Điều Hòa Biểu hiện gen(Gene Regulation)

Khoa Sinh học

Lớp Sinh k31

Bài tiểu luận:

Sự Điều Hoà Biểu Hiện Của Gene

G.V T.S: Trương Thị Bích Phượng

Sinh viên:

Huỳnh Ngọc Hiền

Trần Thị Đăng Hoa

Phạm Văn Hồng

Nguyễn Thị Hợp

Nguyễn Thị Huệ

Mở đầu

1. Khái quát chung

2. Sự điều hòa biểu hiện gene ở Prokaryotes

2.1 Cấu trúc của Operon

2.2 Điều hòa dương tính operon lactose

2.3 Điều hòa âm tính operon tryptophan

2.4 Phiên mã dở

3. Sự điều hòa biểu hiện gene ở Eukaryotes

3.1 Sự biến đổi ADN

3.2 Các Promoter

3.3 Những trình tự tăng cường phiên mã (Enhancer)

3.4 Trình tự bất hoạt gene (gene silencing)

3.5 Promoter chọn lọc (alternative promoter)

3.6 Splicing chọn lọc

4. Kết luận

5. Một số câu hỏi trắc nghiệm

6. Tài liệu tham khảo

Điều gì gây ra sản phẩm của gene được tổng hợp trong tế bào theo một số điều kiện (tùy vào nhóm sinh vật)? Phần lớn nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học phân tử nhằm xác định điều này. Chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn một hệ thống cơ bản nhằm trả lời cho câu hỏi vừa nêu ra ở trên.

Đối với hầu hết các gene, điểm quy định là phiên mã (transcription). Nhưng liệu gene có được phiên mã hay không ? Cơ chế này cũng xảy ra ở một số điểm khác trong gene phiên mã mRNA, các mRNA được dịch và có tính ổn định cao. Nhưng sản phẩm trải qua quá trình phức tạp với sự tham gia của nhiều yếu tố mới được tạo ra. Vậy cơ chế và quá trình như thế nào?

Chúng ta sẽ cùng làm rõ vấn đề này

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 tế bào phù hợp với môi trường cũng như sự phát triển bình thường của cơ thể.

Trong mỗi tế bào AND chứa đầy đủ thông tin để xây dựng

một cơ thể hoàn chỉnh .Nhưng trong cơ thể mỗi tế bào lại có chức năng, cấu trúc và những loại enzyme riêng. Vì vậy, không phải tất cả gen điều được biểu hiện mà nó chỉ biểu hiện những gen nhất định

cần cho nó. Do đó, điều hòa biểu hiện gen là cần thiết, là vấn đề sống còn đối với mỗi hệ gen cũng như sự tồn tại của mỗi sinh vật.

Sự điều hòa biểu hiện gen có thể được kiểm soát ở những

khâu tương tự nhau và gồm hai giai đoạn chính: Kiểm soát phiên mã và kiểm soát sau phiên mã.

Kiểm soát phiên mã: là sự điều hòa tổng hợp ARN từ khuôn AND.

Kiểm soát sau phiên mã: là cơ chế thứ cấp kiểm soát sự biểu hiện của gen. Nó bao gồm:

+ Kiểm soát sửa đổi ARN.( chỉ xảy ra ở Eukaryote)

+ Kiểm soát dịch mã.

+ Kiểm soát sự phân hủy mARN.

+ Kiểm soát hoạt tính của protein.

Operon Lac là một nhóm bao gồm các gen cấu trúc mã hóa protein cần thiết cho việc vận chuyển và chuyển hóa lactose và các yếu tố điều hòa.

Operon Lac bao gồm các thành phần:

- Nhóm gen cấu trúc liên quan nhau về chức năng, nằm kề nhau

- Vùng vận hành (Operator): nằm trước các gen cấu trúc, là vị trí tương tác với protein ức chế

- Vùng khởi động (Promoter): nằm trước vùng vận hành, đó là vị trí tương tác của ARN polymerase để khởi đầu phiên mã.

