết để cắt intron ra khỏi phân tử tiền mARN

Ba bước của cơ chế cắt-nối (splicing) pre-mRNA sinh vật bậc cao (1) lắp mũ 5’ (xảy ra cùng lúc phiên mã); (2) tách bỏ và gắn đuôi poly(A); và (3) splicing (xảy ra trong nhân trước khi mRNA đi ra tế bào chất)

4 mARN xuyên qua lỗ nhân ra bào tương

mARN gắn với 1 số protein đặc hiệu hnRNP ,nhận diện lỗ nhân nhờ các thụ thể bên trong màng nhân, xuyên màng nhân ra ngòai bào tương theo hướng 5’- 3’

5 - Hủy mARN (nếu mARN không được dịch mã)

• Nếu mARN không được dịch mã, dưới tác dụng của ribonuclease sẽ phân hủy phân tử mARN này

• Sự thoái hóa mRNA là một cơ chế kiểm soát chủ yếu trong biểu hiện gen ở sinh vật bậc cao, thời gian tồn tại của mRNA phụ thuộc vào độ dài trình tự AU ở vùng 3’ không dịch mã và sự khử đuôi poly A

6 - Dịch mã, tổng hợp protein

• Dịch mã là quá trình giải

mã thông tin di truyền từ mARN để tạo thành protein tương ứng

• Ngoài mARN ,thì 2 nhân

tố quan trọng khác tham gia quá trình dịch mã là ribôxôm và ARN vận chuyển

7 – Biến đổi Protein

• Sau khi được tổng hợp, chuỗi polypeptide còn phải được biến đổi: acid amin mở đầu, một số đoạn của chuỗi polypeptid bị cắt bỏ, protein biến đổi cấu hình, gắn thêm một số chức hóa học như acetat, photphat , lập cầu nối disulfide hoặc cắt bỏ 1 đọan peptid ở giữa protein…để thực hiện chức năng của nó

• Các protein điều hòa thường được hoạt hóa hoặc bất hoạt một cách phổ biến tương ứng bằng việc được gắn thêm nhóm phosphate (phosphoryl hóa) hoặc loại bớt đi nhóm phosphate (loại phosphoryl hóa), trong khi đó các protein được chuyển đến bề mặt tế bào động vật thường được gắn thêm các gốc đường

• Các protein bề mặt tế bào và nhiều protein khác phải được vận chuyển đến đích ở trong tế bào là nơi chúng có thể biểu hiện chức năng

• Sự biểu hiện của gen có thể xuất hiện trong mỗi bước liên quan đến quá trình hoàn thiện và vận chuyển protein trước đây

8 Cung cấp protein đúng địa chỉ, nơi tế

bào và cơ thể cần sử dụng.

9 Sử dụng và phân giải Protein

Để đánh dấu một protein đặc thù cần được phân giải, theo một cơ chế phổ biến, tế bào gắn vào protein đó một phân tử protein nhỏ gọi là ubiquitin Sau đó một phức hệ protein kích thước “khổng lồ” có tên là thể phân giải protein (proteosome) sẽ nhận ra các protein được đánh dấu bằng ubiquitin và phân giải chúng

Kiểm soát âm tính

– Bình thường không hoạt động (‘đóng”) Khi có một phân tử gọi l à chất cảm ứng (inducer) làm bất hoạt chất ức chế gen

phiên mã ( “mở”).

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

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

02/23/14 24