Di truyền học, quá trình lắp ráp và sự điều chỉnh của hệ thống quang hợp

CHƯƠNG 10: DI TRUYỀN HỌC, QUÁ
TRÌNH LẮP RÁP VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH
CỦA HỆ THỐNG QUANG HỢP
I. TỔ CHỨC GENE CỦA VI KHUẨN QUANG HỢP KỊ
KHÍ.
- Sự quang hợp của những sinh vật quang dưỡng kỵ khí được nghiên
cứu kỹ ở nhóm vi khuẩn tía.

- Tổ chức gen và sự điều chỉnh của chúng tương đối ổn định.Đây là
nhóm sinh vật quang hợp kỵ khí duy nhất được nghiên cứu rộng rãi.
- Trình tự bộ gen của những vi khuẩn tía sau đây đã được xác định rõ :
rhodobacter capsulatus, rhodobacter sphaeroides và
rhodopseudomonas palustris, vi khuẩn xanh chlorobium tepidum và
aurantiacus choloroflexus.
- Bộ máy quang hợp ở vi khuẩn tía được xác định bởi các thông tin di
truyền cần thiết, các thông tin di truyền này được nằm trong một cụm
gen quang hợp ( PGC), cụm gen này có chiều dài ~ 41-46Kb và bao
gồm các DNA nằm ở trong NST vòng của tế bào.
- Cụm gen nay mã hóa cho 38 khung đọc mở và bổ sung các thông tin
cần thiết.
- Sự sắp xếp DNA trong PGC thì :
+ 50% dùng để mã hóa cho các enzyme tham gia vào các giai
đoạn tổng hợp diệp lục

+ 18% tổng hợp carotene
+ 8% giúp cho gen cấu trúc hấp thụ ánh sáng và giúp cho trung
tâm phản ứng protein xảy ra.

+10% là dành cho các gen khác cần thiết cho sự tăng trưởng quang
hợp cộng với một vài khung đọc mở không rõ và khu vực không
mã hóa.

- Giai đoạn đầu để tổng hợp diệp lục thì phải theo thứ tự từ
protoporphyrin IX và được dùng chung cho sự tổng hợp hem.
- Các gen hem này nó mã hóa các enzyme nằm ở vị trí khác trên NST,
như là pet gen mã hóa cho các cytochrome bc
1
phức tạp, đồng thời nó
cũng dùng cho các con đường hô hấp.
- Các gen quang hợp khác (không phải là một phần của PGC) bao gồm
các gen mã hóa cho các enzyme trong chu trình calvin và các gen puc
mã hóa cho phức hệ LH
2
của anten.
- Rhodobacter capsulatus và Rhodobacter sphaeriodes là hai loài vi
khuẩn được tìm hiểu rộng rãi nhất và có cụm gen quang hợp (PGC) cơ
bản giống hệt nhau .Ở các loại vi khuẩn tía khác cũng có những biểu
hiện sắp xếp tương tự. Ở vi khuẩn G
+
Heliobacillus mobilis cũng có
cụm gen quang hợp nhưng ở vi khuẩn lục chứa lưu huỳnh và không
chứa lưu huỳnh và vi khuẩn lam thì không chứa cụm gen quang hợp.
- Ở đầu mút của một số sinh vật có cụm gen quang hợp mang thông
tin di truyền tới thưc hiện quang hợp trong khi đó ở những loài khác
thì không.
- Các loại vi khuẩn khác xếp thành nhóm thường được tìm thấy khi
các gen dịch chuyển một đoạn theo chiều ngang sang những sinh vật
khác. Mặt khác nó có thể dựa vào sự điều khiển của bộ máy quang
hợp để buộc các gen đóng trên nhiễm sắc thể.Tuy nhiên điều này
không quan trọng ở phần lớn các sinh vật khác.
- Một vài cụm gen nhỏ được dùng mã hóa cho sự tổng hợp
bacteriochlorophyll,caroten và cấu trúc protein của hệ thống quang

