Di truyền phân tử ( phần 1 ) Điều hoà phiên mã pptx

Di truyền phân tử ( phần 1 )
Điều hoà phiên mã - Điều hòa hoạt động gen ở nhân thật
Bình thường, một mình ARN pôhmeraza không thể liên kết được với
promoter mà chúng phải liên kết với một số prôtêin được gọi là các yếu
tố phiên mã cơ bản.
Khi có phức hợp ARN pôlimeraza - yếu tố phiên mã thì mới liên kết được
với promoter và quá trình phiên mã được diễn ra nhưng ở một mức độ rất
thấp. Người ta gọi là mức độ phiên mã cơ bản. Tuy nhiên, ở sinh vật nhân
thực nhiều khi một số gen cần phiên mã ở mức độ rất cao tạo ra một
lượng lớn sản phẩm để đáp ứng nhu cầu của tế bào cũng như với điều
kiện môi trường bên ngoài. Quá trình phiên mã ở mức độ cao như vậy
được gọi là phiên mã được kích hoạt. Làm thế nào một gen nào đó có thể
đạt được trạng thái phiên mã được.kích hoạt ? Tế bào giải quyết vấn đề
này bằng cách tổng hợp ra rất nhiều loại prôtêin đặc biệt được gọi là các
yếu tố phiên mã đặc hiệu hay các chất hoạt hoá đặc hiệu.
Nằm trước vùng promoter của các gen thường có các trình tự nuclêôtit
đặc biệt được gọi là vùng điều hoà gần kề (proximal control elememets)
và các trình tự nuclêôtit điều hoà nằm ở rất xa gen được gọi là vùng điều
hoà tầm xa (distalcontrol elements). Các trình tự nuclêôtit nằm ở xa thậm
chí hàng nghìn cặp nuclêôtit này được gọi là trình tự enhancer (trình tự
tăng cường) hoặc trình tự nuclêôtit làm nhiệm vụ bất hoạt gen (trình tự
bất hoạt- silencer). Khi những gen cần được phiên mã với tốc độ cao thì
tế bào sản sinh ra các yếu tố phiên mã đặc hiệu bám vào vùng enhancer
làm cho vùng này bị uốn cong đi và tiếp cận được với vùng promoter làm
cho tăng ái lực của promoter với ARN pôlimeraza. Ngược lại, khi một
prôtêin bất hoạt nào đó liên kết với vùng silencer thì ARN pôlimeraza
không thể liên kết được với promoter và trình phiên mã không thể xảy ra.
Làm thế nào tế bào của sinh vật nhân thực có thể đóng mở một số gen
cùng một lúc để thực hiện một chuỗi phản ứng hoá sinh nhất định ? Đối
với sinh vật nhân sơ, việc này được" thực hiện bằng cách các gen cần
được phiên mã cùng lúc được sắp xếp trong cùng một opêron có chung