- Một nhóm các gene cấu trúc (structural genes) liên quan với nhau về mặt chức năng xếp cạnh nhau, khi phiên mã sẽ tạo ra một phân tử mRNA chung gọi là mRNA đa cistron (polycistronic mRNA). Các enzyme được dịch mã từ một mRNA này sẽ tham gia vào quá trình chuyển hoá (đồng hoá hoặc dị hoá) cụ thể, một chuỗi các phản ứng sinh hoá gồm nhiều khâu nối tiếp hoặc có quan hệ dạng lưới phức tạp. Nhóm gene cấu trúc này chứa 3 gene là: gene Z mã hóa cho enzyme β-galactosidase ( thủy phân lactose thành galactose và glucose), gene Y mã hóa cho enzyme permease (Vận chuyển lactose qua màng), gene A mã hóa cho transacetylase (vai trò chưa rõ).

- Một yếu tố chỉ huy (operator - O): trình tự DNA nằm kế trước nhóm gene cấu trúc, là vị trí tương tác với chất ức chế.

- Một vùng khởi động (promotor region - P): trình tự DNA nằm trước yếu tố chỉ huy và có thể trùm lên một phần hoặc toàn bộ vùng này, là vị trí bám vào của RNA polymerase để có thể khởi đầu phiên mã tại vị trí chính xác ở sợi khuôn.

- Một gene điều hoà hay còn gọi là gene ức chế (regulatory/ inhibitory gene - R/I): Gene này sinh ra loại protein điều hoà gọi là chất ức chế (repressor) điều hòa hoạt động của nhóm gene cấu trúc thông qua sự tương tác với yếu tố chỉ huy. Mặc dù mỗi gene điều hòa có một vùng khởi động riêng và không có yếu tố chỉ huy, đôi khi người ta vẫn coi chúng là một operon điều hòa; gene này sinh ra chất ức chế một cách ổn định.

- Sự hoạt động của operon phụ thuộc vào sự điều khiển của gen điều hòa R, nằm trước operon, có nhiệm vụ tổng hợp chất ức chế kiềm hãm không cho operon hoạt động

Trạng thái ức chế (I):

Môi trường không có chất cảm ứng (đường lactose) → R phiên mã→mARN sao mã→chất ức chế →gắn vào O→gen cấu trúc không phiên mã→enzyme không được tạo thành

Trạng thái hoạt động (II):

Môi trường có lactose→lactose gắn vào chất ức chế →chất ức chế bị bất hoạt→không gắn vào O(Operator)→O tự do điều khiển operon phiên mã→tổng hợp enzyme

Tín hiệu điều hòa là đường lactose.

Cơ chế điều hòa ở đây là sự có mặt của cơ chất ( ví dụ như lactose ) dẫn tới sự tổng hợp các enzym phân hủy.

Chức năng của β-galactosidase là enzym có 2 chức năng:

+ cắt lactose thành glucose và galactose.

+ chuyển liên kết 1-4 của glucose và galactose thành liên kết 1-5 của allolactose.

Nếu trong môi trường sinh trưởng có cả glucose và lactose thì không cần hoạt động của operon lac.

Trong môi trường có glucose thì β-galactose không được hình thành cho đến khi glucose được sử dụng hết. Bởi vì sự có mặt của glucose làm mARN không được hình thành do đó không tổng hợp được β-galactose.

Sự điều hòa operon lactose còn phụ thuộc vào nồng độ glucose trong môi trường.Những phân tử nhỏ adenosine monophosphate vòng (c-AMP), là chất bắt nguồn từ ATP và làm chất trung gian hoạt động hormone. cAMP được tổng hợp bởi enzym adenyl cyclase, nồng độ của nó được điều hòa gián tiếp qua trao đổi chất glucose.

