Sự biệt hóa tế bào

CHƯƠNG X
ĐIỀU HOÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN VÀ BIỆT HÓA TẾ BÀO
I CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỀU HÒA
1. Điều hòa thích nghi
Một số amip biểu hiện sự thay đổi hình thái và sinh lý đặc biệt để đáp lại các điều kiện môi trường khác nhau. Khi các amip được cho vào nước, chúng chuyển từ dạng amip sang dạng có lông để bơi. Khi môi trường thiếu dinh dưỡng, chúng có thể biến đổi thành dạng mô biểu bì.
Vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng tối thiểu có khả năng tổng hợp amino acid. Nhưng nếu cho amino acid vào thẳng mội trường nuôi, vi khuẩn ngừng tổng hợp amino acid. Đến khi nguồn amino acid hết, nó mới tự tổng hợp amino acid cho bản thân.
Các biến đổi trên đều thuận nghịch chứng tỏ sự thay đổi chức năng ở đây không do biến dị di truyền và sự xuất hiện hay biến mất các cấu trúc mới không làm ảnh huởng tiềm năng di truyền sẵn có. Các hiện tượng trên do hiện tượng điều hòa gọi là điều hòa thích nghi
2. Hoạt động nối tiếp của các gen
Khi phage xâm nhập vi khuẩn, DNA của phage lúc đầu sao chép, sau đó các protein khác nhau mới được tổng hợp nên. Như vậy có các gen “sớm” sớm tạo enzyme sao chép DNA và các gen “muộn” xác định các thành phần của vỏ. Trong quá trình nhiễm khuẩn, nhóm gen đầu hoạt động, nhóm thứ hai hoạt động tiếp theo. Như vậy cơ chế điều hoà chức năng của gen diễn ra theo trình tự nghiêm ngặt. Đây là kiểu điều hòa nối tiếp.
3. Biệt hóa tế bào
Nhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiếu tỉ tế bào bắt nguồn từ một hợp tử do chia nguyên nhiễm. Từ một hợp tử khi truởng thành, cơ thể người có khoảng 200 loại tế bào khác nhau (tế bào gan, tim, thận, da, …). Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin. Quá trình chuyên môn hóa chức năng của tế bào được gọi là sự biệt hóa tế bào. Tuy có sự biệt hóa nhưng tế bào vẫn giữ nguyên vẹn khả năng di truyền của mình.
4. Khái quát về điều hòa ở Prokaryotae và Eukaryotae
Có sự khác nhau đáng kể giữa Prokaryotae và Eukaryotae trong điều hòa sự biểu hiện của các gen. Các tế bào Eukaryota có cấu tạo phức tạp hơn nhiều nên sự điều hòa có nhiều mức độ và chi tiết hơn ở tế bào Prokaryota.
a. Sự biểu hiện của gen ở Prokaryotae
Bộ máy di truyền của sinh vật tiền nhân là một DNA vòng tròn chứa một số lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất. Chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào. Do đó hoạt động của các gen được điều hoà do các nhu cầu của tế bào khi cần thiết. Tác động của các nhân tố môi trường làm những gen tương ứng được mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu quả ngược làm dừng lại.
Sự biểu hiện của gen ở Prokaryotae
Trang 236
Màng tế bào
Amino acid
tRNA
Design by HTV
b. Sự biểu hiện của gen ở Eukaryota
Khác với Prokaryota, nhiễm sắc thể của Eukaryota có cấu trúc phức tạp hơn. Trên cấu trúc nhiễm sắc thể có sự tham gia của protein histone có vai trò điều hòa sự biểu hiện của các gen. Sự điều hòa biểu hiện của gen ở Eukaryota phải qua nhiều mức điều hòa phức tạp hơn Prokaryota và qua nhiều giai đoạn như: NST tháo xoắn, phiên mã, biến đổi sau phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến đổi sau dịch mã.
