Bài giảng Điều hòa biểu hiện gen

Điều hòa biểu hiện gen TS. Vũ Thị Thơm Khoa Y Dược ĐHQGHN Mục tiêu bài học  Trình bày được các khái niệm cơ bản về điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ  Trình bày được các khái niệm cơ bản về điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa biểu hiện gen  Gen được biểu hiện qua phiên mã và dịch mã  Gen mã hóa các protein đảm nhiệm những chức năng thiết yếu, cơ bản của tế bàocơ thể thường biểu hiện liên tục và ổn định: gen giữ nhà (housekeeping gene hay constitutive gene)  Gen mã hóa các protein cần cho sự sống còn hay các giai đoạn phát triển của tế bàocơ thể thường chỉ biểu hiện ở những giai đoạn nhất định: gen cảm ứng (inducible gene). Cần được “tắt” hay “mở” tùy theo nhu cầu từng lúc của sinh vật  Sự biểu hiện của gen có thể được điều hòa bằng rất nhiều cách Mục đích của điều hòa biểu hiện gen  Điều hòa biểu hiện gen là quá trình điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra trong tế bào nhằm đảm bảo hoạt động sống của tế bào phù hợp với môi trường cũng như sự phát triển bình thường của cơ thể  Sinh vật nhân sơ: để đáp ứng với những thay đổi của môi trường sống  Sinh vật nhân thật: cho phát triển  Tạo thành và duy trì các loại tế bào khác nhau  Mất kiểm soát có thể rất nguy hiểm Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ Điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân sơ  Điều hòa phiên mã là hình thức điều hòa biểu hiện gen chủ yếu ở sinh vật nhân sơ  Hai cơ chế được biết đến nhiều nhất của điều hòa phiên mã:  Operon: các gen cấu trúc có liên quan về chức năng, được sắp xếp liền nhau thành một nhóm, cùng chịu sự kiểm soát của các yếu tố điều hòa chung  Điều hòa từng tầng (cascade regulation): ở một số điều kiện nhất định, một nhóm gen có thể được “mở”, sản phẩm của các gen này lại “mở” một nhóm gen thứ hai. Việc này có thể được tái diễn nhiều lần Kiểm soát dương và kiểm soát âm  Kiểm soát âm (negative control): chất ức chế (repressor) gắn lên vị trí điều hòa, ngăn cản phiên mã  Phiên mã chỉ xảy ra khi chất ức chế đã bị loại bỏ hay bất hoạt  Kiểm soát dương (positive control): chất kích hoạt (activator) gắn vào vị trí điều hòa, kích thích phiên mã  Phiên mã xảy ra khi có mặt chất kích hoạt Operon  Biểu hiện của các gen trong một operon được điều phối đồng bộ  nhanh, hiệu quả, tiết kiệm năng lượng  Một operon thường gồm:  Các yếu tố điều hòa: promoter (chung của các gen cấu trúc), yếu tố vận hành (yếu tố chỉ huy – operator), v.v.  Các gen cấu trúc  Gen điều hòa: promoter và gen mã hóa cho protein điều hòa Nghiên cứu trường hợp: Operon tryptophan Gen điều hòa Operator Mã mở đầu Mã kết thúc Các gen trong operon Chất ức chế bất hoạt Không phiên mã Chất ức chế hoạt hóa Trp (Chất đồng ức chế) Các polypeptid cấu tạo nên các enzym tham gia tổng hợp tryptophan Kiểm soát âm Operon ức chế (repressible operon) Có tryptophan, chất ức chế được hoạt hóa, operon đóng Không có tryptophan, chất ức chế bị bất hoạt, operon ở trạng thái mở Operon ức chế  Cụm gen cấu trúc thường ở dạng mở  Khi phối tử (chất đồng ức chế) gắn vào chất ức chế sẽ hoạt hóa chất ức chế  Phức hợp chất ức chế đồng ức chế gắn vào operator, khóa gen cấu trúc, đóng operon  Thường gặp trong các con đường đồng hóa (sinh tổng hợp các chất từ các đơn vị cấu tạo) Operator Gen điều hòa Chất ức chế hoạt hóa Không phiên mã Có lactose, chất ức chế bất hoạt, operon chuyển sang trạng thái mở Allolactose (chất cảm ứng) Chất ức chế bất hoạt Kiểm soát âm Operon cảm ứng (inducible operon) Nghiên cứu trường hợp: Operon lactose Không có lactose, chất ức chế hoạt hóa, operon đóng Operon cảm ứng  Cụm gen cấu trúc thường ở dạng đóng do chất ức chế gắn vào operator, khóa operon  Khi phối tử (chất cảm ứng) gắn vào chất ức chế sẽ làm bất hoạt chất ức chế  Phức hợp chất ức chế đồng ức chế tách khỏi operator, mở operon  Thường gặp trong các con đường dị hóa (phân giải các chất thành các đơn vị cấu tạo) Vị trí gắn CAP ARN polymerase gắn kém CAP bất hoạt Chất