Bài giảng Điều hòa hoạt động gen vi khuẩn TS. Nguyễn Trọng Hiệp

Bài giảng Điều hòa hoạt động gen vi khuẩn TS. Nguyễn Trọng Hiệp

TS Nguyễn trọng Hiệp

Điều khiển tốc độ của các quá trình sinh hóa bằng cách thayđổi thuận nghịch lượng các enzym xúc tác (chất có bản chấtprotein) tham gia vào các quá trình điều hòa sinh tổng hợpprotein nói chung và enym nói riêng

Mở đầu

Hoặc là điều hòa hoạt tính của chúng trong qúa trình thực

hiện chức năng tăng hoặc giảm họat tính

Thường gặp nhất ở TB nhân nguyên thủy (Prokaryote) ví dụ

vi khuẩn

Ở Tế bào nhân thật (Eukaryote) gồm thực vật, động vật gồmcả 2 hướng trên

• Điều hòa hoạt động gen: biểu hiện bằng sự điều hòa trao

đổi chất bao gồm 2 hướng:

Enzym và họat hĩa enzym

Trong đa số các quá trình sinh hóa, các enzym là những chấtxúc tác các quá trình sinh học

Quá trình vận chuyển chủ động qua màng sinh học được thựchiện bởi protein nhưng chúng đóng vai trò "nhận biết" sự vận

chuyển (translocation) cơ chất như permease (di, tri, oligopeptid)

ATP

Màng ngoài Periplasma

Màng tế bào chất oppB oppC

Tế bào chất

Ở TB nhân nguyên thủy có các enzym DNA polymerase I, II, III, ligase chịu trách nhiệm sao chép DNA

Ở TB nhân thật có 5 loại DNA polymerase được biết là α, β,

γ, δ, và ε

Ngoài ra, để lơi xoắn và tháo xoắn có enzym helicase vàtopoisomerase I, phục hồi dạng siêu xoắn có topoisomerase II (DNA-gyrase)

Nhóm gen Dna mã hóa cho 1 protein cần thiết cho sao chép

(ví dụ DnaA, DnaC ngòai ra còn có thể kể đến DnaB, DnaI,

DnaP)các gen này chịu sự kiểm sóat Dương và Âm của cácprotein điều hòa

Kiểm soát dương: là sự tích lũy chất hoạt hóa cho đếnngưỡng đủ để khởi động một chu trình sao chép mới, cầnthiết cho sự cân bằng với việc nhân đôi của sinh khối tếbào

Kiểm soát âm: khi chất kiềm hãm cần được tổng hợp mộtcách giới hạn tiếp ngay khi bắt đầu chu trình sao chéptrước (vì có thể là sản phẩm của gen điều hòa nằm gần vịtrí bắt đầu sao chépphiên mã theo sự sao chép)

Khái niệm điều hòa quá trình phiên mã

Cơ chế kiểm sóat dương

(positive control): kích

thích sự phiên mã gene

trong Operon

Cơ chế kiểm sóat âm

(negative control): ức chế

sự phiên mã gene trong

Operon

Protein activator

Kiểm sóat cảm ứng, âm

Kiểm sóat cảm ứng, dương

Kiểm sóat ức chế, âm

Kiểm sóat ức chế, dương

Protein repressor

Điều hòa quá trình phiên mã

Operon là đơn vị phiên mã bao gồm tối thiểu là vùng khởiđộng (promoter) và các gen mã hóa mARN cho một hay một vài chuỗi polypeptid và terminator

Prokaryote

Eukaryote

Một operon có thể chứa một hay nhiều vị trí điều hòa (operator) hơn so với số promoter

Vị trí khởi đầu tổng hợp mARN

mARN

operator của λ - phage phủ lên một vùng của promoter

6.3 Điều hòa quá trình phiên mã

5' 3'

ARN polymerase

Repressor ARN polymerase

Repressor: protein ức chế

6.3.1 Kiểm soát cảm ứng, âm

Lac Operon

Gồm promoter, operator, gen cấu trúc, terminator Gen cấu trúc

gồm: lacZ, lacY, và lacA.

•lacZ: gen mã hĩa enzym β-galactosidase, một enzym nội bàochức năng chính là thủy phân disaccharide lactose  glucose+ galactose Chức năng phụ là biến lactoseallolactose

•lacY: gen mã hĩa β-galactoside permease, một protein chuyên chở đĩng vai trị bơm lactose qua màng tế bào

•lacA: gen mã hĩa β-galactoside transacetylase, một enzymgắn nhĩm acetyl từ acetyl-CoA vào β-galactosides

Chỉ lacZ và lacY cĩ vai trị cần thiết cho việc chuyển hĩa

lactose

Gắn vào Allolactose

L a c pro m o t e r

(lac p )

Tran ace ty lase

6.3.1 Kiểm soát cảm ứng, âm

Các yếu tố chính kiểm

sĩat Lac Operon

Lactose

Glucose và Galactose

Allolactose (chất cảm

ứng)

Gắn vào lac O

Khơng cĩ chất cảm ứng

Repressor

Inactive repressor

5' 3'

