BÀI GIẢNG ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN – REGULATION OF GENE EXPRESSION

Cấu trúc operon ở prokaryoteLà một đơn vị có chức năng trong bộ gen, bao gồm một promoter, các gen chức năng, các trình tự điều hòa, các gen điều hòa Promoter và các trình tự điều hòa

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN – REGULATION OF GENE EXPRESSION

CÁC VẤN ĐỀ CẦN TÌM HIỂU

1 Điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote

2 Điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở PROKARYOTE

Chủ yếu diễn ra ở mức độ phiên mã,cụ thể là “tắt” hoặc “bật” sự phiên mã

Điều hòa biểu hiện đa gen thông qua cấu trúc operon (polycistronic)

Cơ chế điều hòa rất đa dạng

Cấu trúc operon ở prokaryote

Là một đơn vị có chức năng trong bộ gen, bao gồm một promoter, các gen chức năng, các trình tự điều hòa, các gen điều hòa

Promoter và các trình tự điều hòa chịu trách nhiệm điều khiển sự phiên mã của các gen trong operon

Các gen trong operon được phiên mã đồng thời tạo thành một mRNA chịu trách nhiệm mã hóa cho nhiều protein (polycistronic mRNA)

Các gen trong operon thường chịu trách nhiệm cho một chức năng về hoạt tính/cấu trúc trong tế bào

Cấu trúc operon giúp tế bào vi khuẩn đáp ứng nhanh với những thay đổi của môi trường

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BẰNG NHÂN TỐ PHIÊN MÃ 

Quorum sensing

Regulation of Porin Proteins by a Two Component Signal Transduction System

POSITIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA DƯƠNG BIỂU HIỆN GEN

“Bật” biểu hiện gen

Ví dụ: operon lac

Operon lac bao gồm các gen chịu trách nhiệm trong chuyển hóa đường lactose

 Hầu hết các vi khuẩn thực hiện chu trình đường phân để thu nhận cơ chất và năng lượng cho hoạt động sống và phát triển Chu trình đường phân sử dụng glucose là cơ chất để phân giải

 Nếu không có glucose trong môi trường, vi khuẩn chuyển sang sử dụng các đường carbohydrate khác miễn là phải có các enzyme tương ứng

 Lactose là 1 disaccharide của galactose và glucose Đường này được sử dụng trong trường hợp không có glucose Để biế dưỡng đường này cần các enzyme trong operon

lac

 Tế bào vi khuẩn không sử dụng đường lactose khi mọi trường còn đường glucose Chỉ khi môi trường không có glucose mà lại có lactose thì các gen trong operon lac mới được biểu hiện

Cấu trúc operon lac bao gồm

 Pi: là promoter của gen i Vùng này chịu trách nhiệm phiên mã gen i

 i: gen I mã hóa cho laci, một repressor để kiểm soát việc phiên mã các gen trong operon lac

 CAP-binding site: vùng trình tự nucleotide mà protein CAP gắn vào để để kiểm soát việc phiên mã các gen trong operon lac

Plac: Vùng promoter của các gen trong operon lac Là nơi gắn của RNA polymerase

để phiên mã các gen trong operon lac

 O: là vùng trình tự mà các protein điều hòa gắn vào để kiểm soát việc phiên mã các gen trong operon lac

Các gen cấu trúc trong operon lac bao gồm:

Gen Z, mã hóa cho enzyme beta galactosidase Enzyme này phân cắt lactose thành galactose và glucose

Gen Y, mã hóa cho enzyme galactoside permease Enzyme này chịu trách nhiệm vận chuyển lactose từ môi trường bên ngoài vào trong tế bào

Gen A, mã hóa cho enzyme thiogalactoside transacetylase, chuyển gốc acetyl đến các đường galactoside nhưng có chức năng chưa được tìm hiểu rõ

Có 2 cơ chế điều hòa trong operon lac: bằng repressor lacI và bằng protein CAP

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE

Điều hòa bởi repressor lacI

-Trong môi trường không có lactose: lacI bám vào vùng operator  cản trở RNA polymerase bám vào promoter  không phiên mã các gen trong operon lac

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE

Điều hòa bởi repressor lacI

-Trong môi trường có lactose (hoặc chất đồng phân IPTG): lactose/IPTG sẽ bám vào lacI  thay đổi cấu hình của lacI  lacI rời khỏi operator  các gen trong operon lac được phiên mã  chuyển hóa lactose

-Lactose/IPTG: inducer

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE

Điều hòa bởi protein CAP

-Phức hợp CAP-cAMP khi gắn vào vùng CAP site trên operon lac sẽ cảm ứng biểu hiện các gen trong operon này

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE

Điều hòa bởi protein CAP

-Khi môi trường có glucose: glucose sẽ làm giảm hàm lượng cAMP  giảm phức hợp CAP-cAMP cần thiết để cảm ứng  không có sự phiên mã

Tổng kết điều hòa biểu hiện ở operon lac

The lac operon allows the option of lactose

utilization as a carbon source

NEGATIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA ÂM BIỂU HIỆN GEN

“Tắt” biểu hiện gen

Ví dụ: Operon trp

Operon trp bao gồm các thành phần sau

trpR: gen mã hóa cho trp repressor

P: promoter để phiên mã các gen trong operon

O: operator để kiểm soát phiên mã các gen trong operon

trpL: mã hóa cho leader peptide, chứa attenuator

trpE, trpD, trpC, trpB, trpA: các gen chịu trách nhiệm tổng hợp acid amin tryptophan

Bình thường trong tế bào có đầy đủ acid amin tryptophan thì operon trp bị

ức chế phiên mã Khi lượng tryptophan bị giảm xuống, các gen trong operon trp được cảm ứng phiên mã để tổng hợp acid amin này.