một promoter. Đối với sinh vật nhân thực, mỗi gen có một promoter riêng
nên việc điều phối sự phiên mã của nhiều gen cùng lúc được thực hiện
theo nhiều cách khác nhau. Dưới đây là một vài cách điều phối phiên mã
của các gen mà các nhà khoa học đã biết :
Các gen cần phiên mã cùng lúc được sắp xếp gần nhau trên cùng một
nhiễm sắc thể. Bằng cách này, vùng nhiễm sắc thể chứa nhóm gen đó có
thể được dãn xoắn hoặc co xoắn cùng lúc khiến ARN pôlimeraza có thể
tiếp cận hay không tiếp cận được với các gen cần phiên mã.
Các gen cần phiên mã cùng nhau có thể được điều hoà phiên mã bởi cùng
một nhóm yếu tố phiên mã đặc hiệu (chất hoạt hoá hoặc chất ức chế đặc
hiệu).
Bằng cách này, các gen có thể nằm rải rác trong cùng một hệ gen vẫn có
thề được phiên mã đồng thời vì các vùng điều hoà của chúng đều được
gắn với các chất điều hoà phiên mã đặc hiệu có trong tế bào. Ví dụ, khi
hoocmôn sinh dục ơstrôgen vào trong tế bào thì nó liên kết với thụ thể
đặc hiệu trong tế bào chất tạo nên phức hợp ơstrôgen - thụ thể hoạt động
như chất hoạt hoá gen. Những gen nào nằm trong tế bào có vùng điều hoà
liên kết được với phức hợp hoocmôn thụ thể này thì gen đó sẽ được phiên
mã bất luận chúng nằm ở đâu trong tế bào. Tương tự, khi các phân tử tín
hiệu từ bên ngoài có bản chất hoá học không thuộc loại steroit thì chúng
chỉ có thể liên kết với thụ thể trên màng của tế bào đích và chúng truyền
tín hiệu vào trong tế bào làm hoạt hoá một số chất hoạt hoá phiên mã đặc
hiệu. Sau đó, những gen nào có chung vùng điều hoà có ái lực với chất
hoạt hoá phiên mã này thì chúng đồng thời được phiên mã.
Điều hoà trước phiên mã - Sinh vật nhân thực
Bình thường phần lớn các gen bên trong tế bào của cơ thể nhân thực đều
bị bất hoạt, chỉ khi nào tế bào cần đến loại sản phẩm nào thì các gen
tương ứng mới được hoạt động. Điều hoà hoạt động gen sinh vật nhân
thực đa bào phức tạp hơn nhiều so với sinh vật nhân sơ. Điều hoà hoạt
động gen có thể được thực hiện ở tất cả các mức độ : từ điều hoà trước

phiên mã, điều hoà phiên mã, điều hoà sau phiên mã, điều hoà dịch mã và
sau dịch mã.


Điều hoà trước phiên mã
ADN của sinh vật nhân thực được liên kết với rất nhiều loại prôtêin khác
nhau tạo nên chất nhiễm sắc (chromatin). Cấu trúc của chất nhiễm sắc có
thể được biến đổi theo các mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào các giai đoạn
của chu kì tế bào. Khi ở kì trung gian, những vùng nhiễm sắc thể chứa
các gen đang hoạt động thì ADN ở vùng đó dãn xoắn tối đa và chất
nhiễm sắc tại vùng đó được gọi là nguyên nhiễm sắc (euchromatin). Vùng
được gọi là dị nhiễm sắc (heterochromatin) là vùng không chứa gen hoặc
chứa các gen ở trạng thái không hoạt động vì ADN ở vùng này bị co xoắn
chặt.
Các gen của sinh vật nhân thực có thể bị bất hoạt dài hạn khi một số
nuclêôtit ở vị trí nhất định bị biến đổi bằng cách gắn thêm nhóm CH
3
vào
gốc xitôzin khi ADN được nhân đôi và người ta gọi hiện tượng đó là
mêtyl hoá. Khi vùng nhiễm sắc được mêtyl hoá thì ADN bị co xoắn chặt
lại và gen không thể phiên mã được.
Bằng thực nghiệm, người ta đã chuyển các gen đang hoạt động vào cùng
dị nhiễm sắc thì các gen này lại trở nên bất hoạt. Một trong hai nhiễm sắc
thể X của nữ giới và của động vật có vú bị bất hoạt cũng bằng cơ chế này.
Khi vùng nhiễm sắc thể đã bị mêtyl hoá thì trạng thái này được di truyền
từ tế bào này sang tế bào khác.
Mêtyl hoá đóng vai trò quan trọng trong quá trình biệt hoá tế bào (ở các
mô nhất định, hầu hết các gen trong hệ gen bị đóng và chỉ một số gen
nhất định hoạt động vào thời điểm nhất định). Trong quá trình hình thành
tế bào tinh trùng và trứng ở người cũng như ở các loài động vật có vú

