Điều hòa sự biểu hiện của gen ppsx

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 kh

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

• Sau khi được phiên mã, nhiều loại mARN khác nhau có thể 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 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