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN

-Trong tế bào có đầy đủ tryptophan: tryptophan gắn vào trp repressor  phức hợp này đến gắn vào vùng operator  cản trở RNA polymerase bám vào

promoter  không phiên mã các gen trong operon trp

Tryptophan: co-repressor

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN

-Trong tế bào thiếu hụt tryptophan: không có tryptophan gắn vào trp repressor

 không có gì cản trở RNA polymerase bám vào promoter  phiên mã các gen trong operon trp  tổng hợp tryptophan

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN -

ATTENUATION

-Cơ chế điều hòa này bổ sung cho cơ chế điều hòa âm ở operon trp

-Chỉ có ở prokaryote vì sự phiên mã và dịch mã xảy ra cùng lúc: ribosome bắt đầu trượt trên mRNA đang tổng hợp bởi RNA polymerase  sự dịch mã ảnh hưởng đến sự phiên mã

-trpL (leader transcript): là một trình tự dài 130 nucleotide đóng vai trò quan trọng trong cơ chế attenuation

-có 4 vùng trình tự đặc biệt trên trpL được đánh số 1, 2, 3, 4

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN -

ATTENUATION

 Bốn vùng trình tự này có khả năng bắt cặp tương đối với nhau tạo ra 3 cấu trúc thứ cấp khác nhau gồm 1-2, 2-3, 3-4 Trong đó, cấu trúc 3-4 là cấu trúc kết thúc phiên mã (transcription terminator)

 Sự hình thành cấu trúc 1-2 ức chế hình thành cấu trúc 2-3; sự hình thành cấu trúc 2-3 ức chế hình thành cấu trúc 3-4

 Một phần của trpL (vùng 1) mã hóa cho 1 peptide dài 14 acid amin, gọi là leader peptide Peptide này chứa 2 acid amin tryptophan cạnh nhau Cấu trúc 2 tryptophan kế nhau rất hiếm gặp vì đây là acid amin không phổ biến trong protein (1/100)

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN -

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN -

ATTENUATION

Trong tế bào có nhiều tryptophan: ribosome sẽ trượt qua toàn bộ vùng 1 để tạo ra leader peptide hoàn chỉnh  ribosome chỉ dừng lại khi đụng đến stop codon của vùng 1  ribosome bao phủ vùng 1 và vùng 2  vùng 3 tự do bắt cặp với vùng 4  tạo ra cấu trúc 3-4 kết thúc phiên mã  RNA polymerase kết thúc phiên mã sớm  không có mRNA hoàn chỉnh của operon trp  không tổng hợp tryptophan

Điểm cốt yếu của attenuation là:

Sự phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời ở prokaryote

RNA polymerase khi chạm đến điểm attenuator (U139) thì dừng lại và chờ đợi ribosome dịch mã trên mRNA

POSITIVE + NEGATIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA DƯƠNG + ÂM BIỂU HIỆN GEN

araC: gen mã hóa cho protein AraC, vừa là repressor vừa là activator

araO2: trình tự điều hòa để AraC gắn vào để ức chế phiên mã các gen araBAD

araO1: trình tự điều hòa để AraC gắn vào và ức chế phiên mã araC

CAP: trình tự điều hòa để CAP-cAMP gắn vào kích hoạt phiên mã các gen araBAD

araI: trình tự điều hòa để AraC gắn vào vừa ức chế vừa kích hoạt phiên mã các gen araBAD araI được chia thành I1 và I2

araB: mã hóa cho kinase, biến ribulose thành ribulose-5-phosphate

araA: mã hóa cho isomerase, chuyển hóa arabinose thành L-ribulose

araD: mã hóa cho epimrase, chuyển hóa L-ribulose-5phosphate thành 5-phosphate  cơ chất tham gia quá trình đường phân

D-xyluose-AraC: protein bao gồm 3 phần: vùng gắn DNA, vùng liên kết, vùng gắn

arabinose và vùng dimer hóa

Khi không có arabinose  AraC hình thành cấu trúc dimer  gắn vào vùng O2

và I1 trong operon ara  DNA bị bẻ cong

 ức chế sự gắn của RNA polymerase vào vùng promoter của các gen cấu trúc

 các gen cấu trúc không phiên mã  không chuyển hóa arabinose

Khi có arabinose  arabinose gắn vào AraC  thay đổi cấu hình AraC  AraC rời vùng O2 và gắn vào vùng I2  cho phép RNA polymerase gắn vào promoter của các gen cấu trúc  các gen cấu trúc phiên mã  chuyển hóa arabinose

