chương 4 cấu trúc hoạt động của gen

Quá trình phiên mã ở Eukaryote cần sự tham gia của nhiều protein Có 3 loại RNA Polymeases ở tế bào Eucaryote: RNA Polymeases I, II và III  RNA polymerase ở vi khuẩn cần 1 protein nhân

HOẠT ĐỘNG CỦA GEN

có liên kết với các vùng điều hòa, vùng dịch mã hay các vùng trình tự chức năng khác (Pearson H (2006) "Genetics: what is a gene?" Nature 441 (7092): 398–401)

 Gene là một đoạn DNA hoặc RNA mã hóa cho trình tự một chuỗi polypeptide hoặc một chuỗi RNA có chức năng

 Các sinh vật sống cần gene để mã hóa cho tất cả các protein và các chuỗi RNA chức năng

 Gene chứa thông tin để xây dựng và duy trì các tế bào và truyền lại các đặc điểm di truyền cho thế hệ sau

 Vùng khởi đầu: nằm ở đầu của gen mang tín hiệu khởi động và kiểm soát quá trình phiên mã.

 Vùng mã hóa: mang thông tin mã hóa các axit amin.

 Vùng kết thúc: nằm ở cuối gen mang tín hiệu kết thúc phiên mã.

Cấu trúc gene của Prokaryote

 Gen không phân mảnh: các gen ở thực vật nhân sơ có vùng mã hóa liên tục gọi là cistron

 Các cistron xếp thành từng nhóm chung vùng điều hoà tạo thành 1 operon.

 Kiểu tổ chức di truyền này giúp vi khuẩn thích nghi với sự thay đổi của điều kiện ngoại cảnh

Cấu trúc gene của Prokaryote

 Operon là một đơn vị chức năng của bộ gene bao gồm một nhóm gene chịu sự điều khiển của promoter

 Trong operon có thể có một hoặc nhiều gene cấu trúc

Cấu trúc gene của Eukaryote

 Gen phân mảnh: các gen ở thực vật nhân thực có vùng mã hóa không liên tục chứa

đoạn không mã hoá (intron) xen kẽ với đoạn mã hoá (exon), một số ít gen không có

intron như gen mã hoá cho protein histone

 Ở nhiều gen, tổng độ dài intron lớn hơn exon như gen mã hoá cho albumin, conalbumin.

 Các đoạn intron sẽ bị cắt bỏ trong quá trình phiên mã

 Điểm giao tiếp giữa intron và exon có dấu hiệu đặc biệt là cặp bazo GU và AG

xảy ra ở mọi tế bào sống

Tổng quan về phiên mã

 Trong tế bào mỗi gene có thể được biểu hiện ở nhiều cấp độ

Tổng quan về phiên mã

 Cấu trúc hóa học phân tử RNA

 (A)RNA chứa đường ribose (thay cho đường deoxyribose ở DNA)(A)

 (B) RNA chứa base uracil (thay cho thymine ở DNA)

 (C) Liên kết phosphodiester giữa các nucleotide ở RNA tương tự như

ở phân tử DNA

Tổng quan về phiên mã

 Uracil bắt cặp với Adenin

 Bắt cặp U-A tương tự bắt cặp T-A

Tổng quan về phiên mã

 RNA có thể cuộn lại thành những cấu trúc đặc biệt, do trong phân tử RNA chứa những trình tự có thể bắt cặp với nhau tạo cho phân tử có cấu trúc 3D

 (A) Cấu trúc RNA do tương tác bắt cặp quy ước

 (B) Cấu trúc RNA do tương tác bắt cặp quy ước (đỏ) và không qui ước (xanh)

 (C) Cấu trúc thật của một phân tử RNA: thang và thang gãy

Các loại RNA cơ bản trong tế bào

Tổng quan về phiên mã

Tổng quan về phiên mã

 Mỗi lượt phiên mã tạo ra một phân tử RNA đơn có trình tự bổ sung với một mạch của phân tử DNA

Tổng hợp mRNA ở Prokaryote

Tổng hợp mRNA ở Prokaryote

chuỗi DNA tại tâm hoạt động, các Nucleotide được thêm vào vị trí polymer hóa và một mạch DNA được dùng làm khuôn tổng hợp ra chuỗi RNA có trình tự giống mạch DNA

bổ sung

• Các nucleotide tự do ở dạng ribonucleoside triphosphate (ATP, UTP, CTP, and GTP), năng lượng chứa trong nối phosphate–phosphate sẽ thúc đẩy phản ứng polymer hóa xảy ra

