Tiểu luận môn Sinh Học Phân Tử ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
.…   ……
TIỂU LUẬN
ĐỀ TÀI
ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN
Giảng viên hướng dẫn: Học viên thực hiện:
PGS.TS. Nguyễn Bá Lộc Trần Đình Nam
1
Lớp PPDHSH K22
Huế, 1/2014.
2
A - Mở đầu
Như chúng ta đã biết ba quá trình thiết yếu cho sự tồn tại của tế bào, đó là: tái bản,
sao mã và dịch mã. Tuy nhiên, tế bào không thể tồn tại độc lập với môi trường chung
quanh. Tuy nhiên trong bất kỳ tế bào nào, tất cả các gen đều không hoạt động đồng thời.
Ví dụ, tế bào E.Coli có khoảng 10
7
phân tử protein gồm 3000 loại khác nhau. Như vậy,
trung bình mỗi loại có khoảng 3000 phân tử. Nhưng thực tế, có những lúc trong tế bào có
loại protein đạt đến khoảng 500.000 phân tử, còn loại khác chỉ khoảng 10 phân tử. Như
vậy, không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng như nhau, đồng thời tế
bào không thể tồn tại độc lập với môi trường chung quanh, do đó sẽ nảy sinh một vấn đề
quan trọng: Tế bào điều chỉnh hoạt động của mình như thế nào cho phù hợp với các biến
đổi của môi trường bên ngoài cũng như đảm bảo tính ổn đinh bên trong tế bào để có thể
tồn tại và thích ứng? Đó chính là vấn đề tôi xin được đề cập qua bài tiểu luận “Điều hòa
biểu hiện gen”
3
B - Nội dung
I. Mục đích của việc điều hòa biểu hiện gen:
Biểu hiện gen (thuật ngữ tiếng Anh: gene expression hay expression), ám chỉ mọi

quá trình liên quan đến việc chuyển đổi thông tin di truyền chứa trong gen (gen là một
đoạn/chuỗi ADN) để chuyển thành các axít amin (hay protein) (mỗi loại protein sẽ thể
hiện một cấu trúc và chức năng riêng của tế bào). Tuy nhiên, cũng tồn tại các gen không
mã hóa cho protein (ví dụ: gen rARN, gen tARN).
Sự biểu hiện của các gen chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hoà. Các cơ chế
này đóng vai trò quan trọng cho các hoạt động sống, đáp lại những biến đổi môi trường
bên trong và bên ngoài cơ thể. Không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số
lượng giống nhau và tế bào phải có cơ chế điều hòa để tổng hợp protein hợp lý và tiết
kiệm nhất. Ví dụ. một số gen hoạt động liên tục trong suốt quá trình sống, ví dụ như
hemoglobin của máu; có loại chỉ được tổng hợp trong một giai đoạn nhất định nào đó
trong chu trình sống, ví dụ như hormone sinh trưởng, hormone sinh sản, Như vậy, một
số gen sẽ hoạt động nhiều hơn, thường xuyên hơn, một số khác chỉ hoạt động ở những
giai đoạn nhất định hoặc trong những điều kiện nhất định của chu trình sống.
Sự điều hoà biểu hiện gen ở nhân sơ và ở nhân thực có những nét khác nhau
nhưng đều diễn ra ở cả ba giai đoạn
- Điều hoà phiên mã.
- Điều hoà dịch mã.
- Điều hoà bài tiết protein.
II. Các hiện tượng điều hòa:
Để duy trì nội cân bằng (homeostasis) và sự phát triển của cơ thể các sinh vật đã
có các cơ chế điều hòa khác nhau. Các kiểu điều hòa đều bắt nguồn từ sự biểu hiện của
các gen.
4
1. Điều hòa thích nghi :
Một số amip (ameba) biểu hiện sự thay đổi hình thái và sinh lý đặc biệt để đáp lại
các điều kiện môi trường khác nhau. Khi các amip được cho vào nước, chúng chuyển từ
dạng amip sang dạng có lông để bơi. Khi môi trường thiếu dinh dưỡng chúng có thể
chuyển thành các dạng tương tự như biểu bì.
Vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng tối thiểu có khả năng tổng hợp amino acid.
Nhưng khi bổ sung amino acid vào môi trường nuôi, vi khuẩn sẽ ngừng tổng hợp amino