Lưu ý: cần có phức hợp CAP-cAMP gắn vào cung CAP của operon để RNA polymerase bám vào promoter và phiên

mã các gen cấu trúc operon ara

Cơ chế tự điều hòa của araC

Nồng độ AraC trong tế bào cao  AraC bám vào vùng araO1  ngăn cản RNA polymerase bám vào promoter của araC  không phiên mã araC để tạo ra AraC

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở

EUKARYOTE

Quá trình phức tạp bao gồm nhiều cơ chế khác nhau đi từ DNA qua RNA đến protein

Ở mức độ DNA: điều hòa bằng thay đổi cấu trúc NST

Ở mức độ RNA: kiểm soát sự phiên mã; kiểm soát sự vận chuyển mRNA ra

tế bào chất; kiểm soát sự bền vững của mRNA; kiểm soát bằng RNA splicing;

kiểm soát dịch mã mRNA

Ở mức độ protein: kiểm soát sự biến đổi sau dịch mã; phân hủy protein

Prokaryote Euakryote

Cấu trúc bộ gen Đơn, có dạng hình

tròn Đa nhiễm sắc thể Kích thước bộ gen Nhỏ Lớn

Vị trí phiên mã – dịch

mã

Xảy ra đồng thời ở tế bào chất

Phiên mã trong nhân, dịch mã ở tế bào chất Cấu trúc gen Operon Gen đơn

Trạng thái phiên mã Bật Tắt

Cấu trúc DNA Siêu xoắn với một số

protein Siêu xoắn với protein histone

ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ DNA

DNA được nén chặt trong NST bằng các protein histon  không phiên mã

1 Khi các protein histon bị acetyl hóa và phosphoryl hóa  cấu trúc nén chặt lơi ra

 gen phiên mã

2 Protein histon bị methyl hóa  cấu trúc xoắn chặt hoặc lơi ra  phiên mã va không phiên mã

3 Protein bị ubiquitin hóa  có thể phiên

mã hoặc nhưng phiên mã

4 DNA bị methyl hóa  cản trở RNA polymerase hoặc quy tụ các protein khác đến  không phiên mã

ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA

1 Activator, repressor, response element, enhancer, silencer

Response element: là những vùng trình tự DNA ngắn nằm ở vùng thượng nguồn của vùng TATA trong khoảng 200 bp trở lại Những trình tự này điều khiển gián tiếp thời điểm, không gian và số lượng của mRNA được tạo thành

Activator protein: là những protein bám vào response element Chúng ảnh hưởng đến khả năng phiên mã của RNA polymerase Khi kết hợp với response element, các protein điều khiển trực tiếp thời điểm, không gian và số lượng của mRNA được tạo thành Activator kích thích phiên mã khi gắn vào enhancer

Repressor: là những protein bám vào response element Chúng ảnh hưởng đến khả năng phiên mã của RNA polymerase Khi kết hợp với response element, các protein điều khiển trực tiếp thời điểm, không gian và số lượng của mRNA được tạo thành Repressor ức chế phiên mã khi gắn vào silencer

Enhancer: là những response element nằm rất xa vùng thượng nguồn hoặc hạ nguồn của một gen, thậm chí trong giữa gen Chúng cũng có chức năng như

response element Enhancer có chức năng kích thích phiên mã

Silencer: là những response element nằm rất xa vùng thượng nguồn hoặc hạ

nguồn của một gen, thậm chí torng giữa gen Chúng cũng có chức năng như

response element Silencer có chức năng ức chế phiên mã

ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA

2 RNA ức chế

-Là những RNA nhỏ có nhiệm

vụ điều hòa dịch mã Gồm 2 loại:

miRNA: bám vào mRNA mục tiêu để ngăn chận sự dịch mã

siRNA: bám vào mRNA mục tiêu để kích hoạt quá trình phân giải mRNA mục tiêu

ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA

3 Cắt ghép và hiệu đính RNA

Tạo ra nhiều protein khác nhau ở các tế bào khác nhau để đảm nhiệm các chức năng khác nhau

ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA

4 Thời gian bán hủy của mRNA

Các mRNA có thời gian bán hủy khác nhau nên lượng protein tạo ra cũng thay đổi khác nhau

5 Vận chuyển mRNA ra tế bào chất

Loại mRNA được vận chuyển khác nhau tùy theo chức năng của mRNA

ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ PROTEIN

1 Sau dịch mã

Sau khi được tổng hợp, chuỗi polypeptide còn phải được biến đổi: acid amin

mở đầu, một số đoạn của chuỗi polypeptid bị cắt bỏ, protein biến đổi cấu hình, gắn thêm một số chức hóa học như acetat, photphat , lập cầu nối disulfide hoặc cắt bỏ 1 đọan peptid ở giữa protein…để thực hiện chức năng của nó

ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ PROTEIN

2 Phân hủy protein

Protein cần phân hủy được đánh dấu bằng ubiquitin Sau đó, nó bị phân hủy trong proteasome