Và cAMP lại điều hòa hoạt tính operon. Khi vi khuẩn sinh trưởng trong môi trường chứa glucose thì hàm lượng cAMP rất thấp.trong môi trường chứa glycerol hoặc các nguồn cacbon không thể đi vào con đường hóa sinh được sử dụng để trao đổi chất glucose hoặc vi khuẩn bị đói nguồn năng lượng thì nồng độ cAMP cao. Sự tăng nồng độ cAMP trong tế bào gây ra hàng loạt sự kiện trong sự hiện diện của lactose, dấn đến sự phiên mã các gen cấu trúc của operon lactose.

E.coli chứa pritein nhận cAMP hay cyclic AMP receptor protein (CRP) hay còn gọi là protein hoạt hóa dị hóa CAP (catabolite activator protein), được mã hóa bởi gen crp. Đột biến ở gen crp và adenyl cyclase làm ngăn cản sự tổng hợp của mARN lac. CRP và cAMP gắn vào vị trí khác tạo phức hợp cAMP-CRP. Phức hợp này điều hòa hoạt hóa ở hệ thông lac. Nhu cầu về cAMP-CRP phụ thuộc vào hệ thống ức chế lac. Phức hợp cAMP-CRP là chất điều hòa dương tính. Trong điều kiện invitro mARN được tồng hợp chỉ khi có cAMP vòng và không có chất ức chế.

Operon tryptophan hoạt động theo kiểu ức chế, điều hòa âm tính. Operon tryptophan (trp) của E.coli chứa các gene cấu trúc mã hóa cho các enzym tổng hợp amino acid tryptophan. Sự kết hợp của nhân tố kìm hãm với amino acid đặc trưng cho operon làm cho nó có ái lực cao với operator. Tryptophan ở đây đóng vai trò là nhân tố kìm hãm (co-repressor). Có 2 tính huống:

- Khi trong môi trường có tryptophan thì represstor kết hợp với tryptophan gắn lên operator. Các gen cấu trúc của operator không được phiên mã.

- Khi môi trường thiếu tryptophan, represstor không gắn được vào operator, operator có thể tiếp nhận các RNA polymerase chịu trách nhiệm phiên mã các gen cấu trúc của operator thành mRNA. Các mRNA này sau đó được dịch mã thành các enzym tổng hợp tryptophan.

Tryptophan được tổng hợp qua nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn có sự xúc tác của mọt enzym đặc biệt. các gen mã hóa cho các enzym này nằm kề nhau trên nhiễm sắc thể của E.coli. đó là các gen trpD. trpC, trpB, trpA. Các enzym được dịch mã từ 1 phân tử mRNA đa cistron. Vùng mã hóa gen E được dịch mã trước tiên. Phía trước trpE về đầu 5’ có promotor, operator và 2 vùng xếp lần lượt là leader (trpL) và đoạn kìm hàm phiên mã attenuator (trpa không phải trpA). Gen ức chế trpR nằm xa operon tổng hợp protein aporepressor, là chất kìm hãm không có hoạt tính. Khi trp dư thừa, nó kết hợp với aporepressor tạo chất kìm hãm có hoạt tính, gắn vào operator của operon trp làm dừng phiên mã các gen cấu trúc.

Kiểu điều hòa thứ hai được phát hiện ở operon tryptophan được gọi là atenuation ( sự giảm bớt tính tiết). Ở đầu 5 của mRNA đa gen (polycistronic) của operon này có 162 base nằm phía trước đoạn mã hóa cho 5 enzyme. Đoạn này được gọi là trình tự leader (trình tự lãnh đạo). Một phần của trình tự này được phiên mã tạo leader peptide gồm 14 amino acid, mà chức năng đến nay chưa rõ.