acid. Lúc nguồn amino acid từ ngoài bổ sung vào đã hết, tế bào vi khuẩn lại tự tổng hợp
lại amino acid cho bản thân.
Các biến đổi nêu trên là thuận nghịch, chứng tỏ sự thay đổi chức năng ở đây
không phải do biến dị di truyền. Các hiện tượng trên còn cho thấy việc xuất hiện hay biến
mất các cấu trúc mới không làm ảnh hưởng đến tiềm năng di truyền sẵn có. Có thể cho
rằng, có trường hợp một số gen hoạt động, nhưng cũng có trường hợp một số gen ngừng
biểu hiện. Các hiện tượng được đề cập trên đều do cơ chế điều hòa thích nghi (adaptive
regulation) chi phối.
2. Hoạt động nối tiếp của các gen
Khi bacteriophage xâm nhiễm vi khuẩn, ADN của nó lúc đầu sẽ tái bản, sau đó các
protein khác nhau mới được tổng hợp nên để tạo thành vỏ. Như vậy, có các gen “sớm”
tạo ra enzyme tái bản ADN và các gen “muộn” xác định các thành phần vỏ protein. Điều
đó chứng tỏ có cơ chế điều hòa chức năng của gen diễn ra theo một trình tự nghiêm ngặt.
Đây là kiểu điều hòa nối tiếp (sequential regulation). Hoạt động nối tiếp của các gen còn
thể hiện rõ trong quá trình phát triển cá thể của các sinh vật eukaryote đa bào.
5
3. Biệt hóa tế bào
Nhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiều tỷ tế bào bắt nguồn từ một hợp
tử do phân chia nguyên nhiễm. Từ một hợp tử ban đầu đến khi trưởng thành, cơ thể người
có khoảng 200 loại tế bào khác nhau. Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin
của mình. Quá trình chuyên môn hóa chức năng của tế bào được gọi là sự biệt hóa hay
phân hóa (differentiation).
Tuy có sự biệt hóa, nhưng tế bào vẫn giữ nguyên vẹn khả năng di truyền của mình.
Một ví dụ rất rõ là nuôi cấy mô tế bào thực vật (plant tisue and cell culture): người ta có
thể nuôi cấy một phần mô phân sinh trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp cho đến khi
chúng phát triển thành cây in vitro hoàn chỉnh (plantlet), các cây này sau đó được đưa ra
trồng trong điều kiện tự nhiên và đã ra hoa kết quả.
III . Các mức độ điều hòa:
1. Mức độ chất nhiễm sắc
Ngay trên chất nhiễm sắc có thể thực hiện các kiểu sau:

- ADNse cắt một số vùng trên genome làm tháo xoắn để các gen biểu hiện. Hai
vùng được lưu ý đó là các vùng nhạy cảm (sensible) và siêu nhạy cảm (hypersensible).
- Các vùng nhạy cảm có liên quan đến các gen có hoạt tính cao và những gen đã
qua biểu hiện rồi (như các gen hoạt động ở phôi). Các vùng siêu nhạy cảm liên quan đến
các gen có hoạt tính rất cao (như các gen histone).
- ADN Z (ADN trái) là dạng cấu trúc siêu xoắn có thể liên quan đến đóng mở gen.
- Methyl hóa các base. Ở các prokaryote sự methyl hóa có thể thực hiện đối với A
và C, còn ở eukaryote sự methyl hóa chỉ thực hiện với C vị trí thứ 5. Methyl hóa làm gen
ngừng hoạt động.
6
Ví dụ: nhiễm sắc thể X bất hoạt ở người thuộc loại siêu methyl hóa. Nói chung, sự
thay đổi cấu hình (reconfiguration) có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen.
2. Mức độ phiên mã
Đây là sự điều hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen. Kiểu điều
hòa này thường gặp trong điều hòa trao đổi chất, cũng như các quá trình biệt hóa tế bào.
- Sự tác động của các trình tự cis (gần kề, liền kề) nằm trên cùng mạch ADN như
enhancer (vùng tăng cường) làm tăng sự phiên mã.
- Điều hòa bởi các nhân tố trans (cách quãng, từ xa) do các nhân tố không nằm
cùng trên một mạch ADN.
- Chọn lựa promoter thích hợp.
- Sự suy yếu/suy thoái.
3. Mức độ hậu phiên mã
Sự điều hòa có thể biểu hiện ở mức tác động lên mARN, chúng ta đã gặp trường
hợp trên khi mARN bị cắt bỏ các intron và gắn các exon lại với nhau để tạo thành mARN
hoàn chỉnh (ARN processing). Như vậy, các hệ thống ảnh hưởng đến sự hoàn chỉnh của
mARN có thể kiểm tra gián tiếp biểu hiện của gen tương ứng. Các mARN của eukaryote
còn có những đoạn không mã hóa liên quan tới thời gian tồn tại và ra khỏi nhân vào tế
bào chất.
- Splicing khác nhau.
- Điểm polyadenine hóa khác nhau (polyadenylation).

