phiên mã, điều hòa hoạt động gen

Ý nghĩa:- Cấu trúc phân đoạn của gen giúp cho sinh vật nhân thực tiết kiệm vật chất di truyền: từ một gen cấu trúc qua quá trình cắt bỏ intron nối exon lại với nhau có thể tạo ra các phâ

Câu 1: Khác biệt trong phiên mã ở sinh vật nhân sơ và nhân thực Ý nghĩa của sự khác biệt?

Khác nhau:

- Chỉ có 1 loại ARN

polimeraza chịu trách nhiệm

tổng hợp tất cả các loại ARN

- Có tới 3 loại enzim tham gia: ARN polimeraza I: tổng hợp các rARN, trừ rARN 5S

(mARN, tARN, rARN)

- mARN chứa thông tin của

nhiều gen nối tiếp nhau

(polycistronic mARN)

- Quá trình phiên mã đơn giản

hơn

- Sau khi được tổng hợp

mARN trực tiếp tham gia vào

dịch mã

ARN polimeraza II: tổng hợp các mARN

ARN polimeraza III: tổng hợp các tARN và rARN 5S

- mARN chứa thông tin của một gen (monocistronic ARN)

- Quá trình xảy ra phức tạp hơn

- Sau khi tổng hợp, mARN chưa được dùng để dịch mã mà phải trải qua quá trình chế biến thành mARN trưởng thành: + Gắn chóp: Khi mạch mARN đang tạo ra có độ dài 20-30 nucleotit thì đầu 5’P được enzim nối thêm vào chất 7 – methyl guanozin

+ Thêm đuôi poli A: Một đoạn ngắn mARN bị cắt và các

adenin được gắn vào tạo thành đuôi poli A ở đầu 3’

+ Cắt rời các intron và nối các exon lại với nhau

(Mặc dù đa phần mARN của nhân thực cần gắn chóp, đuôi

và cắt bỏ intron nhưng không phải tất cả chúng đều được chế biến như vậy.)

C Ý nghĩa:

- Cấu trúc phân đoạn của gen giúp cho sinh vật nhân thực tiết kiệm vật chất di truyền: từ một gen cấu trúc qua quá trình cắt bỏ intron nối exon lại với nhau có thể tạo ra các phân tử mARN trưởng thành khác nhau từ đó dịch mã cho các sản phẩm protein khác nhau

- Quá trình chế biến tiền mARN trong nhân:

+ Gắn chóp 7Mgppp vào đầu 5’ có ý nghĩa quan trọng cho việc phát hiện và đính kèm đúng của mARN thông tin với ribosome

Nó cũng quan trọng với quá trình ghép và vận chuyển

+ ARN thông tin được vận chuyển bởi nhiều đường khác nhau, cho phép một gen đơn có thể mã hóa cho nhiều protein, quá trình như vậy được gọi là vận chuyển liên tiếp Quá trình vận chuyển thường được thực hiện bởi ARN protein phức, được gọi

là spliceosome, nhưng các phân tử ARN cũng có khả năng làm chất xúc tác cho chính quá trình vận chuyển của chúng

+ Poly(A) trong ARN thông tin ổn định để bảo vệ nó khỏi quá trình exonucleases Polyadenylation cũng quan trọng với quá

trình kết thúc phiên mã, đưa ARN thông tin ra ngoài hạt nhân và dịch mã nó

Đuôi PolyA được gắn với bản sao ở đó chứa những chuỗi đặc biệt, ký hiệu AAUAAA Tầm quan trọng của ký hiệu AAUAAA được chứng minh bởi một sự thay đổi trong mã hóa chuỗi AND (AATAAA), dẫn đến sự thiếu hụt của hồng cầu

+ Sự sử dụng đuôi PolyA khác nhau và sự kết nối các exon khác nhau từ cùng một tiền mARN đã tạo thành 2 loại mARN điều khiển tổng hợp hai loại protein khác nhau trong cơ thể Phát hiện này chứng tỏ có sự phân hóa trong sao mã hình thành các loại mARN từ cùng một gen dẫn đến tổng hợp các loại protein khác nhau ở các tổ chức khác nhau

- Polyadenylation làm tăng quá trình phân đôi trong quá trình sao chép, vì thế các bản sao cuối cùng dài hơn trong tế bào và dẫn đến việc dịch mã nhiều hơn, tạo ra nhiều protein hơn

- Các đoạn intron dài hơn exon nên có tác dụng bảo vệ gen

chống lại tác nhân gây đột biến và tiết kiệm vật chất di truyền

Câu 2 :Dựa trên cơ sở nào để phân loại các gen thành gen cấu trúc và gen điều hòa?