Cơ chế kiếm tra, mà trong đó sự tổng hợp mRNA được bắt đầu nhưng kết thúc sớm với chiều dài mRNA ngắn hơn được gọi là attenuation. Ví dụ: Các tế bào E.coli đang tăng trưởng trong môi trường thiếu một amino acid nào đó, nhưng chứa đủ các enzyme cần có sự tổng hợp của tất cả 20 amino acid cần thiết để tạo ra protein. Nhưng sự thêm 1 amino acid như tryptophan vào môi trường sẽ làm giảm đáng kể sự tổng hợp của các enzyme cần sự tạo amino acid đó. Phản ứng này có tính thích ứng và duy trì các nguồn enzyme, bởi vì các enzyme không còn cần nữa khi sản phẩm cuối của chuỗi sinh tổng hợp (tryptophan) đang có trong tế bào (ức chế ngược).

Operon tryptophan có phương thức điều hòa hoạt động gen thứ hai, hoàn toàn độc lập với hệ thống repressor – operator (chất kìm hãm – đoạn điều hành). Ở operon tryptophan, sự tổng hợp mRNA bắt đầu từ 161 base trước codon khởi sự của trp E enzyme cấu trúc đầu tiên được phiên mã (hình A). Đột biến do mất đoạn DNA ngay phía trước trp E, giải phóng trp E khởi sự kìm hãm của phức hợp repressor – operator. Các đột biến này làm tăng mức biểu hiện của cả operon lên gấp 6 lần. Sự tinh sạch các DNA được phiên mã invitro cho thấy phần lớn mRNA kết thúc ở ngay base 139 và không bao giờ đạt tới trp E. Ở đây có sự kìm hãm phiên mã ngay trước gen cấu trúc và khi mất nó sự biểu hiện của gen có hiệu quả hơn. Đoạn dài của mRNA nằm trước trp E được gọi là leader ( trp L) và đoạn kìm hãm phiên mã gọi là attenuator (trp a, chứ không phải là trp A). Cuối cùng, quan sát cho thấy sự kết thúc dịch mã (attenuation) dao động theo nồng độ của tryptophan. Trong các điều kiện nồng độ tryptophan thấp, nhiều phân tử mRNA được tạo ra hơn vượt qua attenuator và toàn bộ operon được phiên mã. Attenuation là một phương thức kiểm soát sự biểu hiện của gen.

Cơ chế attenuation thực hiện sự kết hợp giữa phiên mã và dịch mã. RNA polymerase bắt đầu phiên mã các gen mã hóa cho các enzyme tổng hợp cần thiết để tạo ra tryptophan. Ví dụ: Khi hiện diện tryptophan nó nhanh chóng đạt tới điểm, trên RNA mới được tổng hợp, gọi là attenuator và dừng phiên bản tại đây.

Attenuator có chức năng như điểm kết thúc chỉ khi tryptophan hiện diện. Vì sao vậy? Cần nói thêm rằng các trình tự do codon lập lại ở phía trước mRNA được gọi là trình tự leader (đầu). Sự phiên mã dừng khi trình tự leader đạt attenuator. Nếu có đủ tryptophan trong tế bào, sự dịch mã của các codon được thực hiện và cả phiên mã và dịch mã được thực hiện trơn tru cho đến lúc RNA polymerase đạt đoạn attenuator, nơi kết thúc sự phiên mã.

Khi không có tryptophan, dịch mã ngừng và phần leader của mRNA cuộn lại sao cho attenuator không thực hiện chức năng. Trong trường hợp này, sự tổng hợp của mRNA toàn vẹn cho opera tryptophan có thể thự hiện hoàn toàn tất cả các enzyme trao đổi chất trytophan được tạo ra. Với sự hiện diện của các enzyme đó, tryptophan được trữ với số lượng lớn trong tế bào. Attenuation là dạng tinh tế của sự ức chế điều hòa hoạt động gen, tạo đặc hiệu cho sự tổng hợp amino acid trong tế bào.