- Đột biến trên phân tử mARN.
7
- Bán chu kỳ phân hủy của mARN.
- Sự bảo tồn các ARN trong tế bào.
4. Mức độ dịch mã
Sự biến đổi của các nhân tố khởi đầu IF (inititation factor). Là các protein kết hợp
với tiểu đơn vị của ribosome vào giai đoạn khởi động của quá trình dịch mã.
5. Mức độ hậu dịch mã
Ở đây có sự điều hòa hoạt tính của protein. Sau khi mạch polypeptide được tổng
hợp, các protein nhiều khi phải trải qua các biến đổi thứ cấp trước khi biểu hiện hoạt tính
(chức năng). Ví dụ: trypsin là enzyme phân giải protein trong dạ dày chỉ có được hoạt
tính sau khi chất tiền thân của nó (pro-enzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạn
polypeptide.
Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể như sự kết hợp các enzyme với một
số sản phẩm đặc biệt có thể làm thay đổi cấu trúc không gian của chúng dẫn đến mất hoạt
tính.
- Các quá trình glycosylation, phosphorylation… tức là gắn thêm các nhóm chất
như đường, phosphor… để protein có hoạt tính/chức năng sinh học.
- Peptide tín hiệu là đoạn gồm khoảng 20 amino acid nằm gần phía đầu N của
polypeptide, có vai trò gắn polypeptide và ribosome đang tổng hợp mạch này với mạng
lưới nội sinh chất. Trong bộ máy Golgi, polypeptide được phóng thích ra ngoài.
- Sự phóng thích ra protein có chức năng sinh học từ một phức hợp, như từ pro-
insulin thành insulin.
8
I V . Sơ lược về điều hòa biểu hiện gen ở P rokaryote v à E ukaryote:
Có sự khác nhau đáng kể giữa Prokaryote và Eukaryote trong điều hòa biểu hiện
của gen.
Prokaryote là những cơ thể đơn bào sống tự do, sinh trưởng và phân chia trong
điều kiện thích hợp và được cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng. Do đó mục đích của sự
điều hòa biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các tác nhân dinh

dưỡng và lý hóa của môi trường, đảm bảo được hai yêu cầu chính của tế bào là sinh
trưởng và sinh sản. Sự điều hòa ở đây rất linh động và có tính thuận nghịch.
Khác với prokaryote, eukaryote là những cơ thể đa bào. Trong cơ thể đang phát
triển, một tế bào không chỉ sinh trưởng và phân chia mà tế bào thế hệ sau trải qua những
thay đổi quan trọng về hình thái và hóa sinh và duy trì trạng thái biến đổi của nó. Hơn
nữa trong quá trình phát triển phôi, tế bào eukaryote ít chịu ảnh hưởng của môi trường
hơn so với vi khuẩn. Cuối cùng, ở cơ thể trưởng thành, sự sinh trưởng và phân chia tế bào
của hầu hết các loại tế bào bị ngừng, mỗi tế bào chỉ phải duy trì các tính chất riêng biệt
của nó. Sự điều hòa ở eukaryote hướng đến việc chuyên biệt hóa từng loại tế bào vào
từng cấu trúc và chức năng riêng và vì thế không mang tính thuận nghịch.
Các tế bào eukaryote có cấu tạo phức tạp hơn nhiều nên cơ chế điều hòa cũng
phức tạp hơn prokaryote.
Ba thành phần chính của sự điều hòa biểu hiện gen là:
- Tín hiệu gây ra đáp ứng làm thay đổi biểu hiện gen
- Giai đoạn được thực hiện sự điều hòa trong quá trình từ tái bản đến dịch mã
- Cơ chế phân tử của sự điều hòa biểu hiện gen
V. Điều hòa biểu hiện gen ở Prokaryote:
1. Sự biểu hiện gen ở Prokaryote:
Bộ máy di truyền của sinh vật prokaryote là một ADN mạch vòng chứa một số
lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất (Hình 1).
9
Chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào. Vì thế, hoạt động của các gen được
điều hòa do các nhu cầu của tế bào khi cần thiết. Tác động của các nhân tố môi trường
làm những gen tương ứng được mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu
quả ngược làm dừng lại.
Hình 1: Sự biểu hiện gen ở Prokaryote
2. Điều hòa biểu hiện gen ở Prokaryote
2.1. Điều hòa ở giai đoạn phiên mã:
Các gen được phiên mã tạo ARN, được gọi là các gen cấu trúc. Các protein được
dịch mã từ mARN có thể là enzyme hoặc không phải enzyme. Trong số các protein

