Bài giảng Điều hòa hoạt động gen vi khuẩn TS. Nguyễn Trọng Hiệp

11
Mục tiêu
- Tóm lược các phương thức điều hòa hoạt động gen ở
nhân nguyên thủy
- Mô tả sự điều hòa cơ chế tế bào của vi khuẩn để đáp
ứng với các thay đổi trong môi trường sống
- Giải thích được cách thức tương tác giữa các protein
và các trình tự ADN đặc biệt và các phân tử khác trong
quá trình điều hòa hoạt động gen
TS. Nguyễn trọng Hiệp
22
 Điều khiển tốc độ của các quá trình sinh hóa bằng cách thay
đổi thuận nghòch lượng các enzym xúc tác (chất có bản chất
protein) tham gia vào các quá trình điều hòa sinh tổng hợp
protein nói chung và enym nói riêng
Mở đầu
 Hoặc là điều hòa hoạt tính của chúng trong qúa trình thực
hiện chức năng tăng hoặc giảm họat tính.

Thường gặp nhất ở TB nhân nguyên thủy (Prokaryote) ví dụ
vi khuẩn

Ở Tế bào nhân thật (Eukaryote) gồm thực vật, động vật gồm
cả 2 hướng trên
• Điều hòa hoạt động gen: biểu hiện bằng sự điều hòa trao
đổi chất bao gồm 2 hướng:
33
Enzym và
h
ọ
at hóa

enzym

Trong đa số các quá trình sinh hóa, các enzym là những chất
xúc tác các quá trình sinh học

Quá trình vận chuyển chủ động qua màng sinh học được thực
hiện bởi protein nhưng chúng đóng vai trò "nhận biết" sự vận
chuyển (translocation) cơ chất như permease (di, tri, oligopeptid).
44

ATP

Maứng ngoaứi

Periplasma

Maứng teỏ baứo chaỏt

oppB

oppC

Teỏ baứo chaỏt
oppD

oppF

ADP

oppA

oppA
Opp A,B,C,D:
oligopeptid
permease
Mụỷ ủau
55
ẹieu hoứa quaự trỡnh sao cheựp

TB nhõn nguyờn th

y cú cỏc enzym DNA polymerase I, II,
III, ligase ch

u trỏch nhi

m sao chộp DNA

TB nhõn th

t cú 5 lo

i DNA polymerase

c bi

t l

,

,

,

, v


Ngoi ra,

l

i xo

n v thỏo xo

n cú enzym helicase v
topoisomerase I, ph

c h

i d

ng siờu xo

n cú topoisomerase II
(DNA-gyrase)

Nhúm gen Dna mó húa cho 1 protein c

n thi

t cho sao chộp
(vớ d

DnaA, DnaC ngũai ra cũn cú th

k

n DnaB, DnaI,
DnaP)

cỏc gen ny ch

u s

ki

m súat D

ng v m c

a cỏc
protein

i

u hũa
6
Kiểm soát dương: là sự tích lũy chất hoạt hóa cho đến
ngưỡng đủ để khởi động một chu trình sao chép mới, cần
thiết cho sự cân bằng với việc nhân đôi của sinh khối tế

bào.
Kiểm soát âm: khi chất kiềm hãm cần được tổng hợp một
cách giới hạn tiếp ngay khi bắt đầu chu trình sao chép
trước (vì có thể là sản phẩm của gen điều hòa nằm gần vò
trí bắt đầu sao chépphiên mã theo sự sao chép)
Điều hòa quá trình sao chép
77
Khái niệm điều hòa quá trình phiên mã
Cơ chế kiểm sóat dương
(positive control): k
ích
thích s
ự
phiên mã gene
trong Operon
Cơ chế kiểm sóat âm
(negative control): ức chế
s
ự
phiên mã gene trong
Operon
Protein activator
Kiểm sóat cảm ứng, âm
Kiểm sóat cảm ứng, dương
Kiểm sóat ức chế
,
âm
Kiểm sóat ức chế, dương
Protein repressor
88