Cơ chế repressor điều hòa thô hệ thống tryptophan, trong khi đó cơ chế attenuation kiểm soát nồng độ tryptophan một cách tinh tế. Attenuation của operon Trp cũng nhạy cảm với nồng độ của một số amino acid khác với tryptophan. Các operon liên quan đến các amino acid như: Histidine và leucine, có lẽ được điều hòa chỉ bởi attenuation.

Một số gen của Eukaryote được điều hòa bằng sự biến đổi DNA. Chẳng hạn, những trình tự nhất định có thể được khuếch đại hoặc cấu trúc lại trong genome hoặc các base có thể bị biến đổi về mặt hóa học. một vài biến đổi được phục hồi, những biến đổi khác lại bền vững. tuy nhiên những thay đổi bền vững này thường xảy ra ở tế bào sinh dưỡng, vì vậy chúng không được truyền lại cho thế hệ sau qua dòng giao tử(enhancer).

Tương tự như ở vi khuẩn, các promoter của Eukaryotae cũng nằm phía trước điểm xuất phát của mRNA và có những trình tự được bảo tồn trong tiến hóa. Hộp TATA, định hướng cho RNA polymerase bắt đầu phiên mã, nằm khoảng dưới 30 bp ở động vật có vũ và 60 – 120 ở nấm men. Hộp TATA hoạt động có hiệu quả cùng với hai trình tự tương ứng phía trước khoảng 40 bp la CCAAT và 110 bp là trình tự giàu GC.

____GGGCGGG _ _ _ CCAAT _ __ __ _ TATA _ __ __ mRNA

- 110 bp - 40 bp - 30 bp 1

Sự thay đổi hộp TATA làm giảm tốc độ phiên mã. Hiệu quả của tốc độ phiên mã được đo bằng sự thay đổi của từng base trong promoter. Các thay đổi base ngoài hộ TATA và các trình tự phía trước không gây hiệu quả đối với độ phiên mã, trong khi đó các thay đổi ở những phân ử được nêu trên làm giảm đáng kể tốc độ phiên mã. Khác với promoter của Prokaryotae, các promoter Eukaryotae khó đảm bảo sự nhận biết các tín hiệu một cách đầy đủ để RNA polymerase khởi sự phiên mã in vivo. Hộp TATA và các trình tự phía trước phải được nhận biết bởi các protein điều hòa và chính các protein này gắn với các điểm nhất định trên chúng và hoạt hóa sự phiên mã.

Các thụ thể của hormone và những protein hoạt hóa phiên mã khắc gắn với trình tự DNA đặc biệt được biết là enhancer. Trình tự enhancer khá ngắn(thường chỉ 20 cặp base) được tìm thấy ở các vị trí khác nhau quanh gene được điều hòa. Hầu hết các enhancer nằm ở phía dưới điểm bắt đầu phiên mã(đôi khi cách xa nhiều kb). Những enhancer khác là các intron nằm trong vùng mã hóa và một vài enhancer thậm chí nằm ở đầu 3’ của gene.

Enhancer là thành phần nhạy cảm của tổ chức gene ở eukaryote vì chúng cho phép gene phiên mã chỉ khi nào có nhân tố hoạt hóa phiên mã đúng. Một vài enhancer phản ứng với các phân tử bên ngoài tế bào, chẳng hạn hormone steroid tạo phức hợp receptor-hormone. Những enhancer khác phản ứng với các phân tử được tạo thành ở bên trong tế bào (chẳng hạn trong suốt quá trình phát triển).

Những enhancer này cho phép các gene dưới sự điều khiển của nó tham gia vào biệt hóa tế bào hoặc được biểu hiện theo cách đặc biệt ở trong mô. Nhiều gene ở dưới sự kiểm soát của các enhancer khác nhau, vì vậy chúng có thể phản ứng với nhiều tín hiệu phân tử khác nhau cả bên trong và bên ngoài.