hóa.
- Trung tâm phản ứng L và M của các protein và các peptide α và β
của phức hệ LH
1
được chứa trong một operon gần cuối đầu 3
’
của PGC
được gọi là puf ( đơn vị quang-cố định). Đơn vị H nằm ở gần đầu kết
thúc khác của PGC và được mã hóa bởi gen puhA.
- Các gen tổng hợp bacteriochlorophyll và carotene được định vị trong
vài cụm gen ,chúng được sao chép thành các operon.
- Phức hệ anten LH
2
được mã hóa bằng puc operon, puc operon này
không thuộc PGC nhưng có khoảng 20kb được định vị trên gen puhA.
II. SỰ BIỂU HIỆN GENE VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA VI
KHUẨN QUANG HỢP MÀU TÍA.
- Vi khuẩn quang hợp tía là những sinh vật đặc biệt có khả năng biến
đổi linh họat và có thể tạo ra năng lượng bằng cách quang hợp, hô hấp
hiếu khí và kỵ khí,lên men.Để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất của
những dạng sống khác nhau, sự biểu hiện gen đóng vai trò điều chỉnh.
Các biểu hiện của bộ máy quang hợp được tiến hành dưới trạng thái
kỵ khí .Ngoài ra, giá trị thực của các trung tâm phản ứng và các cụm
ăng ten LH1 và LH2 được sửa đổi phù hợp với cường độ ánh sáng.
- Cấu tạo màng tế bào vi khuẩn tía về cơ bản là thay đổi theo biểu hiện
của bộ máy quang hợp, với sự hình thành của hệ thống màng
invaginated intracytoplasmic (Chương 6).
- Quy chế của sự biểu hiện bộ máy quang hợp được điều khiển bởi
một số mạch tương tác có ảnh hưởng đến sự phiên mã của các
operons khác nhau (Bauer và Bird, 1996; Zeilstra-Ryalls et al., 1998;

Gregor và Klug, 1999). Như là đặc trưng cho vi khuẩn, sự sắp xếp
được thực hiện chủ yếu ở cấp độ phiên mã, và nhiều, nếu không phải
là hầu hết, các gene được tổ chức tại operons của một số gen với chỉ
một ARN vận chuyển duy nhất, sau đó dịch sang protein ở ribosome.
- Trong một số trường hợp, có nhiều bản sao khác biệt.Hình thức các
bản sao đa gene chồng chéo lên nhau gọi là superoperons.Mặc dù kết
quả tổng thể của các cơ chế điều tiết gần như là giống nhau trong hai
vi khuẩn tía đã được nghiên cứu, là Rb.capsulatus và Rb.sphaeroides,
nhưng cơ chế phân tử của chúng lại khác nhau,điều đó đòi hỏi các văn
bản gốc phải được tư vấn để biết chi tiết chính xác của bất kỳ hệ thống
nào .
- Cấp độ đầu tiên của sự điều chỉnh là ức chế các biểu hiện của gene
quang hợp trong điều kiện hiếu khí . Khi có khí oxy, một chất kìm
hãm được tổng hợp để ức chế sự biểu hiện của tất cả các operons
quang hợp . Các gen mã hóa cho chất kìm hãm này là ppsR (còn gọi là
crtJ), có vị trí ở giữa của PGC. Sản phẩm gen này ức chế sự sao chép
của tất cả các operons khác trong PGC bằng cách gắn vào một chuỗi
palindrome bảo tồn. Trong điều kiện kỵ khí, sự ức chế này mất đi, và
tất cả các gen trong PGC được phiên mã đến một mức độ vừa phải.
- Cấp độ thứ hai của sự điều chỉnh là kích hoạt trung tâm phản ứng và
gen protein cấu trúc hút ánh sáng (puf, puhand PUC) trong điều kiện kỵ
khí. Điều này được quy định bởi một hệ thống tải nạp hai thành phần bao
gồm một tín hiệu kinase cảm biến membranebound (RegB) và một chất
điều chỉnh phản ứng hòa tan (Rega). Sự đáp ứng của RegB sẽ phù hợp
với lượng oxy và sau đó sẽ đến Rega họat động, trong liên kết chuyển
sang promoter ngược dòng của operon và kích hoạt phiên mã. Ngoài ra,
sự biểu hiện của cytochrome c2 và các enzym trong chu trình Calvin
cũng được quy định bởi hệ thống này. Cuối cùng, hệ thống này phải
tương thích với sự oxy hóa khử của tế bào. Các cytochrome oxidase phức
tạp cytochrome cũng có liên quan (Oh và Kaplan, 1999). Các oxygen thụ

