Bài giảng lý thuyết sinh học phân tử Điều hòa gen

Operon: đơn vị phiên mã.Mỗi operon gồm: • Gen điều hòa: ksoát sự phiên mã của các gen khác • Promoter • Operator: trình tự DNA chuyên biệt để các protein điều hòa gắn vào dùng kiểm soát

SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN

CỦA GEN

TS Nguyễn Ngọc Lan

• Giải thích được cách thức tương tác giữa các

protein và các trình tự ADN đặc biệt và các phân tửkhác trong quá trình điều hòa hoạt động gen

• Bộ gen của con người chứa ~ 30.000 gen

• Một số gen được biểu hiện ở tất cả các tế bào

• Một số gen khác chỉ được biểu hiện

– Ở một loài tế bào nào đó

– Ở một thời điểm nào đó của quá trình sống– Dưới điều kiện đặc biệt của môi trường

MỤC ĐÍCH

Điều hòa trao đổi chất

 Nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với

các nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý hóa vàmôi trường, tạo số lượng và số loại cần thiết để

đảm bảo nhu cầu của tế bào: phát triển và

sinh sản.

Cấu trúc tế bào nhân nguyên thủy và

tế bào nhân thực

Tế bào nhân nguyên thủy,

nhân sơ (procaryote )

Tế bào nhân thực (eucaryote )

ĐIỀU HÒA SINH TỔNG HỢP PROTEIN

• Thời kỳ chuẩn bị sao chép bộ gen và phiên mã

• Thời kỳ kết thúc – dịch mã

HỌC THUYẾT TRUNG TÂM

Chiều thông tin khi gen được biểu hiện

QUÁ TRÌNH SAO CHÉP ADN

Proteins involved in E coli replication

Terms to be known

Sự điều hòa biểu hiện gen ở tế bào nhân sơ

• Phần lớn xảy ra ở giai đoạn phiên mã.

• Cơ chế điều hòa chủ yếu được thực hiện

thông qua các operon.

Operon: đơn vị phiên mã.

Mỗi operon gồm:

• Gen điều hòa: ksoát sự phiên mã của các gen khác

• Promoter

• Operator: trình tự DNA chuyên biệt để các protein

điều hòa gắn vào dùng kiểm soát quá trình phiên

mã của các gen (k/s sự gắn RNA vào promoter)

• Gen cấu trúc: mã hóa protein có liên quan.

Gen điều hòa Promoter Operator Gene A Gen B Gen C

• Là một trình tự đặc biệt của DNA được nhậnbiết bởi RNA polymerase

• Khi polymerase gắn vào  sự phiên mã xảy ra

Nơi bắt đầu cho sự phiên mã

• Chất cảm ứng  gen phiên mã

• Chất ức chế  gen ngưng phiên mã

• Các gen có thể cảm ứng: tham gia các phản ứng

4 tổ hợp tham gia kiểm soát sự phiên mã:

• Kiểm soát cảm ứng âm

• Kiểm soát ức chế âm

• Kiểm soát cảm ứng dương

• Kiểm soát ức chế dương

KIỂM SOÁT CẢM ỨNG ÂM

• Thực hiện bởi operon có thể cảm ứng

• Hệ thống lactose của E.coli

Biểu đồ sinh trưởng của vi khuẩn trong

môi trường có glucose và lactose

Sử dụng Glucose

Sử dụng Lac tose

Thời gian

Sự hiện diện của đường

Số lượng

tế bào

Tại sao có một thời gian số lượng tế bào

vi khuẩn không tăng?

Enzymes đang

được tạo thành để chuyển hóa lactose

LACTOSE hiện diện

Lactose là một chất cảm ứng

(một phức hợp kích thích sự

tổng hợp protein)

Enzymes được tạo

Protein (enzymes) được tạo

ra là protein cảm ứng

Trong môi trường lactose cần có 3 enzyme:

lac operon của E coli

Promoter (p lac) –nơi gắn

kết với RNA polymerase

Operator (o) – nơi gắn kết chất ức chế

Gen cấu trúc

Chuỗi điều hòa

Gen cấu trúc cho

gen điều hòa

Gen điều hòa (i) mã

hóa cho protein

kìm hãm

RNA polymerase không thể gắn kết với

promoter

Không phiên mã

Không có đường lactose

Chất kìm hãm

Trong môi trường có lactose

-galactosidase

permease

Màng plasma

binds to its promoter

Lactose hiện diện

hóa lactose

mRNA phiên mã

TÓM TẮT

LACTOSE

hiện diện

LACTOSE không hiện diện

RNA polymerase không gắn kết,

phiên mã không xảy ra

Chất ức chế gắn

vào operator

Chất ức chế

Chất cảm ứng

mRNA phiên mã

KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM

• Ức chế âm quá trình tổng hợp enzyme

• Ức chế bởi chính sản phẩm mà nó xúc tác

• Tổng hợp acide amin tryptophan và histidin

Tryptophan (chất đồng ức chế) gắn vào protein

ức chế tryptophan:

 Thay đổi cấu trúc và cho phép gắn vào operator

 Quá trình phiên mã không xảy ra

• Khi nồng độ tryptophan giảm xuống:

Sự điều hòa của operon tryptophan

Không có

Chất ức chế bất hoạt

được tổng hợp

Chất ức chế hoạt động

không gắn kết Gen đóng không t/hợpTryptophanhiện diện

Kiểm soát ức chế âm trong hệ

tryptophan của E.coli

Các enzyme

Chất ức chế gốc Chất đồng ức chế

Repressor Tryptophan

Các gen

g5 g4

Gen điều hòa

e5 e4 e1 e3

Thừa

: chất đồng ức chế hiện diện

Sự gắn kết của chất đồng ức chế làm thay đổi cấu trúc cho phép gắn kết vào operator

(chất đồng ức chế)

Phiên mã

Chất ức chế không gắn kết, phiên mã xảy ra

không hiện diện

Sự phiên mã bị ức chế

(ư/chế gốc)

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA SUY GIẢM

• Được phát hiện ở hệ tryptophan

• Tại đầu 3’ của operon phiên mã mARN đa cistron:

trình tự dẫn gồm 162 base, phân bố giữa operator và gen cấu trúc thứ nhất

• Trình tự dẫn: đóng vai trò bộ suy giảm

Trình tự dẫn có thể gấp lại ở hai hình dáng bền vững khác nhau

nhanh qua các codon cho phép tạo nút kẹp tóc ngừng phiên mã

codon trytophan cho phép tạo nút kẹp tóc bình thường, quá trình phiên mã xảy ra bình thường

Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn

Tryp operon

Phần mã hóa 7-uracyl

D C

B XX

A

Mã hóa cho vị trí

gắn ribosom

Vị trí tạm ngừng phiên mã

Bộ suy

Trình tự dẫn 3’

A B

D C

Trytophan hiện diện

Không có tryptophan

Ribosome dừng tại codon tryp

Tiếp tục phiên mã

Tạo thành nút kẹp tóc B/C, ngăn chặn tạo nút kẹp tóc C/D

B C

D

Cơ chế điều hòa suy giảm: operon tryptophan

• Quá trình trao đổi arabinose ở E.coli

• Sự kiểm soát của chất ức chế (repressor)

 điều hòa dương tính và âm tính

KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƯƠNG

Sự điều hòa của operon Arabinose

AraC exists in two states

Arabinose

Arabinose

Hoạt hóa Bất hoạt

AraC tồn tại ở 2 dạng

AraC mã hóa cho protein điều hòa

AraO1 và AraO2 mã hóa cho operatorCAP: nơi gắn kết

AraI: vùng hổ trợ điều hòa (promotor)AraBAD: gen cấu trúc

No arabinose

+ arabinose

Khi không có arabinose hiện diện

Khi có sự hiện diện của arabinsose

No arabinose

+ arabinose

Khi không có arabinose hiện diện

Khi có sự hiện diện của arabinose

• cAMP hoạt hóa cho những promoter có ái lực yếu

• Tự cAMP không gắn được vào promotor

 cAMP + CAP  hoạt hóa ARN polymerase  gắn promotor

ĐA KIỂM SOÁT

KIỂM SOÁT SAU DỊCH MÃ

• Sự biểu hiện gen có thể điều hòa sau khi protein hình

TÓM TẮT

• Chất cảm ứng  gen phiên mã

• Chất ức chế  gen ngưng phiên mã

• Các gen có thể cảm ứng: tham gia các phản ứng

dị hóa

• Các gen có thể ức chế: tham gia các phản ứngđồng hóa

• Điều hòa dương tính (cảm ứng): sự hiện diện củachất cảm ứng kích thích sự biểu hiện của gen

• Điều hòa âm tính (ức chế): sự hiện diện của cáchợp chất tổng hợp ức chế sự biểu hiện của gen

Phương thức dị hóa: enzym chỉ được tạo ra khi cósẳn chất dinh dưỡng đặc biệt (lactose).

• Các protein ức chế kìm hãm sự biểu hiện gen và

tác động ức chế bị cảm ứng bởi các chất cảm

ứng

• Chất cảm ứng là các phân tử dinh dưỡng hay

các phân tử có nguồn gốc dinh dưỡng

Phương thức đồng hóa: enzym chỉ được tạo ra khi

aa cần tổng hợp không có sẳn (tryptophan)

• Chất ức chế là sản phẩm cuối cùng của quá trình