Tổng hợp mRNA ở Prokaryote

Tổng hợp mRNA ở Prokaryote

• (1) Phức hợp enzyme RNA polymerase hình thành và gắn vào promoter trên DNA

• (2) Polymerase tháo xoắn chuỗi DNA tại vị trí bắt đầu phiên mã

• (3) Khởi đầu phiên mã Sau khi tổng hợp khoảng 10 nucleotide của chuỗi RNA, enzyme Polymerase cắt liên kết với promoter

và coenzyme σ

• (4-5) Nối dài RNA Polymerase di chuyển dọc theo phân tử DNA

và tiếp tục quá trình tổng hợp kéo dài RNA

• (6-7) Kết thúc phiên mã khi enzyme polymerase gặp tín hiệu kết thúc và rời ra khỏi phân tử DNA, giải phóng phân tử RNA sản phẩm Tín hiệu kết thúc được mã hóa trên mạch DNA do đó

ở phân tử RNA sản phẩm sẽ hình thành một cấu trúc làm lỏng liên kết giữa polymerase và phân tử RNA.

• Ở vi khuẩn, tất cả các phân tử RNA đều do một loại RNA polymerase tổng hợp nên.

Tổng hợp mRNA ở Prokaryote

 Chiều phiên mã trên DNA do vị trí promoter ở đầu mỗi gene qui định Gene có thể nằm trên mạch này hoặc mạch kia của chuỗi DNA

 Enzyme polymerase luôn di chuyển theo hướng 3’-5’ của sợi khuôn DNA để tổng hợp RNA

Quá trình phiên mã ở Eukaryote cần sự tham gia của nhiều protein

 Có 3 loại RNA Polymeases ở tế bào Eucaryote: RNA Polymeases I, II và III

 RNA polymerase ở vi khuẩn cần 1 protein (nhân tố σ) để bắt đầu quá trình phiên mã, RNA poly-merases ở Eukaryote cần nhiêù protein tham gia gọi là các nhân tố phiên mã chung

 Quá trình khởi đầu phiên mã ở Eukaryote cũng phức tạp hơn ở vi khuẩn do có

sự đóng gói của phân tử DNA thành các nucleosomes và các dạng cấu trúc nhiễm sắc thể khác

Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

Quá trình khởi đầu phiên mã ở Eukaryote gene của RNA polymerase II

RNA polymerase cần một số nhân tố phiên mã chung:

(A) Promoter chứa trình tự hộp DNA TATA, cách vị trí bắt đầu phiên mã 25 nucleotide

(B) TFIID gắn vào hộp TATA và cho phép TFIIB gắn vào DNA

(C)(D) Các nhân tố còn lại và RNA polymerase gắn vào promoter

(E) TFIIH dùng ATP để tách chuỗi xoắn DNA tại vị trí bắt đầu phiên mã để lộ ra sợi khuôn DNA

TFIIH cũng gắn gốc phospho vào RNA polymerase II khiến enzyme thay đổi cấu trúc và tách khỏi các nhân tố chung và bắt đầu quá trình kéo dài RNA

Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

Các nhân tốt chung cần cho quá trình khởi đầu phiên mã của enzyme RNA Polymerase II

Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

Tổng hợp mRNA ở EukaryoteCác nhân trình tự liên quan gần điểm khởi đầu phiên mã của enzyme RNA Polymerase II

Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

Cấu trúc 3 chiều của TBP (TATA-binding protein)

 Là tiểu đơn vị của TFIID nhận biết và bám vào hộp TATA

 TBP uốn cong DNA, tháo xoắn tại chỗ và tạo thuận lợi cho các nhân tố phiên mã chung khác bám vào DNA

Quá trình khởi đầu phiên mã của RNA polymerase II Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

 Gene trong tế bào Eukaryote cần nhiều protein hoạt hóa phiên mã, các protein này gắn vào các trình tự ngắn chuyên biệt trên DNA và hỗ trợ RNA polymerase, các nhân tố phiên mã chung, và các chất điều hòa gắn vào promoter

