Bài giảng xu hướng phát triển thực phẩm gen và hoạt động của gen

 Promoter: đoạn khởi đầu, vị trí để các enzyme sinh tổng hợp RNA bắt đầu quá trình phiên mã tạo phân tử RNA  Operator đoạn chỉ huy: đoạn ADN sẽ được gắn với nhân tố phiên mã để điều kh

Gen và hoạt động

của gen Học phần Thực phẩm Biến đổi gen Nguyễn Tiến Thành – HUST-2016

Gen là gì?

 Gen là một đoạn DNA đảm bảo tạo ra một sản phẩm cần

thiết đối với hoạt động sống của tế bào

 Sản phẩm của gen: protein (mRNA), rRNA, tRNA và các RNA

khác tham gia kiểm soát hoạt động của hệ gen

 2 loại gen:

 Gen cấu trúc: mã hoá cho protein tham gia vào các quá trình

trao đổi chất thông thường

 Gen điều hoà: mã hoá cho protein có chức năng điều hoà các

hoạt động của gen

Cấu trúc chung của gen nhân sơ

Phiên mã

Dịch mã

Vùng mã hoá protein Vùng mã hoá protein

Các trình tự có thể nhận biệt

promoter của vi khuẩn

Một số promoter của E.coli

Cấu trúc chung của gen nhân chuẩn

Phiên mã

Biến đổi sau phiên mã

Dịch mã

Exon: vùng mã hoá

Vùng mã hoá protein

Khung đọc mở

Các thành phần chính của gen

 Vùng mã hoá protein: nằm giữa bộ ba mã hoá start và stop, hay

còn gọi là khung đọc mở ORF

 Promoter: đoạn khởi đầu, vị trí để các enzyme sinh tổng hợp RNA

bắt đầu quá trình phiên mã tạo phân tử RNA

 Operator (đoạn chỉ huy): đoạn ADN sẽ được gắn với nhân tố phiên

mã để điều khiển quá trình phiên mã

 Enhancer: đoạn ADN mà 1 protein kích hoạt quá trình phiên mã

gắn vào làm tăng cường sự phiên mã

 Silencer: đoạn ADN gắn một protein ức chế sự phiên mã

 Terminator: trình tự kết thúc cho quá trình dịch mã

 5’ UTR; 3’ UTR: trình tự không dịch mã đầu 5’ và 3’ trên mRNA

 RBS: ribosome binding site: điểm gắn ribosome

 Terminator: trình tự kết thúc dịch mã

Mô tả sự khác biệt chính giữa cấu trúc gen của sinh vật

nhân sơ và nhân chuẩn ?

Các hoạt động chính của gen

 Tái bản (sao mã): tạo thành một bản sao giống như bản

gốc

 Phiên mã: Quá trình sinh tổng hợp ra RNA

 Dịch mã: Quá trình sinh tổng hợp protein từ mRNA

DNA /gene

tRNA/rRNA

mRNA Protein DNA

Tái bản

Phiên mã

Dịch mã

Quá trình tái bản gen ở sinh

vật nhân sơ

 Các enzyme tham gia quá trình tái bản

 Topoisomerase: tháo xoắn chuỗi DNA kép

 DNA polymerase I, II, III: tổng hợp sợi DNA mới và sửa sai

 RNA-polymerase: tổng hợp đoạn mồi

 Primase: gắn mồi

 Ligase: nối 2 nucleotide cạnh nhau tạo mạch polynucleotide

 Ribonuclease: cắt bỏ mồi sau khi tổng hợp xong

 Các protein tham gia:

 Protein B: Nhận biết điểm khởi đầu tái bản

 Protein SSB: giữ 2 mạch tách nhau trong khi tổng hợp sợi mới

các giai đoạn

 Giai đoạn 1 mở xoắn:

 Protein B gắn vào vị trí bắt đầu quá trình sao mã

 Topoisomase mở vòng xoắn tạo dạng chữ Y, có sự hợp

tác của enzyme helicase sử dụng năng lượng ATP để

tách liên kết hidro giữa 2 mạch

 Protein SSB gắn vào để giữ 2 mạch không chập lại

 Giai đoạn 2: Tổng hợp mồi (mồi là đoạn DNA ngắn để bắt

đầu quá trình kéo dài tạo chuỗi DNA)

 RNA polymerase tạo một đoạn RNA ngắn bổ sung với

mạch DNA

 Primase gắn đoạn RNA mồi này vào mạch DNA

Quá trình tái bản gen

các giai đoạn (tiếp)

 Giai đoạn kéo dài

 DNA Polymerase III gắn tiếp các nucleotide vào mồi từ đầu 3’

OH, kéo dài mạch

 Mạch 3’-5’: quá trình kéo dài nhanh hơn theo chiều 5’-3’

 Mạch 5’ – 3’: quá trình tổng hợp chậm: cần nhiều mồi bắt cặp

trên mạch tại nhiều vị trí khác nhau, tổng hợp theo chiều 5’

-3’ cùng lúc nhiều đoạn ngắn (gọi là đoạn okazaki)