Đ
ie
à
u
ho
ø
a
qua
ù
tr
ì
nh
phiên
mã
Operon là đơn vò phiên mã bao gồm tối thiểu là vùng khởi
động (promoter) và các gen mã hóa mARN cho một hay
một vài chuỗi polypeptid và terminator
Prokaryote
Eukaryote

Một operon có thể chứa một hay nhiều vò trí điều hòa (operator)
hơn so với số promoter.
99
TTGACA
TTTTACCTCTGGCGGT
TATAAT
GGTTGC
ATGTA
5’
3'

Vùng-35
Vùng-10
Promoter
(hộp Pribnow)
Operator
Vò trí khởi đầu tổng hợp mARN
mARN
operator của λ - phage phủ lên một vùng của promoter
6.3. Điều hòa quá trình phiên mã

Promoter

Operator

Gene 1

Gene 2

Gene 3

5'

3'

ARN polymerase
R
e
p
r
e

s
s
o
r

ARN polymerase
Repressor: protein ức chế
1010
6.3.1. Kieồm soaựt caỷm ửựng, aõm
Lac Operon
G

m promoter, operator, gen c

u trỳc, terminator. Gen c

u trỳc
g

m: lacZ, lacY, v lacA.
lacZ: gen mó húa enzym

-galactosidase, m

t enzym n

i bo
ch

c n

ng chớnh l th

y phõn disaccharide lactose

glucose+
galactose. Ch

c n

ng ph

l bi

n lactose

allolactose.
lacY: gen mó húa

-galactoside permease, m

t protein
chuyờn ch

úng vai trũ b

m lactose qua mng t

bo.
lacA: gen mó húa

-galactoside transacetylase, m

t enzym
g

n nhúm acetyl t

acetyl-CoA vo

-galactosides.
Ch

lacZ v lacY cú vai trũ c

n thi

t cho vi

c chuy

n húa
lactose.
1111
Gắn vào
Allolactose


P
i

i




lac z

lac y

lac a

G enes

m RN A s

Proteins
L actose op e ron

Locus điều ho øa
của lac operon

Vò trí g ắn C AP -c AM P
Vò trí g ắn R N A polymerase

Ope rato r
locus
(lac O)
Genes cấu trúc

L a c
prom ote r

(lac p )
Tran s-
acetylase

Perme ase
β-galactosidase

?
M àn g
tế b ào

6.3.1. Kiểm soát cảm ứng, âm
Các yếu tố chính kiểm
sóat Lac Operon
Lactose
Glucose và
Galactose
Allolactose (chất cảm
ứng)
Gắn vào
lac O
Khơng có chất
cảm ứng
Repressor
Inactive
repressor
Lactose cấu trúc là

galactose-(β1->4)-
glucose, dễ chuyển thành
Allolactose là galactose-
(β1->6)-glucose.
Q cảm ứng được kích
ứng dây chuyền
1212
Promoter
Operator
Gene 1
Gene 2
Gene 3
5'
3'
ARN polymerase
Repressor
Sự phiên mã bò phong bế
Quá trình cảm ứng enzym trong Kiểm soát cảm ứng, âm

Promoter

Operator

Gene 1

Gene 2

Gene 3

5'

3'

mARN

mARN

mARN

R
e
p
r
e
s
s
o
r
I
n
d
u
c
e
ARN polymerase
Sự phiên mã 

 tiến-hành
1313
Caỷm ửựng sửù toồng hụùp enzym tr

ờn Lac operon
Allolactose
1414
Những chất cảm ứng mạnh Lac operon
• Ch
ủ
y
ế
u là có c
ấ
u trúc t
ươ
ng
đồ
ng v
ớ
i Lactose (Lactose
analogues)

Allolactose: isomer c
ủ
a lactose, c
ả
m
ứ
ng Lac operon.
Lactose c
ấ
u trúc là galactose-(
β

1->4)-glucose, trong khi
đ
ó allolactose là galactose-(
β
1->6)-glucose. Lactose có
th
ể đượ
c
đổ
i sang allolactose d
ướ
i tác
độ
ng c
ủ
a
β
-
galactosidase.

