Bài giảng Điều hòa biểu hiện gen

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN
MỞ RỘNG

Tại sao hệ gen eukaryote lại cần
nucleosome và histone là một trong những
protein bảo thủ nhất trong tiến hóa ?
ĐINH ĐỒN LONG


Nội dung
Sự điều hòa ở prokaryote

Sự điều hòa ở Eukaryote

Tại sao hệ gen eukaryote lại cần nucleosome
và histone là một trong những protein bảo
thủ nhất trong quá trình tiến hóa?


Một số đặc điểm cấu trúc gen
- Sự biểu hiện của gen đợc kiểm soát chặt chẽ. Không phải tất cả các gen
có trong ADN của tế bào đều đợc biểu hiện. Những gen khác nhau đợc
hoạt hóa biểu hiện ở những tế bào khác nhau.

3


điều hòa gen ở prokaryote
- Sinh vật điều hòa hoạt ®éng cđa gen sao cho chØ s¶n phÈm cđa gen cần
thiết cho các chức năng của tế bào mới đợc sinh ra. Điều đó cho phép tế
bào đáp ứng lại các yêu cầu của môi trờng.

- Trong hệ gen tồn tại những gen thờng xuyên ở trạng thái họat động,
khi đợc điều khiển sự biểu hiện của gen giảm đi hoặc tắt hẳn. Những
gen này thờng là những gen mà hóa cho các loại protein tham gia vào
các quá trình trao đổi chất quan trọng (thờng xuyên diễn ra), nh các gen
mà hóa enzym tham gia quá trình đờng phân glucoza, tổng hợp các axit
amin. Những gen này đợc gọi là những gen cơ định (constitutive genes).
- Ngợc lại tồn tại những gen thờng xuyên ở trạng thái hoạt động yếu
(v.d. Lac Operon), hoặc không hoạt động. Khi có yêu cầu, sự điều khiển
làm biểu hiện của những gen này tăng lên. Những gen đó đợc gọi là
những gen kích øng (inducible genes)

4


điều hòa gen ở prokaryote
Gen c iu hũa bi:
ã Tc độ phiên mã
• Thời gian tồn tại mARN
• Tốc độ dịch mã
• Thối hóa protein

5


điều hòa gen ở prokaryote

Mô hình Lac Operon

1961: Monod v Franỗois Jacob phỏt hin ra mụ hỡnh operon khi
nghiờn cu các dòng tế bào E. coli đột biến gen sử dụng lactose.

Operon – là một đơn vị DNA mang các gen nằm liền kề với nhau được
điều khiển chung bởi một trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) và
một trình tự chỉ huy (operator), một trình tự kết thúc phiên mã
(terminator). Chúng cùng được biểu hiện đồng thời để đáp ứng sự
thay đổi của môi trường.
6


điều hòa gen ở prokaryote

ã Khỏi nim v protein d hình (allosteric protein) và
hai kiểu điều khiển operon bởi chất ức chế
Promoter

Operator

Genes

DNA
Active
repressor

Active
repressor
Tryptophan

Inactive
repressor

Inactive

repressor
Lactose
lac OPERON

trp OPERON

7


®iỊu hßa gen ë prokaryote
- Lac Operon.

8


®iỊu hßa gen ë prokaryote
- Lac Operon.
a) CÊu tróc vïng điều khiển operon Lac
Trình tự liên kết CAP

ARN polymerase liên kết và bao phủ đoạn trình tự này
mARN

5

CAACGCAATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGGCACCCCAGGCTTTACATTTATGCCTCCG GCTCGTATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCT

3

G T T G C G T T A A T T A C A C T C A A T C G A G T G A G T A A T C C G TG G GGTC C G A A A T G T A A A T A C G G A G G C C G A G C A T A C A A C A C A C C T T A A C A C T C G C C T A T T G T T A A A G T G T G T C C T T T G T C G A

-35

b) Tr×nh tù operator (O) cđa operon Lac
5’

A A T T G T G A G C G G A T A A C A A T T

3’

T T A A C A C T C G C C T A T T G T T A A

-10

+1

LacI liªn kết và bao phủ đoạn
trình tự này (operator)

2 trình tự lặp lại đảo chiều qua cặp nucleotit
11
Hình 5.5. Cấu trúc vùng điều khiển của operon Lac. a) Trình tự nucleotit và cấu trúc của
vùng điều khiển cho thấy vị trí CAP ngay phía trớc promoter, còn vị trí liên kết của protein ức
chế LacI nằm "gối" lên promoter. b) Trình tự operator (O) gồm hai đoạn trình tự lặp lại đảo
chiều, đối xứng qua cặp nucleotit số 11.