Ngoài ra, ở Eukaryota, mỗi tế bào có biểu hiện sống không phải tự do mà chịu sự biệt hóa theo chức năng chuyên biệt trong mối quan hệ hài hòa với cơ thể. Các vi khuẩn thường phản ứng trực tiếp với môi trường và sự biểu hiện gen thuận nghịch. Còn các tế bào Eukaryota có những con đường biệt hóa khác nhau và thường sự chuyên hóa là ổn định thường xuyên trong đời sống cá thể. Ngoài ra, ở Eukaryotae có những gen chỉ biểu hiện ở phôi rồi dừng hẳn.
Sự biểu hiện của gen ở Eukaryotae
mRNA
Bản phiên mã sơ cấp
Màng tế bào
Sự phiên mã
Chế biến
Vận chuyển đến tế bào chất
Sự dịch mã
Nhân
Lỗ nhân
Tế bào chất
mRNA
tRNA
Amino acid
rRNA
Protein
Ribosome
tRNA
Design by HTV
II. CÁC MỨC ĐIỀU HÒA.
1. Điều hòa phiên mã (trans-cription)
Đây là sự điền hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen. Kiểu điều hòa này chúng ta sẽ gặp trong điều hòa trao đổi chất, cũng như các quá trình biệt hóa tế bào.
2. Điều hòa dịch mã (translation)
Sự điều hòa biểu hiện ở mức tác động lên RNA thông tin, chúng ta đã gặp trường hợp trên khi RNA thông tin bị cắt bỏ các intron và gắn các exon lại với nhau để tạo thành RNA thông tin trưởng thành. Như vậy, các hệ thống ảnh hưởng đến sự trưởng thành của RNA thông tin có thể kiểm tra gián tiếp biểu hiện của gen tương ứng. Các mRNA của Eukaryota còn có những đoạn không mã hóa liên quan tới thời gian tồn tại và việc ra khỏi nhân vào tế bào chất.
3. Điều hòa hoạt tính của protein.
Sau khi mạch polypeptide được tổng hợp nên, các protein nhiều khi chịu các biến đổi thứ cấp trước khi biểu hiện hoạt tính.
Ví dụ trypsin là enzyme phân giải protein trong dạ dày chỉ có đươc hoạt tính sau khi chất tiền thân của nó (proenzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạn polypeptide.
Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể (allosteric): sự kết hợp các enzyme với một số sản phẩm đặc biệt có thể làm thay đổi cấu trúc không gian của chúng dẫn đến mất hoạt tính.
III. ĐIỀU HOÀ Ở PROKARYOTAE
Tế bào Escherichia coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3000 loại khác nhau, trung bình mổi loci có khoảng 3000 phân tử khác nhau. Nhưng trên thực tế có lúc trong tế bào có loại phân tử protein đạt khoảng 500.000 còn các loại khác chỉ khoảng 10 phân tử. Như vậy không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng bằng nhau, và tế bào phải có những cơ chế điều hoà để tổng hợp protein tiết kiệm và hợp lý nhất.
Năm 1962, Monod, Tacob và Lwoff đã nêu ra quan niệm về operon để giải thích sự điều hoà.
Trong tế bào có những enzyme được tổng hợp đều đặn nên gọi là các enzyme cơ cấu (constitutif), các enzyme khác chỉ xuất hiện khi có mặt chất cần biến đổi nên gọi là enzyme cảm ứng (inducible). Tương ứng có 2 loại gen được phân biệt : gen cơ cấu và gen điều hoà (regulator). Các gen cơ cấu được phiên mã liên tục, các sản phẩm của chúng thường xuyên có mặt trong tế bào. Các gen được điều hoà hoạt động tuỳ điều kiện cụ thể của môi trường.
1. Kiểm tra biến dưỡng
Quá trình biến dưỡng là quá trình tổng hợp các chất cần thiết cho tế bào như quá trình tổng hợp amino acid.
Quá trình tổng hợp tryptophan bắt đầu từ chất tiền thân A (acid chorismique) trải qua 5 giai đoạn kế tiếp do 5 enzyme xúc tác. Quá trình tổng hợp 5 enzyme E1, E2, E3, E4, E5 do 5 gen nằm kề nhau điều khiển Trp1, Trp2, Trp3, Trp4, Trp5.
Ở một đầu của 5 gen cấu trúc có 2 gen nữa là gen khởi động và gen chỉ huy. Toàn bộ các gen cấu trúc, gen khởi động và chỉ huy tập hợp thành một operon.