 Kết thúc ribonuclease phân giải mồi, DNA polymerase I tổng

hợp DNA thế chỗ mồi Ligase nối lại thành mạch liên tục

 Video clip

Tái bản gen ở sinh vật nhân

chuẩn

 Về cơ bản cơ chế tương tự nhưng phức tạp hơn do có

cấu trúc nhiễm sắc thể, có sự tham gia của nhiều yếu tố

hơn

 Quá trình tái bản diễn ra đồng thời tại nhiều vị trí trên

NST cho tới khi kết thúc Mỗi vị trí diễn ra tái bản gọi là 1

replicon

trong sinh vật nhân sơ

 Giai đoạn khởi động:

 RNA-polymerase nhận biết và gắn vào vị trí promoter

 RNA-polymerase trượt dọc tới vị trí mở xoắn, làm lộ sợi

khuôn, bắt đầu quá trình phiên mã

 Giai đoạn kéo dài

 Enzyme RNA polymerase tiếp tục chuyển dịch dọc theo

DNA, làm giãn xoắn, kéo dài sợi mRNA mới theo nguyên

tắc bổ sung A-U, G-C

 Giai đoạn kết thúc

 Khi gặp đoạn DNA có tín hiệu kết thúc, RNA polymerase

dùng quá trình nối thêm nucleotide, giải phóng RNA,

enzyme tự giải phóng

Quá trình phiên mã tạo mRNA

trong sinh vật nhân chuẩn

 Có 3 loại RNA polymerase tham gia

 RNA-polymerase I: tổng hợp rRNA

 RNA-polymerase II: mRNA

 RNA-polymerase III: tRNA, RNA 5S (kích thước nhỏ)

 Quá trình gồm 2 giai đoạn chính:

 Taọ tiền phân tử mRNA (tương tự như sinh vật nhân sơ)

 Biến đổi tiền phân tử mRNA thành mRNA trưởng thành

trong sinh vật nhân chuẩn

 Quá trình biến đổi phân tử tiền mRNA:

 Gắn mũ: đầu 5’-P của mRNA được gắn thêm 1 nucleotide

là 7-methylguanosine, giúp bền mRNA và ribosome nhận

biết đúng vị trí khởi đầu dịch mã

 HÌnh thành đuôi poly-A: polyA-polymerase gắn thêm 1

đoạn gồm nhiều basơ Adenine vào đầu 3’ khi tổng hợp

xong mRNA Đuổi polyA làm bền mRNA khi được đưa ra

nguyên sinh chất

 Loại bỏ intron và gắn exon: các endonuclease cắt intron,

các ligase gắn các exon lại, tạo mRNA trường thành

Video

Quá trình phiên mã tổng hợp

tRNA và rRNA

 Tổng hợp ra phân tử tiền tRNA và rRNA, có thể gồm

nhiều phân tử rRNA và tRNA

 Cắt các đoạn không cần thiết, tạo thành các rRNA và

tRNA trưởng thành

Ví dụ phân tử tiền rRNA ở E.coli

Quá trình dịch mã

 Quá trình dịch mã được thực hiện ở Ribosome, trong tế bào

chất

 Ribsome gồm 2 tiêu phần lớn và nhỏ được tạo lên từ

protein, lipide và 3 loại rRNA

 Trong quá trình dịch mã, hai tiểu phần ribosome iên kết với

mRNA và tRNA để thực hiện tổng hợp protein

 Với sinh vật nhân sơ: phiên mã và dịch mã diễn ra đồng thời

 Với sinh vật nhân chuẩn: phiên mã trong nhân, dịch mã

trong tế bào chất

 Các axit amin được hoạt hoá và gắn với các tRNA tương

ứng

 Giai đoạn khởi đầu

 tRNAmet-Met (tRNA mang methionyl) đến vị trí khởi đầu

dịch mã (luôn là Methionine đầu tiên protein), tạo phức

hợp tiểu phần nhỏ của ribosome-mRNA và tRNA-Met

 Tiểu phần lớn kết hợp với phức hợp này để bắt đầu quá

trình

 Có sự tham gia của các phần tử khởi động IF, các phần tử

này rời khỏi hệ thống sau khi khởi động xong để bắt đầu

quá trình khác

Khởi đầu Kéo dài Kết thúc

Quá trình dịch mã

 Giai đoạn kéo dài

 Ribosome có 2 vị trí chuyên biệt cho tRNA mang axit amin

tới: P và A

 tRNA mang axit amin tới trước sẽ được gắn vào vị trí P,

tRNA tiếp theo sẽ được gắn vào vị trí A Tại vị trí P, liên

kết tRNA và axit amin mất đi Tại vị trí A, axit amin mới

đến tạo liên kết với axit amin ở vị trí P

 Ribosome dịch chuyển tiếp, axit amin từ vị trí A chuyển

sang vị trí P, tiếp tục nhận axit amin được tRNA mang tới

vị trí A vừa được giải phóng

 Có sự tham gia của nhân tố kéo dài

 Giai đoạn kết thúc

 Khi Ribosome dịch chuyển dọc mRNA tới bộ ba kết thúc, không có

tRNA mang axit amin đến, quá trình kết thúc

 Các nhân tố kết thúc giúp giải phóng chuỗi polypeptide với tRNA

cuối cùng, sợi mRNA tách ra khỏi ribosome

 Ribosome về trạng thái ban đầu chuẩn bị cho quá trình mới

Video

Điều hoà sinh tổng hợp protein

 ~ Điều hoà biểu hiện gen

 Mục đích điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với nhân tố dinh dưỡng, tác

