Điều hòa sự biểu hiện của gen ppsx

Điều hòa sự biểu
hiện của gen




Tổng quan
• Sự biểu hiện gen ở tế bào sơ hạch và tế bào
chân
hạch thay đổi tùy theo những biến đổi của môi
trường.
• Ở sinh vật đa bào sự biểu hiện của gen có vai
trò
trong sự biệt hóa các loại tế bào trong quá trình
phát triển.
Điều hòa sự biểu hiện gen ở vi khuẩn
• Vi khuẩn thường đáp ứng với những thay đổi
của
môi trường bằng cách điều hòa hoạt động phiên
mã
• Chỉ những gen mà sản phẩm của chúng cần
thiết
tại một thời điểm nào đó mới được biểu hiện
• Tế bào có thể kiểm soát sự tổng hợp enzyme
bằng
mối liên hệ ngược âm tính hoặc bằng sự điều
hòa
hoạt động của gen
• Sự biểu hiện gen ở vi khuẩn được kiểm soát
bởi

mô hình operon
Các nguyên lý cơ bản về Operon
• Một nhóm gen có quan hệ về chức năng có thể
chịu sự kiểm soát đồng thời: cùng “đóng” hoặc
“mở”
• Sự “đóng” hoặc “mở” cùng lúc của một nhóm
gen
do sự kiểm soát của một đoạn ADN được gọi là
vùng vận hành (operator)
• Một operon là một đoạn của ADN bao gồm
vùng
vận hành, vùng khởi động và các gen cấu trúc
do
chúng kiểm soát
• Operon có thể bị “đóng” bởi một protein gọi là
chất ức chế (repressor)
• Chất ức chế ngăn cản sự phiên mã của gen
bằng
cách gắn vào vùng vận hành, cản trở sự gắn
của
ARN polymerase vào vùng khởi động
• Chất ức chế được điều khiển tổng hợp bởi gen
điều hòa (regulatory gene)
• Chất ức chế có thể ở dạng hoạt động hoặc bất
hoạt
tùy vào sự có mặt của các phân tử khác
• Một chất đồng ức chế (corepressor ) là một
phân
tử khi phối hợp với một protein ức chế có thể
làm

opron “đóng”
Kiểm soát âm tính
• Operon cảm ứng (inducible operon):
– Bình thường không hoạt động (‘đóng”). Khi có
một phân tử gọi là chất cảm ứng (inducer) làm
bất hoạt chất ức chế gen phiên mã (“mở”)
– Lac operon là một operon cảm ứng
• Operon ức chế (repressible operon):
– Bình thường hoạt động (“mở”). Khi chất ức
chế gắn vào vùng vận hành gen ngừng
phiên mã
– Trp operon là một operon ức chế
Lac operon
• Lac operon là một operon cảm ứng, có chứa
các
gen mã hóa cho các enzyme tham gia vào
việc
thủy phân và chuyển hóa đường lactose
Môi trường không có Lactose  gen “đóng”
• Gen điều hòa  protein ức chế (dạng hoạt
động)
• Chất ức chế gắn vào vùng vận hành
 ARN polymerase không thể gắn vào vùng
khởi
động
 Các gen cấu trúc không phiên mã
Môi trường có Lactose  gen “mở”
• Lactose biến đổi allolactose (chất cảm
ứng)
• Allolactose gắn vào chất cảm ứng

 Chất ức chế gắn bị bất hoạt, không thể gắn
vào
vùng vận hành
 ARN polymerase có thể gắn vào vùng khởi
động
 Các gen cấu trúc phiên mã
Trp operon
• Trp operon là một operon ức chế, có các gen
mã hóa
cho các enzyme tham gia vào quá trình tổng
hợp
tryptophan từ acid chorismic.
Môi trường không có tryptophan → gen “mở”
• Bình thường, khi môi trường thiếu
tryptophan, trp
operon “mở” do protein ức chế (được tổng
hợp từ
gen điều hòa) ở dạng bất hoạt → các gen cấu
trúc
phiên mãi
• Khi có tryptophan, nó sẽ gắn vào protein ức
chế →
protein hoạt động → operon bị “đóng”
• Vì chất ức chế chỉ hoạt động khi có
tryptophan →
trp opẻon bị “đóng” nên tryptophan được gọi
là
chất đồng ức chế (corepressor)
• Các enzyme cảm ứng thường có vai trò
trong con

đường dị hóa; sự tổng hợp chúng được cảm
ứng
bởi một tín hiệu hóa học
• Các enzyme ức chế thường có vai trò trong
con
đường đồng hóa; sự tổng hợp chúng bị ức
chế khi
lượng sản phẩm tạo ra nhiều.
• Sự điều hòa của trp và lac operons đều là sự
kiểm
soát âm tính của gen vì các operon luôn bị
“đóng”
khi chất ức chế hoạt động
Kiểm soát dương tính
• Một số operon được kiểm soát dương tính
nhờ một
protein kích hoạt, chẳng hạn như catabolite
activator protein (CAP), một chất hoạt hóa
(activator) của sự phiên mã
• Khi glucose (một nguồn thức ăn ưa thích của
E.
coli) trong môi trường rất ít, CAP được hoạt
hóa
bằng cách gắn với AMP vòng (cyclic AMP)
• CAP đã kích hoạt sẽ gắn vào vùng hoạt hóa
(phía
trước vùng khởi động) của lac operon và làm
tăng
ái lực của RNA polymerase → tốc độ phiên
mã