Một gen khác, cũng là gen cấu trúc không nằm kề operon, được gọi là gen điều hòa (regulator).
Gen điều hòa thường xuyên tạo ra 1 pro được gọi là chất kìm hãm (repressor), nhưng chất này chưa có hoạt tính.
a. Trong trường hợp thiếu tryptophan, mRNA–polymerase gắn ở gen khởi động sẽ di chuyển theo chiều dài của operon, tổng hợp nên mRNA thông tin chung cho cả 5 gen. Tiếp theo cả 5 enzyme E1, E2, E3, E4, E5 được tạo thành để tổng hợp tryptophan .
b. Nếu tryptophan dư thừa tích tụ trong tế bào chất, nó sẽ như 1 chất đồng kìm hãm và gắn với chất kiềm hãm tạo nên dạng có hoạt tỉnh kìm hãm. Chất này gắn lên gen chỉ huy làm ngưng trệ phiên mã nên việc sản xuất tryptophan bị dừng. Sự điều hòa này gọi là sự điều hòa ngược.
Điều hòa tổng hợp tryptophan
Enzyme1
Enzyme 2
Enzyme 3
Enzyme 4
Enzyme 5
Chuỗi sinh tổng hợp tryptophan
Gen điều hòa
Gen điều hòa
Ribosome
Ribosome
Kìm hãm bất hoạt
RNA polymerase
Chất đồng kìm hãm tryptophan
Phức hợp chất kìm hãm-đồng kìm hãm có hoạt tính
Design by HTV
2. Kiểm tra thoái dưỡng
Trong thoái dưỡng các chất thức ăn được phân hủy dễ tạo năng lượng hoặc các chất cần thiết cho quá trình tổng hợp. Về nguyên tắc, cơ chế điều hoà giống với điều hòa biến dưỡng, chỉ khác là sự có mặt của cơ chất dẫn tới tổng hợp các enzyme phân huỷ.
Trường hợp operon lactose là ví dụ rất rõ về cơ chế điều hòa này. Thông thường tế bào vi khuẩn sử dụng đường glucose nhưng khi thiếu glucose mà có lactose, tế bào sẽ tạo các enzyme phân hủy lactose. Tế bào E.coli có 3 gen (G1, G2, G3) cấu trúc của 3 enzyme (beta–galactosidase, permease, transacetylase) xúc tác các phản ứng chu trình phân hủy lactose.
Gen điều hòa R tổng hợp chất kìm hãm là 1 protein. Khi có đường lactose trong tế bào, nó sẽ kết hợp với chất kìm hãm làm chất này mất hoạt tính. Nhờ đó, việc phiên mã các gen cấu trúc được tiến hành nhờ tổng hợp các enzyme (E1, E2, E3) biến đổi đường lactose.
Khu đường lactose biến đổi hết, chất kìm hãm được giải phóng, nó trở lại kìm hãm gen chỉ huy làm quá trình phiên mã bị đình trệ, sự tổng hợp các enyme bị ngừng.
Điều hòa phân hủy lactose:
a)không có lactose b) có lactose
a)
b)
RNA polymerase
RNA polymerase
Ribosome
Ribosome
Design by HTV
IV. SỰ BIỆT HÓA TẾ BÀO
1. Các tế bào biệt hóa chứa thông tin di truyền như nhau
Ở các sinh vật bậc cao cũng như ở người, cơ thể trưởng thành gồm nhiều tế bào khác nhau. Các tế bào này đều bắt nguồn từ một hợp tử ban đầu, nhưng quá trình biệt hóa để thực hiện các chức năng khác nhau. Tuy nhiên thực nghiệm xác định rằng số lượng nhiễm sắc thể, số lượng DNA và tỉ số A+G/G+C của các tế bào thuộc các mô khác nhau của cùng một cơ thể đều giống nhau.
Sử dụng kỹ thuật lai ADN cho thấy ADN từ những tế bào của các mô khác nhau của cùng một cá thể không bị biến đổi trong quá trình biệt hóa, chúng có thể tự hồi tính (renaturation) với nhau.