Phân loại dựa vào chức năng của protein:

+ Gen cấu trúc là gen mang thông tin mã hóa sản phẩm tạo nên thành phần cấu trúc hay chức năng của tế bào ( Những gen quy định các sản phẩm là prôtêin làm nhiệm vụ cấu tạo nên các bộ phận của tế bào và cơ thể ) , mã hoá cho các chuỗi polypeptit tham gia thành phần cấu trúc hay chức năng của tế bào (cấu trúc, bảo vệ, hoocmôn, xúc tác…)

+ Gen điều hòa là gen mang thông tin mã hóa sản phẩm kiểm soát hoạt động của gen khác Gen có sản phẩm được sử dụng

như những chất làm đóng mở các gen khác ( các prôtêin hoạt hóa hoặc ức chế, các ARN làm nhiệm vụ điều hòa hoạt động gen, )

- Trong hệ gen của sinh vật đa bào có cấu tạo cơ thể phức tạp như con người và các loài động vật có vú, thì số lượng gen điều hòa là rất lớn

Ví dụ: Mô hình cấu trúc của Operon Lac

Cấu tạo gồm 3 thành phần:

- Một nhóm gen cấu trúc liên quan về chức năng Trong Operon Lac nhóm gen cấu trúc này gồm 3 gen Z, Y, A mã hóa cho 3 protein Z, Y, A là các enzyme phân giải lactose

- Vùng khởi động (Promoter)

- Vùng vận hành (Operator)

Sự hoạt động của Operon phụ thuộc vào sự điều khiển của gen điều hòa (Regulator – R) nằm trước Operon Gen điều hòa quy định tổng hợp protein ức chế, có tác dụng kìm hãm không cho Operon hoạt động

Câu 3: Vì sao nói operon lac được điều hòa bởi một cơ chế kép: điều hòa âm tính bởi protein ức chế (protein điều hòa)

và điều hòa dương tính bởi protein hoạt hóa?

Ý tưởng về biểu hiện gen điều hoà có nguồn gốc từ những

nghiên cứu được tiến hành từ những năm 50 của thế kỷ 20 bởi các nhà khoa học Pháp François Jacob và Jacques Monod Họ nghiên cứu sự chuyển hoá của đường lactose ở vi khuẩn E.coli

Điều hòa âm tính:

Cơ chế điều hòa âm tính của operon lac:

Khi trong môi trường nuôi cấy E coli vắng mặt lactose (chất cảm ứng) thì operon lactose không hoạt động, nghĩa là các

enzyme tham gia hấp thụ và phân giải lactose không được sinh

ra Nguyên nhân là do protein ức chế của operon (lac repressor) vốn tự có hoạt tính, bám chặt vào yếu tố chỉ huy (lac operator)

và gây kìm hãm sự phiên mã của các gene cấu trúc Z, Y và A

Do đó các sản phẩm enzyme của lac operon không được tạo ra, nghĩa là biểu hiện âm tính

Ngược lại, nếu bổ sung lactose vào môi trường thì một thời gian sau vi khuẩn sẽ bắt đầu hấp thụ và phân giải nó, nghĩa là các enzyme liên quan đã được sinh ra Sự kiện này được lý giải như sau: Chất cảm ứng (inducer), ở đây là allolactose - dạng biến đổi của lactose - tương tác với chất ức chế (repressor) làm biến đổi cấu hình không gian của chất này Vì vậy chất ức chế mất ái lực

và không thể bám vào lac operator Lúc này các gene cấu trúc được phiên mã và các enzyme tương ứng được tổng hợp, nhờ vậy vi khuẩn có thể hấp thụ và phân giải đường lactose Các

RNA polymerase không thể gắn với promoter

gene cấu trúc của lac operon được phiên mã tạo ra phân tử

mRNA polycistron và các enzyme tương ứng được tổng hợp Phương thức điều hoà như thế được gọi là điều hoà cảm ứng -