• Khi lượng glucose trong môi trường tăng,
CAP
tách khỏi lac operon, và tốc độ phiên mã trở
lại
bình thường
• CAP giúp điều hòa các operon khác mã hóa
cho
các enzymes được dùng trong con đường dị
hóa
Điều hòa sự biểu hiện gen ở TB chân hạch
• Ở sinh vật đa bào, sự biểu hiện gen rất cần
cho sự
biệt hóa tế bào.
• Tất cả các tế bào trong cơ thể đều có kiểu di
truyền
giống nhau. Sự khác biệt giữa các tế bào
chính là
do sự biểu hiện khác nhau.
• Những sai sót trong sự biểu hiện gen có thể
dẫn
đến một số bệnh như ung thư
• Sự biểu hiện của gen được điều hòa ở nhiều
mức:
– Trước phiên mã
– Phiên mã
– Sau phiên mã
Điều hòa trước phiên mã
• Chủ yếu là điều hòa cấu trúc của chất nhiễm
sắc
(chromatin)

• Trong vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin)
là nơi
chất nhiễm sắc đóng xoắn chặc, các gen
thường
không biểu hiện
• Sự biến đổi hóa học của các histone và ADN
của
chromatin có ảnh hưởng đến cấu trúc của
chromatin và sự biểu hiện của gen
Sự biến đổi Histone
• Acetyl hóa histone (histone acetylation):
– nhóm acetyl được gắn vào lysine tích điện
dương trong đuôi histone → chromatin tháo
xoắn → phiên mã
• Methyl hóa (methylation) & Phosphoryl hóa:
– nhóm methyl được gắn vào chromatin. Sự
gắn
thêm nhóm phosphate gần các acid amin bị
methyl hóa sẽ làm cho chromatin tháo xoắn
Sự methyl hóa ADN
• Ở một số loài, sự gắn nhóm methyl vào các
nucleotide xác định có thể làm giảm sự phiên
mã
• Sự methyl hóa ADN có thể làm gen bất hoạt
một
thời gian dài trong sự biệt hóa tế bào
• Trong sự ghi dấu bộ gen (genomic
imprinting) sự
methyl hóa điều hòa sự biểu hiện của một số
gen

xác định nhận từ cha hoặc mẹ trong giai đoạn
đầu
của sự phát triển
Sự di truyền biểu sinh
• Mặc dù những biến đổi của chromatin vừa
được đề
cập không làm thay đổi trình tự các nucleotide
của
ADN nhưng chúng vẫn được di truyền lại cho
các
thế hệ tế bào tiếp theo
• Sự di truyền của các tính trạng do các cơ
chế
không bao gồm trình tự của nucleotide được
gọi là
sự di truyền biểu sinh hay sự di truyền hậu
thành
(epigenetic inheritance)
Điều hòa phiên mã
• Các enzyme làm biến đổi chromatin có vai
trò
kiểm soát bằng cách làm cho một vùng của
ADN
có khả năng gắn chặc hoặc lỏng lẽo với bộ
máy
phiên mã
Tổ chức của một gen tiêu biểu ở TB chân hạch
• Có quan hệ với hầu hết các gen ở TB chân
hạch là
yếu tố kiểm soát (control elements). Đây là một

đoạn ADN không mã hóa giúp điều hòa sự
phiên
mã bằng cách gắn với các protein xác định
• Yếu tố kiểm soát cùng với các protein gắn vào
có
vai trò kiểm soát chính xác sự điều hòa biểu
hiện
của gen ở những loại TB khác nhau
Vai trò của các nhân tố phiên mã
• Để khởi đầu sự phiên mã ở tế bào chân hạch,
ARN
polymerase cần được sự hỗ trợ của các protein
gọi
là nhân tố phiên mã (TF = transcription factor)
• Các nhân tố phiên mã chung cần cho sự phiên
mã
của tất cả các gen mã hóa protein
• Ở tế bào chân hạch, tốc độ phiên mã tùy thuộc
vào
sự tương tác giữa các yếu tố kiểm soát và các
nhân
tố phiên mã đặc trưng
Vùng tăng cường và các TF đặc trưng
• Các yếu tố kiểm soát gần nằm cạnh vùng khởi
động
• Các yếu tố kiểm soát từ xa, còn được gọi là
vùng
tăng cường (enhancers), nằm cách gen rất xa,
thậm chí có thể nằm trong một intron
• Chất hoạt hóa (activator) là một protein gắn

vào
vùng tăng cường và làm tăng tốc độ phiên mã
của
một gen
• Sự gắn của chất hoạt hóa làm cho các protein
điều
hòa tương tác với các protein tại vùng khởi động
Kiểm soát sau phiên mã
• Chỉ một mình sự phiên mã chưa đủ cho sự
biểu
hiện của gen
• Các cơ chế điều hòa có thể tác động vào
những
giai đoạn khác nhau sau khi phiên mã
Biến đổi ARN & phân hủy ARN
• Sau khi được phiên mã, nhiều loại mARN khác
nhau có thể được tạo ra từ cùng một bản phiên
mã
sơ cấp, tùy thuộc vào những đoạn nào của ARN
được xử lý như là các intron hay exon.
• Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, các mARN
thường bị
phân hủy. Đời sống của các ARN ở TB chân
hạch
dài hơn ở TB sơ hạch.
Kiểm soát giải mã
• Sự giải mã của một mARN có thể bị ngừng lại
do
sự gắn các protein điều hòa vào một trình tự
trên

ARN
Biến đổi và phân hủy protein
• Sau khi giải mã, việc tạo thành các loại protein
chức năng khác nhau cũng được kiểm soát
bằng
cách cắt bỏ một số đoạn hoặc thêm vào các
nhóm
chất hóa học
• Tốc độ phân hủy của các protein khác nhau
nhờ sự
kiểm soát của các phức hệ gọi là proteasome