Qua sơ đồ ở hình 6 cho thấy nhiều yếu tố di truyền được tìm thấy trong gene của eukaryote điển hình. Phức hợp phiên mã bám vào promotor bắt đầu tổng hợp mRNA. Vùng mã hóa của gene(exon) bị gián đoạn bởi một hoặc nhiều trình tự gián đoạn(intron), các trình tự này sẽ bị loại bỏ trong quá trình chế biến RNA. Sự phiên mã được điều hòa bởi các yếu tố enhancer, các yếu tố này phản ứng với các phân tử khác nhau có vai trò là tín hiệu cảm ứng. enhancer có mặt ở cả phía trên và phía dưới promoter. Một vài enhancer có nhiều bản sao.

Nhiều enhancer kích thích phiên mã bằng cách hình thành vòng DNA, liên quan đến sự tương tác giữa các vùng cách xa nhau có liên quan dọc sợi DNA. Các nhân tố cần thiết cho phiên mã bao gồm protein hoạt hóa phiên mã, nó tương tác với ít nhất một yếu tố protein có trong một hoặc nhiều phức hợp protein lớn, nhiều yếu tố. yếu tố protein trong phức hợp này được biết như là yếu tố phiên mã chung, vì chúng gắn liền với sự phiên mã của nhiều gene khác nhau. Nhân tố phiên mã chung ở eukaryote có tính bảo tồn cao trong tiến hóa. Một trong số các phức hợp này là TFIID, gồm protein gắn với hộp TATA TBP gắn với promotor trong vùng TATA box. Ngoài TBP phức hợp TFIID cũng gồm một số protein khác được gọi là những nhân tố gắn liền với TBP = TAFs. Chúng hoạt động như các chất trung gian qua đó ảnh hưởng của nhân tố hoạt hóa phiên mã được truyền đi. Sự phiên mã cung yêu cầu một holoenzyme là RNA polymerase, chứa pol III tổ hợp ít nhất với 9 yếu tố protein khác. ở nấm men, những yếu tố này chứa nhân tố phiên mã TFIIB, TFIIF và TFIIH cũng như những protein khác.

Cùng promoter được sử dụng để phiên mã một gene, ở các loại tế bào khác nhau có thể tạo sản phẩm có số lượng khác nhau hoặc tạo ra những protein khác nhau. Điều này là do cùng một bản phiên mã có thể có quá trình chế biến ở các loại tể bào là khác nhau.

Sự tổng hợp -amylase ở chuột, những phân tử mRNA khác nhau được tạo ra từ cùng một gene vì những phần intron khác nhau bị loại bỏ trong quá trình chế biến RNA. Tuyến nước bọt của chuột tạo nhiều enzyme hơn gan mặc dù cùng một trình tự mã hóa được phiên mã. ở mỗi loại tế bào cùng một bản phiên mã sơ cấp được tổng hợp, nhưng có hai quá trình chế biến khác nhau hình 7.9. trình tự mã hóa bắt đầu 50 bp nên trong exon 2 được tạo thành nhờ nối với exon 3 và những exon tiếp theo. ở tuyến nước bọt bản phiên mã sơ cấp được chế biến để exon S nối với exon 2(exon L bị loại đi như là intron 1 và 2). ở gan exon L nối với exon 2, exon S bị loại đi cùng với intron 1. exon S và exon L trở thành những trình tự 5’ biến đổi của amylase mRNA và mRNA này được dịch mã ở những tỷ lệ khác nhau.

1. Hồ Huỳnh Thuỳ Dương, 1997. Sinh học phân tử. Nxb Giáo dục.

2. Phạm Thành Hộ, 2008. Di truyền học. Nxb Giáo dục.

3. Hoàng Trọng Phán, Trương Thị Bích Phượng, Trần Quốc Dung. 2008. Di truyền học. Nxb Đại Học Huế.

Http://www.you-tube.com/regulation gene

Http://www.image.google.com.vn