ức chế bất hoạt Allolactose Kiểm soát dương: Operon lactose  Operon lac còn chịu kiểm soát dương dưới ảnh hưởng của chất kích hoạt CAP (catabolite activator protein)  CAP được hoạt hóa bởi cAMP (AMP vòng)  Nồng độ cAMP trong tế bào tỉ lệ nghịch với nồng độ glucose Môi trường có cả lactose và glucose operon lac phiên mã kém Kiểm soát dương: Operon lactose  Nồng độ glucose xuống thấp, cAMP trong tế bào có nồng độ cao, gắn và hoạt hóa CAP  CAP gắn vào promoter của operon lac và kích thích phiên mã Vị trí gắn CAP ARN polymerase gắn và phiên mã CAP bất hoạt CAP hoạt hóa Allolactose Chất ức chế bất hoạt Môi trường có lactose và KHÔNG có glucose  operon lac phiên mã mạnh Điều hòa từng tầng  Điều hòa từng tầng ở sinh vật nhân sơ là một cơ chế điều hòa nhanh, tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng các yếu tố σ khác nhau  Các yếu tố σ khác nhau nhận biết các đoạn liên ứng với trình tự khác nhau của các promoter khác nhau  ARN polymerase với yếu tố σ khác nhau sẽ gắn lên promoter khác nhau, phiên mã các nhóm gen khác nhau, nhờ đó kiểm soát biểu hiện gen liên quan đến các hoạt động chuyên biệt của tế bào Phage SPO1 sử dụng luân chuyển yếu tố σ để xâm nhiễm vào vi khuẩn  SPO1 là phage xâm nhiễm vi khuẩn Bacillus subtilis  Có 3 nhóm gen: sớm, trung gian và muộn, biểu hiện ở những giai đoạn khác nhau của quá trình xâm nhiễm ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ70 ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ28 của phage ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ34 của phage Nhóm gen sớm Nhóm gen trung gian Nhóm gen muộn Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật  Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc  Điều hòa khởi đầu phiên mã: chủ yếu  Điều hòa sau phiên mã: xử lý ARN, ổn định ARN  Điều hòa dịch mã  Điều hòa sau dịch mã Điều hòa cấu trúc và tổ chức chất nhiễm sắc  Chất nhiễm sắc: ADN kết hợp với protein histone, cuộn gấp ở nhiều mức độ khác nhau  Để gen có thể được biểu hiện, ADN cần được tháo cuộn trở về dạng duỗi xoắn  Hai cơ chế điều hòa chính: sửa đổi ADN và sửa đổi histone Sửa đổi ADN  Sửa đổi ADN: methyl hóa ADN  Methyl hóa ADN sẽ ức chế khả năng bám vào ADN của bộ máy phiên mã, dẫn đến ức chế phiên mã  Ở động vật có vú, sự methyl hóa thường xảy ra với cytosine trong trình tự: 5’ mC pG 3’ 3’ Gp Cm 5’ Sửa đổi histone  Đuôi histone (đầu amin) có thể được acetyl hóa, methyl hóa hay phospho hóa, v.v. bằng các enzym  Acetyl hóa histon thường giúp tăng cường phiên mã  Các sửa đổi này là thuận nghịch Đuôi histone ADN mạch kép Các acid amin có thể được sửa đổi Đuôi của các protein histone thò ra khỏi nucleosome Histone không acetyl hóa Histone acetyl hóa Acetyl hóa histone tăng cường tháo cuộn gấp chất nhiễm sắc, tạo điều kiện cho phiên mã Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật  Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc  Điều hòa khởi đầu phiên mã  Điều hòa sau phiên mã  Điều hòa dịch mã  Điều hòa sau dịch mã Điều hòa khởi đầu phiên mã  Điều hòa khởi đầu phiên mã được thực hiện qua sự nhận biết và gắn của các yếu tố trans với các các trình tự cis  Các yếu tố trans: các protein kiểm soát phiên mã  Các trình tự cis: các trình tự ADN tham gia vào kiểm soát phiên mã: promoter và các trình tự điều hòa  Promoter luôn luôn nằm ở thượng nguồn, ngay cạnh đoạn gen mã hóa  Các trình tự điều hòa có thể nằm ở thượng hay hạ nguồn, gần hay xa đoạn gen mã hóa, hay ở ngay trong gen  Các gen đồng biểu hiện thường không nằm cạnh nhau Các yếu tố trans  Các yếu tố phiên mã chung (transcription factor)  Các yếu tố điều hòa vùng gần  Các yếu tố kiểm soát vùng xa (yếu tố tăng cường – enhancer, yếu tố ức chế silencer; v.v)  Có miền gắn ADN  Các miền kích hoạt có thể tương tác với các protein đặc hiệu khác  Đặc hiệu với từng loại tế bào  Có một số cấu trúc chung, nhưng thường tồn tại ở các dạng tổ hợp khác nhau trong các tế bào khác nhau Yếu tố kích hoạt Yếu tố kiểm soát vùng xa Các yếu tố phiên mã chung Protein