 Các protein hoạt hóa thu hút các phức hợp tháo xoắn NST và các histone acetylase

Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

Sự cuộn xoắn của chuỗi xoắn DNA trong giai đoạn nối dài trong phiên mã

Tổng hợp mRNA ở Eukaryote

 (A) Chuỗi DNA duỗi xoắn khi có một đầu tự do hay có chỗ đứt trên mạch DNA

 (B) Chuỗi DNA duỗi xoắn khi cả hai đầu đều cố định tạo thành các vòng siêu xoắn +

 (C) Protein tăng cường sự siêu xoắn cuộn trên DNA

Tóm tắt các bước từ gene đến protein ở Eukaryote và Prokaryote

 Lượng protein sản phẩm trong tế bào phụ thuộc vào năng suất của từng bước

trong quá trình tổng hợp protein và tốc độ phân hủy của phân tử RNA và

protein

 (A) Ở tế bào Eukaryote, phân tử mRNA được gắn mũ hai đầu và loại bỏ các

đoạn intron, sau đó được vận chuyển từ nhân ra ngoài tế bào chất để tham

gia dịch mã

 (B) Ở tế bào Prokaryote, mRNA không cần biến đổi và sự dịch mã xảy ra ngay

trong khi sợi mRNA đang được tổng hợp

Tóm tắt các bước từ gene đến protein ở Eukaryote và Prokaryote

So sánh cấu trúc mRNA của prokaryote và eukaryote

 (A) Đầu 5’ và 3’ của mRNA ở vi khuẩn không biến đổi, ở eukaryote phân tử tiền mRNA được gắn mũ ở 5’, loại bỏ các intron, và thêm đuôi poly A mRNA vi khuẩn mã hóa cho nhiều protein, mRNA eukaryote mã hóa cho 1 protein

 (B) Cấu trúc mũ gắn ở đầu 5’ phân tử mRNA eukaryote 7-methyl G gắn vào 5’ mRNA tạo liên kết triphosphate 5’-5’

Biến đổi RNA ở Eukaryote

Eucaryotic RNA polymerase II đóng vai trò như một nhà máy sản xuất RNA

 Trong quá trình polymerase phiên mã

từ DNA ra RNA, polymerase mang theo các protein biến đổi tiền mRNA để sau

đó gắn vào mRNA ở thời điểm đầu 5’ mRNA ló ra khỏi polymerase

Gắn mũ cho phân tử tiền mRNA

Phản ứng gắn mũ ở đầu 5’ phân tử mRNA

 Tạo liên kết 5’-5’ giữa 7-methyl G và đầu 5’ của mRNA

 Gắn nhóm methyl vào base

 Gắn nhóm methyl vào đường ribose

Cắt bỏ các đoạn intron khỏi phân tử tiền mRNA

Cắt bỏ các đoạn intron khỏi phân tử tiền mRNA

Phản ứng cắt intron ở phân tử tiền mRNA

 Một Nu Adenin đặc biệt cắt liên kết đường-phosphate Đầu 5’ intron nối với Adenin tạo thành 1 vòng tròn

 Đầu 3’ tự do của exon nối với 5’ của exon kế tiếp giải phóng vòng intron

 Intron sau đó bị phân hủy

Cắt bỏ các đoạn intron khỏi phân tử tiền mRNA

Trình tự tín hiệu Nucleotide nơi cắt intron

Spliceosome cắt các phân tử RNA

Cắt bỏ các đoạn intron khỏi phân tử tiền mRNA

Các enzyme biến đổi đầu 3’ của phân tử tiền mRNA

Các enzyme biến đổi đầu 3’ của phân tử tiền mRNA

Chuyển các phân tử mRNA Eukaryote trưởng thành ra khỏi nhân

Chuyển các phân tử mRNA Eukaryote trưởng thành ra khỏi nhân

Tổng hợp và biến đổi các loại RNA khác bên trong nhân

Tổng hợp và biến đổi các loại RNA khác bên trong nhân

Tổng hợp và biến đổi các loại RNA khác bên trong nhân

Tóm tắt

Phân tử mRNA cần được tổng hợp để phục vụ cho quá trình tổng hợp protein

 Ở vi khuẩn cần 1 loại RNA polymerase Quá trình tạo mRNA như sau:Enzyme RNA polymerase gắn vào promoter, tổng hợp nối dài sợi mRNA, kết thúc phiên mã ở điểm kết thúc và giải phóng sản phẩm mRNA khỏi sợi DNA

 Ở Eukaryote, có 3 RNA polymerases: polymerase I, II, và III liên quan đến quá trình phiên mã Polymerase II tổng hợp mRNA Enzyme này cần các nhân tố phiên mã chung

để khởi đầu quá trình phiên mã, cũng như các protein khác hỗ trợ việc tháo xoắn NST

của mRNA được sử dụng để tạo ra cácchuỗi amino acid trong protein.