9


®iỊu hßa gen ë prokaryote

Các gen cấu trúc của Lac Operon

lac Z – mã hóa b- galactosidase

lac Y – mã hóa permease

lac A – mã hóa cho một enzym galactoside acetylase
10


®iỊu hßa gen ë prokaryote

11


®iỊu hßa gen ë prokaryote
- Lac Operon.

OPERON
Trình tự
Gen điều hịa Promoter chỉ huy
LacI

Các gen cấu trúc

ADN
mARN
Protein

ARN polymerase
không gắn được
vào promoter

Chất ức chế
hoạt động

OPERON hoạt động yếu khi khơng có lactose, hoặc có hàm lượng cao của CAP-cAMP

ADN

RNA polymerase
bound to promoter

mARN
Protein
Lactose

Chất ức chế
bất hoạt

Enzym tham gia thủy phân lactose

OPERON hoạt động mạch nhờ lactose bất hoạt chất ức chế và hàm lượng cao của CAP-cAMP

12


®iỊu hßa gen ë prokaryote
- Trp Operon.

13


điều hòa gen ở prokaryote

Các yếu tố sigma () thay thÕ
- Phần lớn gen ở prokaryote được phiên mã bởi ARN polymerase
mang yếu tố 70. Tuy vậy, nhiều gen khác được phiên mã bằng các
yếu tố  khác. Qua đó, bộ máy phiên mã được huy động đến các gen
vào các thời điểm khác nhau.
-Việc sử dụng các yếu tố  thay thế là một cơ chế “lập trình” sự biểu
hiện của gen.
Ví dụ: 32 là yếu tố hoạt động khi có tín hiệu sốc nhiệt
54 yếu tố hoạt động ở các gen chuyển hóa Nitơ
Ở B. subtilis, 70 28  n

14


điều hòa gen ở prokaryote

Qui tắc dị hình với protein
NtrC
ARN polymerase
glnA
Gen trng thỏi hot húa

Promoter

Hình 5.10. Sự hoạt hóa gen bởi NtrC. Promoter của gen glnA đợc
ARN polymerase mang yếu tố 54 nhận biết. Mặc dù không đợc minh
họa trên hình, NtrC thực tế tơng tác với tiểu phần 54 của enzym. ở
đây, NtrC đợc minh họa nh một protein d¹ng phøc kÐp (dimer), nhng
thùc tÕ d¹ng phøc cđa nó phức tạp hơn.

15


điều hòa gen ở prokaryote

Qui tắc dị hình với ADN
a)
MerT
-35

MerR

-10

Hg2+
b)

MerT
-35

MerR

-10

Hình 5.11. Sù ho¹t hãa gen bëi MerR. Các trình tự "-35" và "-10" không trực
diện với nhau trên trục của promoter. (a) Khi khơng có Hg2+, MerR liên kết vào
promoter ở dạng khơng hoạt động. (b) Khi có Hg2+, MerR vặn xoắn trục khung
ADN làm các trình tự liên ứng trở nên trực diện, đồng thời khoảng cách giữa
chúng ngắn lại, phù hợp cho sự liên kết của ARN polymerase.

16


Nội dung
Khái niệm

Một số đặc điểm cấu trúc gen

Sự điều hòa hoạt động gen ở prokaryote

Sự điều hòa gen ở Eukaryote

17


Sự điều hòa gen ở Eukaryote
Gen ca eukaryote c iu hịa bởi:
• Cấu hình NST
• Tốc độ phiên mã
• Q trình hồn thiện mARN
• Q trình vận chuyển mARN
• Thời gian tồn tại (thóai hóa) mARN
• Tốc độ dịch mã (tổng hợp protein)
• Q trình thối hóa protein

18


Sự điều hòa gen ở Eukaryote
Promoter và các trình tự điều hòa
ã Nằm ngợc dòng của vị trí khởi đầu phiên mÃ.
ã Điều khiển hoạt động của gen qua ái lực tơng tác với enzym RNA
polymerase tại trình tự khởi đầu phiên mà (ví dụ: hộp TATA).
ã Các promoter đợc hoạt hoá bởi các protein nhân tố phiên (TF).
Các TF có khả năng liên kết đặc hiệu với các trình tự điều khiển).
Cần phân biệt các TF với các IF.
ã Các promoter có thể đợc điều hoà âm tính hay d¬ng tÝnh.

19


Sự điều hòa gen ở Eukaryote
Các Enhancer
ã Có thể ở nguợc dòng hay xuôi dòng gen.
ã Các TF liên kết với các đoạn enhancer đặc hiệu; liên kết đuợc quyết
định bởi trình tự DNA.
ã Sự liên kết của TF tại enhancer thúc đẩy TF tuơng tác với TIC
(phức hệ khởi đầu phiên mÃ) và thúc đẩy sự họat động của phøc hƯ
nµy.

20