điều hòa Protein uốn cong ADN Phức hệ khởi đầu phiên mã Tổng hợp ARN Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật  Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc  Điều hòa khởi đầu phiên mã  Điều hòa sau phiên mã: xử lý ARN, ổn định ARN  Điều hòa dịch mã  Điều hòa sau dịch mã Ghép mảnh lựa chọn (Alternate RNA splicing)  “Chọn lọc” các exon  Một gen có thể điều khiển tổng hợp nhiều dạng của một protein mARN cho fibronectin trong tế bào nguyên sợi mARN cho fibronectin trong tế bào gan Thoái hóa mARN  Độ ổn định và thời gian tồn tại của mARN có ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ biểu hiện của gen  Yếu tố ảnh hưởng:  Đuôi polyA  Trình tự của vùng 3’ không dịch mã (3’UTR)  Mũ đầu 5’  Sự có mặt của các yếu tố điều hòa khác ARN can thiệp (RNAi) Micro ARN (miARN) Cấu trúc kẹp tóc Liên kết H Protein Dicer Tiền microARN miARN Phức hệ proteinmiARN Thoái hóa mARN Ức chế dịch mã Sự tạo thành và chức năng của miARN  Nhiều ARN không mã hóa tham gia điều hòa biểu hiện gen  ARN can thiệp có thể bắt cặp bổ sung với một đoạn của mARN, dẫn đến ức chế phiên mã vàhay dịch mã Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật  Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc  Điều hòa khởi đầu phiên mã  Điều hòa sau phiên mã  Điều hòa dịch mã  Điều hòa sau dịch mã Điều hòa dịch mã  Mũ 5’ và đuôi 3’poly(A) là những đặc điểm quan trọng cần cho sự bám của ribosom lên mARN  Đuôi poly(A) có thể được sửa đổi để tác động đến quá trình bám của ribosom  Các protein điều hòa gắn với các vùng không dịch mã, điều hòa tổng hợp protein Nghiên cứu trường hợp: Trao đổi sắt  Protein điều hòa: aconitase  Aconitase có thể gắn với sắt và tách khỏi mARN  Ferritin dự trữ sắt; còn transferrin vận chuyển sắt vào tế bào  Thiếu sắt: KHÔNG cần ferritin; CẦN transferrin  Nhiều sắt: CẦN ferritin; KHÔNG cần transferrin THIẾU SẮT THỪA SẮT aconitase aconitase mARN ferritin mARN thụ thể transferrin) Ngăn chặn dịch mã Ổn định mARN Không tổng hợp ferritin Tổng hợp TT transferrin Fe mARN ferritin mARN thụ thể transferrin) Dịch mã mARN thoái hóa Tổng hợp ferritin Không tổng hợp TT transferrin Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật  Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc  Điều hòa khởi đầu phiên mã  Điều hòa sau phiên mã  Điều hòa dịch mã  Điều hòa sau dịch mã Điều hòa sau dịch mã  Sau dịch mã, nhiều protein cần được sửa đổi  Cuộn gấp  Cắt bỏ  Sửa đổi bằng cách thêm một số nhóm chức (đường, phospho, v.v.)  Các sửa đổi này cho phép hoàn thiện protein, thực hiện chức năng sinh học Điều hòa sau dịch mã : Phân giải protein  Một số protein chỉ cần được biểu hiện trong thời gian ngắn  Protein sai hỏng cần được tiêu hủy  Quá trình phân giải protein được kiểm soát nghiêm ngặt  Có sự tham gia của protein điều hòa ubiquitin và phức hợp proteasome Protein cần được phân giải Protein được ubiquitin hóa Protein vào proteasome Proteasome và ubiquitin được tái sử dụng Các mảnh của protein Vai trò của điều hòa biểu hiện gen Đóng vai trò quyết định trong:  Phát triển cơ thể  Biệt hóa tế bào  Đảm bảo cho tế bàocơ thể hoạt động bình thường (Rối loạn  bệnh tật) Phát triển phôi và điều hòa biểu hiện gen  Một tế bào sinh ra nhiều tế bào  Các tế bào được tạo thành không giống nhau  Biệt hóa thành các mô và cơ quan  Thay đổi về kiểu hình, chức năng  Khi nào, ở đâu và như thế nào??  được kiểm soát do điều hòa biểu hiện gen Tổng kết  Điều hòa biểu hiện gen là điều hòa lượng sản phẩm mà gen tạo ra trong tế bào  Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ chủ yếu là điều hòa phiên mã, qua operon hay điều hòa từng tầng  Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật xảy ra ở nhiều mức độ  Điều hòa biểu hiện gen đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cho tế bào và cơ thể phát triển bình thường, đáp ứng được với các thay đổi trong môi trường sống, giúp biệt hóa tế bào Thắc mắc? Chuẩn bị bài tới  Chương 7 Biological Science, 3 rd edition; Freeman S., 2008