nhân lý hoá và môi trường, tạo số lượng và loại cần thiết đảm bảo nhu

cầu của tế bào phát triển và sinh sản

 Nhu cầu protein của tế bào là khác nhau phụ thuộc vào các giai đoạn phát

triển, yếu tố môi trường, cần được cân bằng để tránh gây rối loạn cho tế

bào

 Ví dụ: có nguồn dinh dưỡng mới  sinh tổng hợp enzyme tương ứng để xử

lý nguồn dinh dưỡng đó Điều kiện nhiệt độ môi trường thay đổi, tạo

protein chống sự tăng nhiệt cho tế bào?

Điều hoà biểu hiện gen

 Tín hiệu điều hoà

 SV Nhân sơ: các yếu tố dinh dưỡng, vật lý của môi trường

 SV Nhân chuẩn: tạo ra từ các tế bào chuyển biệt: hormone

tuyến yên

 Các thức điều hoà gen:

 Tác động vào cấu trúc DNA

 Tác động vào quá trình phiên mã hay dịch mã

 Sự điều hoà biểu hiện gen ở nhân sơ đơn giản, nhanh, chủ

yếu vào quá trình phiên mã

 Sự điều hoà biểu hiện gen ở nhân chuẩn phức tạp hơn

1 số mô hình điều hoà biểu

hiện gen ở Vi khuẩn

 Chủ yếu tác động vào quá trình phiên mã

 Ở vi khuẩn, gen thường tập trung theo các operon gồm các

đoạn mã hóa protein được tập trung cùng một vùng dưới sự

kiểm soát của 1 promoter và các gen điều hòa khác

 lactose operon từ E.coli:

 Các gen mã hóa cho các enzyme phân giải lactose : Z, Y, A được

sắp xếp sát nhau cùng dưới sự điều khiển của promoter, operator

và terminator Gen R là gen điều hòa

 tryptophan- operon E.coli

 Các gen mã hóa cho các enzyme sinh tổng hợp tryptophan: 1-5

được sắp xếp sát nhau cùng dưới sự điều khiển của promoter,

operator và terminator Gen R là gen điều hòa

Điều hoà âm tính

Lactose-operon của E.coli

 Gen R liên tục tạo protein ức chế, bám vào Operator, khóa promoter, không tạo sản phẩm

 Khi có lactose, hoặc chất đồng dạng của lactose, lactose liên kết với protein ức chế làm thay đổi cấu trúc protein này làm nó

không liên kết với Operator được Promoter được mở

phiên mã dịch mã 3 gen Z, Y, A tạo các enzyme để sử dụng lactose trong môi trường

Điều hoà âm tính

Tryptophan- operon E.coli

 Gen điều hòa R tạo protein ức chế nhưng không tương thích để

gắn với Operator  promoter hoạt động bình thường, tạo các sản phẩm của các gen 1-5.

 Khi có thừa tryptophan, nó trở

thành nhân tố đồng kìm hãm, gắn kết với protein ức chế, thay đổi cấu trúc, trở lên tương thích với Operator  đóng promoter >

ngừng phiên mã các gen cấu trúc

 ngừng tạo sản phẩm tryptophan

Điều hoà 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

Kiểm soát

dương tính

 khi lactose có mặt,

allolactose liên kết với

protein ức chế làm bất hoạt

nó, mở promoter hoạt động,

tạo lacZ

 A, khi không có mặt glucose,

vi khuẩn cần lactose, nên

cAMP gắn với CAP chuyển

sang trạng thái hoạt động,

bám vào promoter, tăng khả

năng hoạt động của RNA

polymerase, tạo nhiều

enzyme cắt lactose

 B, khi nhiều glucose, ít cAMP,

CAP ở trạng thái không hoạt

động, không gắn vào

prômoter, phiên mã hoạt

động kém hơn

Vị trí gắn CAP

Chất ức chế lac bất hoạt

Chất ức chế lac bất hoạt

Điều hòa biểu hiện gen ở sinh

vật nhân chuẩn

 Điều hòa thông qua tác động vào nhiễm sắc thể: tăng mức độ

liên kết histon với DNA, hoặc methyl hóa các bazo làm giảm

khả năng phiên mã các gen

 Điều hòa thông qua tác động vào quá trình phiên mã

 Điều hòa thông qua tác động vào quá trình sau phiên mã

 Điều hòa thông qua tác động vào quá trình dịch mã và sau dịch

mã

Kết luận

 Gen là gì?

 Để gen có thể hoạt động tạo sản phẩm mã hoá cần các thành

phần nào?

 Các hoạt đông chính của gen là gì?

 Các phương thức điều hoà sự biểu hiện tạo protein của gen,

đặc biệt ở vi khuẩn?