khác, một số gen nhất định ở trứng bị bất hoạt bằng cách mêtyl hoá trong
các gen tương ứng trong tinh trùng lại không bị bất hoạt hoặc ngược lại
một số gen ở tinh trùng bị bất hoạt trong khi đó các gen tương ứng trong
tế bào trứng lại vẫn hoạt động. Cách thức bất hoạt các nhóm gen khác
nhau ở tế bào trứng và tế bào tinh trùng của cùng một loài như vậy được
gọi in vết hệ gen (genomic tmprinting). Điều này giúp giải thích tại sao
hợp tử, ví dụ ở người, chỉ phát triển thành cơ thể bình thường nếu chứa cả
nhân của tinh trùng và nhân của trứng. Nếu tế bào trứng chứa 2 bộ nhiễm
sắc thể đơn bội của cùng một giới thì hợp tử không phát triển được thành
cơ thể.
Gen có thể được hoạt hoá hay bất hoạt bằng cách axêtin hoá hoặc khử
axêtin : Axêtin hoá là hiện tượng gắn thêm nhóm – COCH
3
vào gốc lizin
tại đầu N của prôtêin histôn cấu tạo nên nuclêôxôm. Còn hiện tượng khử
axêtin là hiện tượng loại nhóm - COCH
3
ra khỏi prôtêin histôn. Khi
COCH
3
được gắn vào gốc lizin sẽ làm trung hoà điện tích dương của nó
và do vậy lizin không thể liên kết được với các nuclêôxôm khác làm cho
ADN được dãn xoắn và promoter của gen tiếp xúc được với ARN
pôlimeraza nên phiên mã có thể được thực hiện.
Ở một số tế bào, một số gen nhất định có thể được lặp lại nhiều lần làm
tăng số lượng bản sao, do vậy làm tăng sản phẩm của gen để đáp ứng nhu
cầu của tế bào. Đối với một số mô, thậm chí toàn bộ hệ gen được nhân
lên nhiều lần nhưng không kèm theo phân chia tế bào chất (hiện tượng
nội nguyên phân). Ví dụ, ở tế bào tuyến nước bọt của ấu trùng ruồi giấm,
hiện tượng nội nguyên phân đã tạo nên bộ nhiễm sắc thể đa sợi hay còn

gọi là bộ nhiễm sắc thể khổng lồ với hệ gen lưỡng bội được tăng lên tới
10 lần so với bình thường (2n).
Operon Lac và điều hoà dương tính
Khi trong môi trường vừa có đường lactôzơ vừa có đường glucôzơ, thì
opêron Lac cũng không thể hoạt động được vì tế bào ưu tiên sử dụng
đường glucôzơ trước theo kiểu ' hết nạc mới' vạc đến xương" vì việc phân
giải glucôzơ ít tốn kém năng lượng hơn. Vậy làm thế nào tế bào thực hiện
được điều này ?


Khi tế bào phân giải đường glucôzơ thì chính sản phẩm của quá trình dị
hoá đường này ức chế opêron Lac làm cho nó không thể hoạt động được.
Sản phẩm của quá trình phân giải đường glucôzơ tác động trực tiếp làm
thay đổi nồng độ chất AMP vòng (viết tắt theo tiếng Anh là cAMP). Khi
nồng độ glucôzơ trong tế bào tăng thì nồng độ AMP trong tế bào giảm và
ngược lại, khi glucôzơ trong tế, bào bị phân giải thì nồng độ CAMP trong
tế bào lại cao. Nồng độ CAMP cao trong tế bào là cần thiết để hoạt hoá
opêron Lac. cAMP giúp hoạt hoá opêron Lac bằng cách nó liên kết với
một chất được gọi là prôtêin hoạt hoá sản phẩm dị hoá (CAP) làm cho
cấu hình của CAP được biến đổi và do đó có thể liên kết được với
promoter. Phức hợp cAMP-CAP liên kết với một vùng đặc hiệu trên phía
đầu promoter của opêron Lac và nhờ đó làm tăng ái lực của enzim ARN
pôlimeraza với promoter (liên kết với promoter thường xuyên hơn) và
quá trình phiên mã được tăng cường. Vì vậy, CAP chính là một loại chất
hoạt hoá gen (hoạt hoá phiên mã).
Khi nồng độ gluôzơ trong môi trường tăng lên thì nồng độ cAMP trong tế
bào iảm đi và khi không có cAMP lên kết với CAP thì nó không thể liên
kết được với promoter của opêron Lac và ơpêron này không thể phiên mã
được hoặc phiên mã rất ít, Như vây có thể nói ơpêron Lac vừa chịu sự
điều hoà âm tính vừa chịu sự điều hoà dương tính. Opêron Lac chỉ có thể