 Bộ máy dịch mã bao gồm bốn thành phần quan trọng là mRNA, tRNA,

aminoacyl tRNA synthetase và ribosome

 Các mRNA là khuôn mẫu cho quá trình dịch mã

 Dịch mã là một trong những quá trình có tính bảo tồn cao và chiếm nhiều năng lượng của tế bào Tuy nhiên, do cấu trúc khác nhau giữa mRNA của

prokaryote và eukaryote nên quá trình dịch mã của chúng cũng có những điểm khác biệt quan trọng

Mã di truyền

Các codon

 Do chỉ có bốn loại nucleotide khác nhau trong mRNA và có đến 20 loại amino acid trong protein sự dịch mã không thể được thực hiện theo kiểu tương ứng một nucleotide-một amino acid

 Mỗi amino acid được mã hóa bởi ba nucleotide liên tiếp trên DNA (hoặc RNA tương ứng), bộ ba nucleotide này được gọi là một codon  4 loại nucleotide khác nhau sẽ có 43= 64 codon khác nhau được phân biệt bởi thành phần và trật tự của các nucleotide

 Có 3 codon kết thúc (stop codon) là UAA, UAG và UGA có nhiệm vụ báo hiệu chấm dứt việc tổng hợp chuỗi polypeptide

 Trong 61 mã còn lại có nhiều codon cùng mã hóa cho một amino acid

Các quy tắc chi phối mã di truyền

Ba quy tắc điều khiển sự sắp xếp và sử dụng các codon trên mRNA

 Các codon được đọc theo hướng 5'→3' Vd: chuỗi mã hóa cho dipeptide Thr-Arg-COOH được viết là 5'-ACGCGA-3'

NH2- Các codon không chồng lên nhau và vùng dịch mã của mRNA không chứa các khoảng trống

 Thông tin được dịch mã theo một khung đọc (reading frame) cố định, codon khởi đầu xác định khung đọc đúng cho mỗi trình tự mRNA

Các ribosome

Thành phần cấu tạo của ribosome

 Tiểu đơn vị lớn chứa trung tâm peptidyl transferase chịu trách nhiệm cho việc hình thành các cầu nối peptide Tiểu đơn vị nhỏ chứa trung tâm giải mã, là nơi các tRNA đã được gắn amino acid đọc và giải mã các codon Ngoài ra còn có trung tâm gắn các yếu tố ở tiểu đơn vị lớn

 Các tiểu đơn vị được đặt tên theo tốc độ lắng của chúng dưới lực ly tâm Đơn

Thành phần cấu tạo của ribosome

Các vị trí gắn tRNA trên ribosome

 A là vị trí gắn aminoacyl -tRNA (tRNA có mang amino acid)

 P là vị trí gắn peptidyl-tRNA (tRNA có mang chuỗi

polypeptide)

 E (exit) là vị trí gắn tRNA mà được phóng thích sau khi chuỗi polypeptide được chuyển sang aminoacyl-tRNA

Sự hình thành aminoacyl-tRNA

 Quá trình gắn amino acid vào tRNA là quá trình hình thành một liên kết acyl giữa nhóm carboxyl của amino acid và nhóm 2'-hoặc 3'-OH của adenine ở đầu 3' của tRNA

 Liên kết này là một liên kết giàu năng lượng Năng lượng giải phóng ra khi liên kết bị phá vỡ giúp hình thành cầu nối peptide, liên kết amino acid với chuỗi polypeptide đang được tổng hợp

 Sự nhận diện và gắn amino acid vào tRNA tương ứng được thực hiện bởi

enzyme aminoacyl-tRNA synthetase

Amino acid + tRNA + ATP  aminoacyl-tRNA + AMP + PPi

Tính đặc hiệu của aminoacyl-tRNA synthetase

 Hầu hết các tế bào đều có một enzyme synthetase riêng biệt chịu trách nhiệm cho việc gắn một amino acid vào một tRNA tương ứng (như vậy có tất cả 20 synthetase)

 Nhiều vi khuẩn có dưới 20 synthetase  cùng một synthetasechịu trách nhiệm cho hơn một loại amino acid