âm tính, bởi vì chất ức chế lac operon một khi bám vào lac

operator sẽ kìm hãm phiên mã, nghĩa là gây hiệu quả âm tính lên

sự biểu hiện của các gene Nhờ cơ chế điều hoà kiểu liên hệ ngược này mà vi khuẩn có thể thích ứng để tồn tại và phát triển một cách hợp lý

Lactose là tác nhân gây cảm ứng (hoạt hoá) lac operon Ngoài

ra, ITPG (isopropyl thiogalactoside) cũng được dùng như một chất cảm ứng nhưng không phải là tác nhân sinh lý

Điều hòa dương tính:

Chất cảm ứng (allolactose) Môi trường có lactose

Điều hoà dương tính trong biểu hiện gen được minh hoạ bởi yếu

tố hoạt hoá phiên mã là protein hoạt hoá phiên mã catabolite (CAP) Bởi vì glucose là nguồn thức ăn ưu tiên nên operon lac không bị hoạt hoá ở tế bào E.coli được nuôi cấy trong môi

trường có chứa cả glucose và lactose cho tới khi glucose bị sử dụng hết Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng glucose ức chế hoạt động của operon lac và chỉ được hoạt hoá khi lactose là nguồn năng lượng duy nhất

Sự ức chế của glucose xảy ra thông qua cơ chế dương tính Khi glucose bị tiêu thụ, nồng độ của nó trong tế bào tụt giảm Nồng

độ glucose thấp kích thích sản xuất một phân tử nhỏ có tên gọi

là AMP vòng (cAMP), mà sau đó phân tử nhỏ này sẽ gắn với CAP CAP xảy ra sự biến đổi cấu trúc khiến cho nó gắn vào ADN và hoạt hoá phiên mã Bởi thế, điều hoà operon lac đạt được thông qua sự phối hợp giữa điều hoà âm tính của yếu tố ức chế lac và điều hoà dương tính của CAP

Chức năng của β-galactosidase trong chuyển hóa lactose để tạo

ra glucose bằng cách cắt lactose (một sản phẩm cắt khác là

galactose cũng có thể được chuyển thành glucose nhờ enzyme của operon galactose

Trong môi trường có glucose, enzyme β-galactosidase không được tạo thành cho đến khi glucose trong môi trường được sử sụng hết Sự có mặt của glucose làm mRNA không được tổng hợp, do đó không có sự tổng hợp β-galactosidase, vì sự thêm vào nhân tố cảm ứng làm bất hoạt chất kìm hãm

Glucose có ảnh hưởng ức chế gián tiếp lên sự biểu hiện của operon lac Những phân tử nhỏ adenosine monophosphate vòng (cAMP) phân bố rộng rãi trong mô động vật và trong các cơ thể eukaryote đa bào, có vai trò quan trọng làm chất trung gian hoạt động hormone Chất này cũng có trong tế bào E coli và nhiều tế bào vi khuẩn khác với chức năng khác nhau cAMP được tổng

hợp bởi enzyme adenyl cyclase, nồng độ của cAMP được điều hòa gián tiếp qua trao đổi chất glucose Khi vi khuẩn sinh trưởng

ở môi trường chứa glucose, hàm lượng cAMP rất thấp Trong môi trường chứa glycerol hoặc các nguồn carbon không thể đi vào con đường hóa sinh được sử dụng để trao đổi chất glucose (con đường glycolytic) hoặc khi vi khuẩn bị đói nguồn năng lượng, nồng độ cAM cao Hàm lượng glucose giúp điều hòa nồng độ cAMP trong tế bào và cAMP lại điều hòa hoạt tính của operon lac

E coli chứa protein nhận cAMP hay CRP (cyclic AMP receptor protein) còn được gọi là protein hoạt hóa dị hóa CAP (catabolite activator protein), được mã hóa bởi gene CRP Đột biến ở gene CRP và gene adenyl cyclase làm ngăn cản sự tổng hợp của

mRNA lac Điều này cho thấy chức năng của CRP và cAMP cần thiết cho tổng hợp mRNA lac CRP và cAMP gắn vào một vị trí khác tạo phức hợp cAMP-CRP được biểu hiện Phức hợp này là một yếu tố điều hòa hoạt hóa ở hệ thống lac