IPTG:Isopropyl-
β
-D-thio-galactoside g
ắ
n vào repressor
và b
ấ
t h
ọ
at ch

ấ
t này nh
ư
ng IPTG không ph
ả
i là c
ơ
ch
ấ
t
c
ủ
a
β
-galactosidase.

X-gal: (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-
β
-D-galactoside) là c
ơ
ch
ấ
t c
ủ
a
β
-galactosidase nh
ư
ng không b
ấ

t h
ọ
at
repressor và s
ẽ
chuy
ể
n màu xanh

H
ỗ
n h
ợ
p 2 ch
ấ
t trên c
ả
m
ứ
ng m
ạ
nh Lac operon hàng
ngàn l
ầ
n và khóm vi khu
ẩ
n s
ả
n xu
ấ

t
β
-galactosidase s
ẽ
có màu xanh.
1515
Cấu trúc những chất cảm ứng mạnh Lac operon
1616
6.3.2. Kiểm soát ức chế, âm: Tryp Operon đ
i
ề
u hòa sinh
t
ổ
ng h
ợ
p acid amin Tryptophan

Tryptophan

Aporepressor

Ức chế gốc
Repressor

Regulator genes

Các gene
5

4

1

g
5


g
4


g
1

→
g
3

Các chất chuyển
hóa gồm 5 bước
Các enzyme
e5
e4
e1

e3
Dư thừa
Trở nên chất
đồng ức chế

(corepressor)
X
X
X
17
6.3.2. Minh họ
a k
iểm soát ức chế, âm: Tryp Operon
Thiếu
Tryptophan
Dư thừa Tryptophan
= Co-repressor
1818
Kiểm sóat ức chế âm tươ
ng t
ự (Vd ứÙc chế sự tổng hợp
acid amin arginine)
Arginine dư thừa
1919
6.3.3. Điều hòa suy giảm
Leader sequence
Gen1
Gen2
Gen3
Gen4
Gen5
3' 5'
ADN
Promoter
Operator

Đoạn che phủ
Sự phân bố gen của tryptophan operon
Vùng dẫn
2020
6.3.2. Điều hòa suy giảm
Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn

XX

Tryp operon

Code for
ribosome
binding site

Transcription
pause site
A

B

C

D

Attenuator

3'

Terminator

sequence
Leader sequence

2 codon mã hóa cho
Tryptophan (UGG-UGG)
Phần mã hóa 7-uracyl
trình tự dẫn
21
6.3.2. Điều hòa suy giảm
Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn
2 codon mã hóa cho
Tryptophan (UGG-UGG)
Vùng C
Vùng A
Vùng B
Vùng D
UGA (codon stop
2222
6.3.3. Cơ chế điều hòa suy giảm
Sự chuyển dòch của ribosom trên mARN

ARN polymerase

ADN
có nghóa

Trp. operon
Ribosome

Peptid

mARN

5’
3’
5’
23
Thiếu
Tryptophan: tiếp
tục phiên mã
23
6.3.3.
Cơ
che
á
đ
ie
à
u
ho
ø
a
suy
gia
û
m
Mô hình phiên mã suy giảm của operon tryptophan E. coli
A
B
mARN

Phiên mã ngừng
D
C
5’
7u
ARN polymerase
5’
3’
ADN
(a)

A

mARN
Trình tự dẫn
5’

Gene cấu trúc tryptophan

5’

3’

ADN

D

C

B

Hướng dòch mã

Hướng phiên mã

(b)

Dư Tryptophan:
ngưng phiên mã
Peptid dẫn ngăn vùng B nối
với vùng C

C bắt cặp với D
Khi gặp codon
stop cuối vùng A,
ribosom tách ra
2424
Điều hòa suy giảm
Thiếu Tryptophan: tiếp tục phiên mã
Dư Tryptophan: ngưng phiên mã
25
Vùng dẫn của cơ chế điều hòa suy giảm trên quá trình sinh tổng hợp một
số acid amin