cảm khác cũng có mặt, bao gồm thioredoxin; nhưng sự ảnh hưởng chưa
được hiểu rõ (Gregor và Klug, 1999).
- Cấp độ thứ ba của sự điều chỉnh sao chép được thể hiện trong điều kiện
ánh sáng yếu, nơi mà mức độ biểu hiện của các operons puh và puf được
tăng lên trong ánh sáng mờ (Bauer và Bird, 1996). Điều này được quy
định bởi một mạch nhạy cảm ánh sáng không được tìm hiểu kĩ ở cấp độ
phân tử ,bao gồm các sản phẩm gen hvrA và cũng có thể là cả một tế bào
nhận kích thích ánh sáng xanh dương. Cuối cùng, tỷ lệ của Trung tâm
phản ứng và các phức hệ LH1 và LH2 cũng được điều tiết bằng cường
độ ánh sáng. Hiệu ứng cũng được điều khiển bởi operon puc (Gregor và
Klug, 1999).
- Việc ánh sáng và khí oxy có ảnh hưởng đến quang hợp là hiển nhiên.
Trong điều kiện hiếu khí gần như hầu hết các gen quang hóa bị ức chế, và
nó sẽ được kích hoạt khi các tế bào trở thành kỵ khí. Trong ánh sáng lờ
mờ, những bản sao thêm vào của những thành phần quang hóa được thực
hiện, cấp độ của phù hợp của trung tâm phản ứng và phức hợp ăng-ten
cũng tốt hơn. Cấp độ khác của sự điều chỉnh đòi hỏi liên quan đến sự ổn
định mRNA và lắp ráp của các phức protein quang hóa (Hebermehl và
Klug, 1998).
III. SỰ SẮP XẾP GEN Ở VI KHUẨN LAM

- Về cơ bản thì mô hình sắp xếp và điều chỉnh gen ở vi khuẩn lam
xuất phát từ vi khuẩn tía ( không cần oxi). Vi khuẩn lam bắt buộc phải
điều chỉnh bộ gen 1 cách nhịp nhàng và sống trong 1 khu vực rộng lớn
để thực hiện việc trao đổi chất. Sự thay đổi này bắt buộc phải có sự
điều chỉnh và biểu hiện gen cho phù hợp. Nói chung, vi khuẩn lam là
1 đại diện cho cơ chế điều tiết trung gian giữa vi khuẩn tía không cần
oxi ( cao) và lục lạp ( thấp).
- Bộ gen hoàn chỉnh của Synechocystis PCC 6803 đã được xác định.
Nó là 1 bộ gen vòng gồm 3,6 triệu base cộng với vài plasmic nhỏ.

- 50 ARN tâp hợp trên gen và khoảng 3000 protein được tìm thấy,
trong đó 50% không rõ về chức năng hoặc chức năng đó chưa được
công nhận trong các cơ thể khác nhau. Như vậy, mức độ của sự bổ
sung, điều chỉnh mọi bộ gen được bộc lộ trong quá trình quang hợp ở
các cơ thể còn non. Quang hợp ở vi khuẩn nhân sơ không khác gì với
vi khuẩn tía, nó cũng gồm 1 bộ gen trong đó 50% gen chưa biết.
- Những cụm gen quang hợp ở vi khuẩn lam tương phản với vi khuẩn
tía, những gen quang hợp ở vi khuẩn lam nằm rải rác trên toàn bộ
gen, gồm cụm gen nhỏ và vài operon. Những operon này thường nhỏ
hơn các operon ở vi khuẩn tía. Ví dụ ở vi khuẩn tía những gen điển
hình tạo thành phức hợp cytochrome b
6
f là 1 operon đơn nhưng ở
Synechocystis PCC 6803 thì nó gồm 2 operon nhỏ hơn và 1 vài gen.
Hầu hết các gen thực hiện quá trình quang hợp ở vi khuẩn lam được
biểu hiện 1 cách cơ bản. Những gen điều chỉnh quá trình sao chép
chính và thực hiện quang hợp ở vi khuẩn lam có vai trò quan trọng
hơn các gen thực hiện trao đổi chất ở vi khuẩn tía. Nhận định này
được làm rõ trong quá trình quang hợp ở sinh vật nhân chuẩn, quá t
rình này phức tạp hơn, có sự điều chỉnh và phối hợp giữa 2 bộ gen
khác nhau.
- Một số trường hợp thiếu operon và cụm gen tác động thì những gen
tạo thành phức hợp protein ( các protein này neo vào màng thylakoid)
ở 1 số loài có khả năng thích nghi màu. Những cơ thể này có khả năng
thích ứng nhanh với sự thay đổi của môi trường, đó là mức độ cao của
sự điều chỉnh và năng lực biểu hiện gen phụ thuộc vào bên ngoài.
IV. HỆ GEN CỦA LỤC LẠP
- Lục lạp ở những tế bào sinh vật quang hợp nhân chuẩn thì chứa 1 hệ
gen ADN mạch vòng, nó giống như cái được tìm thấy ở vi khuẩn.
- Chắc chắn hệ gen này là cái còn lại nói về nguồn gốc phát triển của lục