ARN polymerase Repressor Sự phiên mã bị phong bế

Quá trình cảm ứng enzym trong Kiểm soát cảm ứng, âm

Promoter Operator Gene 1 Gene 2 Gene 3

5' 3'

Cảm ứng sự tổng hợp enzym trên Lac operon

Allolactose

Những chất cảm ứng mạnh Lac operon

• Chủ yếu là có cấu trúc tương đồng với Lactose (Lactose analogues)

 Allolactose: isomer của lactose, cảm ứng Lac operon

Lactose cấu trúc là galactose-(β1->4)-glucose, trong khi

đó allolactose là galactose-(β1->6)-glucose Lactose cóthể được đổi sang allolactose dưới tác động của β-galactosidase

 IPTG:Isopropyl-β-D-thio-galactoside gắn vào repressor

và bất họat chất này nhưng IPTG không phải là cơ chấtcủa β-galactosidase

 X-gal: (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactoside) là cơchất của β-galactosidase nhưng không bất họatrepressor và sẽ chuyển màu xanh

Hỗn hợp 2 chất trên cảm ứng mạnh Lac operon hàng

ngàn lần và khóm vi khuẩn sản xuất β-galactosidase sẽ

có màu xanh

Cấu trúc những chất cảm ứng mạnh Lac operon

6.3.2 Kiểm soát ức chế, âm: Tryp Operon điều hịa sinh

tổng hợp acid amin Tryptophan

Dư thừa Trở nên chất

đồng ức chế (corepressor)

X X X

6.3.2 Minh họa kiểm soát ức chế, âm: Tryp Operon

Thiếu Tryptophan

Dư thừa Tryptophan

= Co-repressor

Kiểm sóat ức chế âm tương tự (Vd ứÙc chế sự tổng hợp acid amin arginine)

Arginine dư thừa

6.3.3 Điều hòa suy giảm

Leader sequence Gen1 Gen2 Gen3 Gen4 Gen5

ADN

Promoter

Operator

Đoạn che phủ

Sự phân bố gen của tryptophan operon

Vùng dẫn

6.3.2 Điều hòa suy giảm

Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn

2 codon mã hóa cho

Tryptophan (UGG-UGG)

Phần mã hóa 7-uracyl

trình tự dẫn

6.3.2 Điều hòa suy giảm

Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn

2 codon mã hóa cho Tryptophan (UGG-UGG)

6.3.3 Cơ chế điều hòa suy giảm

Sự chuyển dịch của ribosom trên mARN

ARN polymerase

ADN có nghĩa

Trp operon Ribosome

Thiếu Tryptophan: tiếp tục phiên mã

23

6.3.3 Cơ chế điều hòa suy giảm

Mô hình phiên mã suy giảm của operon tryptophan E coli

A B mARN

Điều hòa suy giảm

Thiếu Tryptophan: tiếp tục phiên mã

Dư Tryptophan: ngưng phiên mã

Vùng dẫn của cơ chế điều hòa suy giảm trên quá trình sinh tổng hợp một

số acid amin

Cảm ứng phiên mãKiểm sóat dương

6.3.4 Kiểm soát cảm ứng dương

araC P araB araA araD

Các sản phẩm chuyển hóa của Ara Operon

Ara Operon

Substrate Protein(s) Function Reversi

ble Product

L-ribulose AraB ribulokinase no L-ribulose-phosphate

phosphate

Kích họatù sự phiên mã

Không có sự phiên mã

Vai trị chung của cảm ứng sự tổng hợp enzym

3.5 Đa kiểm soát

Khi cĩ mặt glucose thì vi khuẩn E coli khơng cần thiết phải

phân giải một loại đường nào khác, và các gen mã hĩa cho cácenzym phân giải các đường ấy cũng đĩng lại

Hiệu ứng glucose (glucose effect): khơng cĩ glucose nhưng

cĩ lactose  lac operon được cảm ứng Nếu cĩ glucose thì sự cảm ứng của lac operon sẽ khơng xảy ra (tương tự như ở ara

operon)

Hiện tượng này là ức chế dị hĩa (catabolite repression)

2500 lactose

50 glucose + lactose

1 glucose

Relative Amount of β-β

galactosidase

Sugar(s) in Growth Medium

Lac promo ter

(lac p)

acetylase Permease

? Màng

tế bào

Không có chất cảm ứng

Phức hợp cAMP-Catabolite

Activator Protein hỗ trợ việc

gắn RNA polymerase

Khi có Glucose

sẽ ít có cAMP

ít phức hợp

cAMP-CAP

3.5 Đa kiểm soát

CAP gắn vào Lac promoter

RNA polymerase không gắn được

operon sẽ ít được họat hóa

Minh họa họat động của Lac operon dưới tác động

Lactose và Glucose

Xem D:\regulation\Lac-Operon.avi

6.4 Kiểm soát sau dịch mã

Sơ đồ kìm hãm ngược vịêc tổng hợp Isoleucine ở E coli

Sự dư thừa gây

kiềm hãm ngược

isoleucine

X

35Kìm hãm ngược vịêc tổng hợp Isoleucine ở E coli