Điều hòa biểu hiện gen

TS Vũ Thị Thơm Khoa Y Dược ĐHQGHN

Điều hòa biểu hiện gen

thiết yếu, cơ bản của tế bào/cơ thể thường biểu hiện liên

tục và ổn định: gen giữ nhà (housekeeping gene hay

constitutive gene)

đoạn phát triển của tế bào/cơ thể thường chỉ biểu hiện ở

những giai đoạn nhất định: gen cảm ứng (inducible

gene) Cần được “tắt” hay “mở” tùy theo nhu cầu từng lúccủa sinh vật

cách

Mục đích của điều hòa biểu hiện gen

 Điều hòa biểu hiện gen là quá trình điều hòa lượng

sản phẩm của gen được tạo ra trong tế bào nhằm đảmbảo hoạt động sống của tế bào phù hợp với môi trườngcũng như sự phát triển bình thường của cơ thể

 Sinh vật nhân sơ: để đáp ứng với những thay đổi của

môi trường sống

 Sinh vật nhân thật: cho phát triển

 Tạo thành và duy trì các loại tế bào khác nhau

 Mất kiểm soát có thể rất nguy hiểm

Điều hòa biểu hiện gen

ở sinh vật nhân sơ

Điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân sơ

 Điều hòa phiên mã là hình thức điều hòa biểu hiện

gen chủ yếu ở sinh vật nhân sơ

mã:

 Operon: các gen cấu trúc có liên quan về chức năng,

được sắp xếp liền nhau thành một nhóm, cùng chịu sự

kiểm soát của các yếu tố điều hòa chung

 Điều hòa từng tầng (cascade regulation): ở một số điều

kiện nhất định, một nhóm gen có thể được “mở”, sản

phẩm của các gen này lại “mở” một nhóm gen thứ hai

Việc này có thể được tái diễn nhiều lần

Kiểm soát dương và kiểm soát âm

 Kiểm soát âm (negative control): chất ức chế

(repressor) gắn lên vị trí điều hòa, ngăn cản phiên mã

bất hoạt

 Kiểm soát dương (positive control): chất kích hoạt

(activator) gắn vào vị trí điều hòa, kích thích phiên mã

đồng bộ  nhanh, hiệu quả, tiết kiệm năng lượng

Nghiên cứu trường hợp: Operon

Có tryptophan, chất ức chế được hoạt hóa, operon đóng

Không có tryptophan, chất ức chế bị bất hoạt, operon ở trạng thái mở

Operon ức chế

 Cụm gen cấu trúc thường ở dạng mở

 Khi phối tử (chất đồng ức chế) gắn vào chất ức chế sẽ hoạt

hóa chất ức chế

 Phức hợp chất ức chế - đồng ức chế gắn vào operator, khóa gen cấu trúc, đóng operon

 Thường gặp trong các con đường đồng hóa (sinh tổng hợp

các chất từ các đơn vị cấu tạo)

Operator Gen điều hòa

Không có lactose, chất ức chế hoạt hóa, operon đóng

Operon cảm ứng

 Cụm gen cấu trúc thường ở dạng đóng do chất ức chế gắn vào

operator, khóa operon

 Khi phối tử (chất cảm ứng) gắn vào chất ức chế sẽ làm bất

hoạt chất ức chế

 Phức hợp chất ức chế - đồng ức chế tách khỏi operator, mở operon

 Thường gặp trong các con đường dị hóa (phân giải các chất

thành các đơn vị cấu tạo)

Vị trí gắn CAP ARN polymerase gắn

kém

Allolactose

Kiểm soát dương: Operon lactose

chất kích hoạt CAP (catabolite activator protein)

Môi trường có cả lactose và glucose operon lac phiên

mã kém

Kiểm soát dương: Operon lactose

cao, gắn và hoạt hóa CAP

mã

Vị trí gắn CAP ARN polymerase gắn và phiên mã

CAP bất hoạt

CAP hoạt hóa

Allolactose

Chất ức chế bất hoạt

Môi trường có lactose và KHÔNG có glucose  operon

lac phiên mã mạnh

Điều hòa từng tầng

điều hòa nhanh, tiết kiệm năng lượng bằng cách sử

dụng các yếu tố σ khác nhau

trình tự khác nhau của các promoter khác nhau

promoter khác nhau, phiên mã các nhóm gen khác

nhau, nhờ đó kiểm soát biểu hiện gen liên quan đến cáchoạt động chuyên biệt của tế bào

Phage SPO1 sử dụng luân chuyển yếu

tố σ để xâm nhiễm vào vi khuẩn

những giai đoạn khác nhau của quá trình xâm nhiễm

ARN polymerase của vi

khuẩn với yếu tố σ 70

ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ 28 của phage

ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ 34 của phage

Điều hòa biểu hiện gen

ở sinh vật nhân thật

Điều hòa biểu hiện gen

Điều hòa cấu trúc và tổ chức chất nhiễm sắc

Sửa đổi ADN

 Methyl hóa ADN sẽ ức chế khả năng bám vào ADN của bộ

máy phiên mã, dẫn đến ức chế phiên mã

trong trình tự:

5’ - mC pG - 3’

3’ - Gp Cm - 5’