 Sự nhận diện amino acid chính xác là dựa vào kích thước, sự tích điện và gốc

R khác nhau của các amino acid Sự nhận diện tRNA dựa vào các trình tự nucleotide khác nhau của tRNA Tỷ lệ sai sót trong quá trình gắn amino acid với tRNA tương ứng là khá thấp

Các giai đoạn của quá trình dịch mã

 Bắt đầu bằng sự gắn của mRNA và một tRNA khởi đầu với tiểu đơn vị nhỏ tự

do của ribosome

 Phức hợp tiểu đơn vị nhỏ-mRNA thu hút tiểu đơn vị lớn đến để tạo nên

ribosome nguyên vẹn với mRNA được kẹp giữa hai tiểu đơn vị

 Sự tổng hợp protein được bắt đầu tại codon khởi đầu ở đầu 5' của mRNA và tiến dần về phía 3'

 Khi ribosome dịch mã từ codon này sang codon khác, một tRNA đã gắn amino acid kế tiếp được đưa vào trung tâm giải mã và trung tâm peptidyl

transferase của ribosome

 Khi ribosome gặp codon kết thúc thì quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide kết thúc

 Chuỗi polypeptide được giải phóng, hai tiểu đơn vị của ribosome rời nhau ra

và sẵn sàng đến gặp mRNA mới để thực hiện một chu trình tổng hợp protein mới

 Chia thành ba giai đoạn là khởi đầu, kéo dài và kết thúc

giai đoạn khởi đầu của quá trình dịch mã ở prokaryote

 Các yếu tố khởi đầu (IF: initiation factor): xúc tác cho tiểu đơn vị nhỏ trong việc hình thành phức hợp khởi đầu

 IF1: giúp tiểu đơn vị nhỏ gắn vào mRNA và ngăn cản các tRNA gắn vào vùng thuộc vị trí A trên tiểu đơn vị nhỏ.

 IF2: thúc đẩy sự liên kết giữa fMet-tRNAifMet và tiểu đơn vị nhỏ, ngăn cản những aminoacyl-tRNA khác đến gắn vào tiểu đơn vị nhỏ.

 IF3: ngăn cản tiểu đơn vị nhỏ tái liên kết với tiểu đơn vị lớn và gắn với các tRNA

mang amino acid IF3 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ vào cuối vòng dịch mã trước, nó giúp tách ribosome 70S thành tiểu đơn vị lớn và tiểu đơn vị nhỏ.

giai đoạn khởi đầu của quá trình dịch mã ở prokaryote

 Bước 1: Tiểu đơn vị nhỏ gắn vào codon khởi đầu

 Sự liên kết giữa tiểu đơn vị nhỏ với mRNA được thực hiện thông qua sự bắt cặpbase

bổ sung giữa vị trí gắn ribosome và rRNA 16S Tiểu đơn vị nhỏ được đặt trên mRNA sao cho codon khởi đầu được đặt đúng vào vị trí P một khi tiểu đơn vị lớn gắn vào phức hợp.

 Bước 2: tRNA đầu tiên có mang methionine biến đổi đến gắn trực tiếp với tiểu đơn vị nhỏ

 Một tRNA đặc biệt được gọi là tRNA khởi đầu đến gắn trực tiếp với vị trí P tRNA này

có anticodon (bộ ba đối mã) có thể bắt cặp với AUG hoặc GUG.

 tRNA này mang một dạng biến đổi của methionine gọi là N-formyl methionine tRNA khởi đầu này được gọi là fMet-tRNAifMet

 Bước 3: gắn thêm tiểu đơn vị lớn để tạo thành phức hợp khởi đầu 70S

 Codon khởi đầu và fMet-tRNAifMet bắt cặp với nhau, tiểu đơn vị nhỏ thay đổi hình dạng làm giải phóng IF3

 Sự vắng mặt IF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vịnhỏ đang mang các thành phần trên  hoạt tính GTPase của IF2-GTP được kích thích để thủy phân GTP giải phóng IF2-GDP như IF1

 Phức hợp khởi đầu cuối cùng được tạo thành bao gồm ribosome 70S được gắn tại codon khởi đầu của mRNA, với fMet-tRNAifMet tại vị trí P, còn vị trí A đang trống Phức hợp này sẵn sàng tiếp nhận một tRNA mang amino acid vào vị trí A để bắt đầu tổng hợppolypeptide