lạp như vi khuẩn lam nội cộng sinh. Thuyết nội cộng sinh có nội dung
là những bào quan của tế bào sinh vật nhân chuẩn có nguồn gốc từ
những sinh vật nhân sơ Prokaryotic sống bên trong các tế bào nhân
chuẩn Eukaryotic như một sinh vật cộng sinh ở bên trong. Lục lạp tiến
hóa từ vi khuẩn lam nội cộng sinh.
- Bộ gen hoàn chỉnh được sắp xếp theo trình tự của lục lạp ở các thực
vật và 1 số ngành tảo.
- Sự nổi bật nhất là hệ gen lục lạp có kích thước nhỏ hơn hệ gen của vi
khuẩn lam cho nên nội dung di truyền cũng giảm. Sự giảm kích thước
này là những thông tin cần thiết cho việc thực hiện quang hợp đã được
chuyển vào hạt nhân.
- Kích thước của hệ gen lục lạp được sắp xếp theo trình tự từ 120 => 191
kb. Hệ gen của lục lạp ở những thực vật bậc cao thì có 50=> 80 trình tự
mã hóa bao gồm những protein cốt lõi của hệ thống quang hóa, phức hệ
cytochrome b
6
f , bộ NST của tARN và hầu hết các nguyên tố của lục lạp
được tổng hợp.
- Hầu hết các thành phần khác của protein trong lục lạp được mã hóa
bởi nhân ADN rồi đưa vào lục lạp sau đó tập hợp thành phức chất.
- Hệ gen lục lạp lớn nhất đế nay được sắp xếp theo trình tự của tảo đỏ
Porphyra purpurea, kích thước khoảng 191 kb và mã hóa cho khoảng
250 gen kể cả ARN, 200 trong số đó là gen mã hóa protein.
- Hệ gen nhỏ nhất được tìm thấy trong cây thông, kích thước 120kb và
69 gen mã hóa protein.
- Ba nhóm sinh vật có hệ gen lục lạp không điển hình là:
 Ngành trùng 2 roi, trong đó có 1 số lượng lớn những phân
đoạn nhỏ của ADN và được xem là gồm các hệ gen lục lạp.
 Thực vật kí sinh bị mất khả năng quang hợp. Lục lạp của
chúng mất các gen mã hóa protein quang hợp.

 Ký sinh trùng bao gồm sinh vật gây sốt rét, hiện tại thì chúng
không quang hợp được nhưng chắc chắn tổ tiên của chúng làm
được.
- Những sinh vật này có giữ lại 1 bộ gen lục lạp nhỏ có chức năng chủ
yếu trong việc tổng hợp axit béo.
- Một đặc tính tiêu biểu của hệ gen lục lạp là vùng đảo ngược được lặp
lại nhiều. Cấu trúc này có chức năng chưa được rõ ràng nhưng kích
thước thì khác nhau ở nhiều loại thực vật. Điều đó đã hỗ trợ cho việc
thúc đẩy sự ổn định hệ gen.
- Phần lớn những gen của lục lạp là những cistron đơn và sự phiên mã
không phải là cơ sở chính cho việc điều chỉnh hệ gen của lục lạp.
- Hệ gen của hạt nhân sẽ đươc nối tiếp ở thực vật bậc cao ( cây mutac
Arabidopsis thaliana), hiện tại thì đã hoàn tất và 1 số khác như gạo,