Sửa đổi histone

có thể được acetyl hóa,

methyl hóa hay phospho

hóa, v.v bằng các enzym

giúp tăng cường phiên mã

nghịch

Đuôi histone ADN mạch kép Các acid amin

có thể được sửa đổi Đuôi của các protein histone thò ra khỏi nucleosome

Histone không acetyl hóa

Histone acetyl hóa

Acetyl hóa histone tăng cường tháo cuộn gấp chất nhiễm sắc, tạo điều kiện cho phiên mã

Điều hòa biểu hiện gen

ở sinh vật nhân thật

nhiễm sắc

 Điều hòa khởi đầu phiên mã

Điều hòa khởi đầu phiên mã

biết và gắn của các yếu tố trans với các các trình tự cis

phiên mã: promoter và các trình tự điều hòa

 Promoter luôn luôn nằm ở thượng nguồn, ngay cạnh đoạn gen mã hóa

 Các trình tự điều hòa có thể nằm ở thượng hay hạ nguồn, gần hay xa đoạn gen mã hóa, hay ở ngay trong gen

Các yếu tố trans

(transcription factor)

xa (yếu tố tăng cường –

v.v)

 Có miền gắn ADN

 Các miền kích hoạt có thể tương

tác với các protein đặc hiệu khác

 Đặc hiệu với từng loại tế bào

 Có một số cấu trúc chung, nhưng thường

tồn tại ở các dạng tổ hợp khác nhau trong

các tế bào khác nhau

Yếu tố kích hoạt Yếu tố kiểm

mã chung

Protein điều hòa

Protein uốn cong ADN

Phức hệ khởi

Điều hòa biểu hiện gen

ở sinh vật nhân thật

nhiễm sắc

 Điều hòa sau phiên mã: xử lý

ARN, ổn định ARN

Ghép mảnh lựa chọn (Alternate RNA splicing)

protein

mARN cho fibronectin

trong tế bào nguyên sợi

mARN cho fibronectin

trong tế bào gan

Thoái hóa mARN

trực tiếp đến mức độ biểu hiện của gen

ARN can thiệp (RNAi)

Micro ARN (miARN)

Thoái hóa mARN Ức chế dịch mã

Sự tạo thành và chức năng của miARN

tham gia điều hòa biểu hiện

gen

bổ sung với một đoạn của

mARN, dẫn đến ức chế phiên

mã và/hay dịch mã

Điều hòa biểu hiện gen

ở sinh vật nhân thật

nhiễm sắc

 Điều hòa dịch mã

Điều hòa dịch mã

trọng cần cho sự bám của ribosom lên mARN

quá trình bám của ribosom

mã, điều hòa tổng hợp protein

Nghiên cứu trường hợp:

Fe

mARN ferritin mARN thụ thể transferrin) Dịch mã mARN thoái hóa Tổng hợp ferritin Không tổng hợp TT transferrin

Điều hòa biểu hiện gen

ở sinh vật nhân thật

nhiễm sắc

 Điều hòa sau dịch mã

Điều hòa sau dịch mã

hoàn thiện protein, thực

hiện chức năng sinh học

Điều hòa sau dịch mã :

Phân giải protein

proteasome

Protein cần được phân giải

Protein được ubiquitin hóa Protein vào

proteasome

Proteasome và ubiquitin được tái sử dụng

Các mảnh của protein

Vai trò của điều hòa biểu hiện gen

Đóng vai trò quyết định trong:

 Phát triển cơ thể

 Biệt hóa tế bào

(Rối loạn  bệnh tật)

Phát triển phôi và điều hòa biểu hiện

gen

bào

không giống nhau

cơ quan

năng

nào?!?  được kiểm soát do

điều hòa biểu hiện gen

Tổng kết

gen tạo ra trong tế bào

điều hòa phiên mã, qua operon hay điều hòa từng tầng

nhiều mức độ

việc đảm bảo cho tế bào và cơ thể phát triển bình

thường, đáp ứng được với các thay đổi trong môi

trường sống, giúp biệt hóa tế bào

Thắc mắc?

Chuẩn bị bài tới

Freeman S., 2008