hoạt động khi prôtêin ức chế bị bất hoạt không có khả năng liên kết được
với operator tuy nhiên điều này là chưa đủ vì nếu không có CAP liên kết
với promoter thì tốc độ phiên mã xảy ra rất thấp.
Tốc độ phiên mã chỉ được tăng cường tới mức cần thiết khi prôtêin hoạt
hoá liên kết được với promoter. Ta có thể ví prôtêin ức chế khi bị bất hoạt
giống như ta bật nút (on/off) chiếc đài radio còn prôtêin hoạt hoá khi liên
kết với promoter giống như khi ta vặn tăng nút âm thanh choài (nút
volume)
Nucleoprotein
1. Nucleohiston và nucleoprotamin
ARN và ADN thường thấy trong tự nhiên (ở động vật, thực vật cũng như
virut) dưới dạng kết hợp với protein.
- Protein đặc biệt quan trọng là histon: tính chất kiềm, trọng lượng phân
tử nhỏ. Histon tự do có cấu trúc xoắn anpha và hình như cấu trúc
này được duy trì trong nucleohiston.

Gần đây một số tác giải đã chứng minh rằng nưcleohiston chiết suất từ
mầm đậu chứa ARN gắn với protein bằng liên kết đồng hoá trị - Phức
hợp ARN - histon chứa 8% ARN và 92% protein.
- Trong các tế bào sinh tinh đã trưởng thành của nhiều họ có
ADN được gắn không phải với hislon, mà với protamin, protamin là
protein có tính kiềm mạnh, cũng như histon, có tỷ lệ arginin cao. Tuy
nhiên chúng có kích thước không đồng đều và nhỏ hơn, hình như chúng
có mang tính chất đặc hiệu chủng loại.
2. Nucleoproteid của virus
Virut là một ví dụ điển hình về các loại nucleoproteid đồng nhất và tự trị.
Ba đặc điểm của virut là: trong tế bào dinh dưỡng của vật chủ chúng thể
hiện sự có mặt của chúng qua các hiện tượng sau :
- Tự sinh sản
- Gây hội chứng bệnh

- Khả năng biến dị
Nhờ tính chất thứ 3 mà virus trở thành nguyên liệu quí để nghiên
cứu về di truyền.
Như vậy kết hợp chặt chẽ với vật chủ mà virus biểu hiện tất cả mọi đặc
tính của sự sống. Rất nhiều virus đã được tách ra tinh khiết. viriot đơn
giản nhất về mặt hoá học là gồm có protein và acid nucleic. Protein có
trong tất cả mọi virus (từ 33 đến 99%) bao bọc xung quanh acid nucleic,
làm nhiệm vụ che chở cho acid nucleic.
2.1. Virut vi khuẩn (thực khuẩn bào)
Thường rất lớn, acid nucleic của chúng thường là ADN xoắn đôi đều,
nằm trong một cái "đấu' kết tinh nhiều mặt đối xứng, gồm nhiều
đơn vị nhỏ protein rất giống nhau, có trọng lượng phân tử 2.10
4
.
Thường chúng có một cái 'muối" dễ uốn đùng làm cơ quan gắn và chích.
Cái đuôi này có thể gồm nhiều thành phần, chức phận và cấu trúc khác
nhau nên số protein trong vửus cũng rất lớn.
2.2. Virut động vật: Có thể chứa ARN hoặc ADN
- Virus ARN thấy ở bào tương, vừus ADN trong nhân tế bào chủ, các
điển hình như: + virut gây bại liệt và virus cocksackie là những
nucleoproteit đơn giản đa diện, giống như virus thực vật.
+ Virus gây viêm não và virus gây cúm chứa ARN cùng một phân tử
lượng nhỏ, nhưng phân tử của nó đa diện và khá lớn, vì ngoài
nucleoprotein còn có lipid và polysacant.
+ Đặc biệt nhóm đáng chú ý là reo virus có ARN vòng xoắn đôi bổ sung
với trọng lượng phân tử cao và gần giống ADN. virut chứa ADN: virus
gây bệnh mụn rộp (herpes), bệnh đậu gà, bệnh quai bị, sởi, thuỷ đậu
psitlacosis, dại, polima