Tóm lại, số lượng ADN của các tế bào biệt hóa về căn bản giống với của hợp tử ban đầu và chứa nguyên vẹn thông tin di truyền đủ để phát triển thành cá thể nguyên vẹn.
2. Các tế bào chỉ sử dụng một phần thông tin
Phân tích sinh hóa cho thấy các tế bào thuộc các mô khác nhau có hàm lượng protein và ARN khác nhau rất nhiều.
Nhiều loại tế bào chuyên hóa tổng hợp chủ yếu một protein.Ví dụ :Tế bào cơ tổng hợp nhiều myosin,một protein quan trọng trong cơ co, hay tế bào biểu bì (epithalial) tổng hợp nhiều keratine.
Như vậy cùng chứa thông tin di truyền như nhau, nhưng mỗi tế bào biệt hóa chỉ sử dụng một phần thông tin ; tổng hợp chủ yếu một loại protein, không tổng hợp các loại khác tuy chúng có thông tin của các loại này
Sự khác nhau giữa mARN của các tế bào biệt hóa khác nhau của cùng một cơ thể cũng cho thấy thông tin chỉ sử dụng một phần.
3. Hoạt động nối tiếp của các gen trong quá trình phát triển phôi
Các trạng thái biệt hóa của tế bào đạt được nhờ hàng loạt các giai đoạn, mà trong đó các gen khác nhau hoạt động nối tiếp. Nhiều sự kiện chứng minh hoạt động nối tiếp của các gen, ví dụ; các chỗ phình (puff) trên nhiễm sắt thể khổng lồ.
Ở mỗi giai đọan phát triển, một số gen mở hoạt động, một số gen khác đóng và có sự thay đổi hoạt động của các gen trong quá trình phát triển các thể.
Chỗ phình trên nhiễm sắc thể khổng lồ
Design by HTV
4. Sự điều hòa phiên mã là căn bản trong biệt hóa tế bào
Giả thiết được chấp nhận hiện nay là trong các tế bào biệt hoá, một số gen phiên mã, một số gen khác thì không. Không có sự kiện nào mâu thuẫn với giả thuyết này và nó giải thích hợp lý hơn cả tình trang biệt hoá của các tế bào .
Việc phát triển các gen điều hoà và các gen đóng hay mở giúp hiểu được sự điều hoà quá trình phát triển cá thể và biệt hoá tế bào.
Bộ gen đơn bội của tế bào người có số lượng ADN gấp 1.000 lần so với genome vi khuẩn. Tuy nhiên, số lượng gen cấu trúc ở người chỉ gấp 10 lần so với gen cấu trúc vi khuẩn. Điều đó cho thấy rất nhiều gen ở người tham gia vào các cơ chế điều hoà.
5. Điều hoà sự phát triển phôi
Sự điều hòa ở mức phiên mã giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển phôi. Ngay lần phân chia đầu tiên của hợp tử, nếu tế bào chất phân bố không đều thì sẽ có ảnh hưởng đến quá trình biệt hóa tế bào tiếp theo. Sự phân bố các chất ở phôi mang và phôi vị không đồng đều dẫn đến sự biệt hóa. Những tín hiệu từ các tế bào lân cận cũng có ảnh hưởng đến sự biệt hoá các tế bào.
Ngoài hoạt động cuả tế bào chất ,ngay trong cấu tạo nhiễm sắt thể của sinh vật eucaryota cũng có chứa các nhân tố phân tử giữ vai trò điều hoà. Đó là các protein histone và protein acid không chứa histon. Một hỗn hợp in vitro gồm DNA, RNA-polymerase và các ribonucleoside triphosphate đang phiên mã tạo RNA, nếu thêm histon vào quá trình bị ngưng.
Có lẽ histon kìm hãm hoạt động của ADN. Nhưng hỗn hợp đã có chưá histone nói trên nếu thêm vào các protein acid thì quan sát thấy có tổng hợp ARN.
Tuy nhiên chưa rõ các protein acid là các nhân tố duy nhất xác định hoạt tính các gen hay chỉ là những yếu tố trung gian trong một chuỗi phức tạp của sự điều hoà.