không phải enzyme có các protein điều hòa (regulatory protein), chúng tương tác với các
10
trình tự ADN đặc hiệu để kiểm soát hoạt tính phiên mã của các gen cấu trúc. Các gen
tổng hợp các protein điều hòa được gọi là các gen điều hòa (regulatory gen). Phía trước
mỗi gen cấu trúc (hoặc một nhóm gen) có một trình tự promoter, nơi ARN polymerase
nhận biết (Hình 8.3). Cơ chế điều hòa ở Prokaryote chủ yếu được thực hiện thông qua
operon. Đây là khái niệm chỉ tồn tại ở prokaryote.
Hình 2: Phương thức chung điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote
Ta sẽ nghiên cứu tiếp tục:
- Sự cảm ứng (Induction) tức bằng cách nào sự tổng hợp protein được bắt đầu
- Sự kìm hãm (repression) tức bằng cách nào sự tổng hợp protein phải dừng lại.
11
2.1.1. Sự cảm ứng (ví dụ: operon lactose)
2.1.1.1 Cấu trúc operon lactose:
Khái niệm operon. Năm 1965, J.Monod và E.Jacob đưa ra khái niệm
operon: operon là một đoạn ADN, trên đó có một nhóm gen hoạt động phối hợp với nhau
để điều hoà sự tổng hợp một nhóm protein.
Cấu trúc của operon lactose tương đối đơn giản, đó là một đoạn ADN có chứa 3
gen cấu trúc (structural gene) mã hóa 3 loại enzim cần thiết của trực khuần coli để sử
dụng lactose là β-galactosidase (Z), permease (Y) và transacetylase (A). Ngoài gen cấu
trúc trên, operon lactose còn chứa:
Gen khởi động hay vị trí khởi động ( promoter site) ký hiệu là P:
Thực chất của khởi sự phiên mã là quan hệ trực tiếp giữa ARN polymerase và
promoter. Khi ARN polymerase gắn vào promoter, nó sẽ phiên mã tạo phân tử ARN.
Phần lớn promoter ở E. oli về căn bản có cùng cấu trúc:
Nếu base đầu tiên được phiên mã thành ARNm (luôn là purine, thường là adenine)
được đánh số +1, thì tất cả các base phía 5’ hay “phía trước” so với nó không được phiên
mã là số trừ (-). Ngay phía trước +1 có 6 base thường với trình tự TATAAT ở xung
quanh - 10, và trình tự TTGACA (trình tự liên ứng - consensus sequence) ở xung quanh -
35. Cả hai trình tự phối hợp nhau cho phép ARN polymerase gắn vào và khởi sự dịch mã,

trình tự - 35 tạo điều kiện đầu tiên cho việc gắn vào.
12
Gen chỉ huy (operator gene) ký hiệu là O
Nằm giữa gen P và gen cấu trúc đầu tiên của operon,, nơi mà protein ức chế gắn
vào. Việc gắn protein ức chế lên operator ngăn cản sự phiên mã của tất cả các gen cấu
trúc trên cùng một operon.
Gen điều hòa (regulatory gene), gọi là gen I. Gen I mã hóa 1 protein có tên là
chất kìm hãm.
Chất kìm hãm của operon lactose là một protein gồm 4 tiểu đơn vị giống nhau,
mỗi tiểu đơn vị có một ví trí dành cho chất cảm ứng.
Mỗi gen cấu trúc mã hoá một prôtêin Sự kiểm soát như vậy đối với với gen gọi là
kiểm soát âm. Các operon của vi khuẩn thường tạo ra các ARNm đa gen, nhưng ARNm
của Eukaryote chỉ một gen.
Các protein cần thiết cho biểu hiện gen được gọi là chất hoạt hóa. Chúng có thể
gắn với các điểm khởi sự nằm bên trong của promoter của operon hay điểm tăng cường
hoặc có thể gắn ở những trình tự xa operon. Việc gắn của protein điều hòa vào điểm khởi
đầu (initiator) hay enhancer, kích thích sự phiên mã của các gen cấu trúc, được gọi là cơ
chế kiểm soát dương. Sự kích thích để các gen điều hòa phản ứng có thể là từ các phân tử
tương đối nhỏ như đường, amino acid đến các phân tử lớn hơn như các phức hợp
hormone steroid và các protein thụ thể (receptor).
Chất làm cho gen phiên mã được gọi là chất cảm ứng, có tác động ngược với chất
kìm hãm. Các gen cảm ứng thường tham gia vào các phản ứng thoái dưỡng (catabolic
reaction), như phân hủy các polysaccharide thành đường đơn. Các gen ức chế thường
tham gia vào các phản ứng biến dưỡng thực hiện việc tổng hợp các chất như amino acid
từ các tiền chất đơn giản hơn.
13
2.1.1.2. Hoạt động của operon lactose:
Hoạt động của một operon phụ thuộc vào một vùng của ADN là gen O, Gen O lien
kết với những gen mà nó kiểm soát sự phiên mã, tác dụng tương tác với một gen điều
hòa. Nếu phân tử này lag chất kìm hãm, thì chất kìm hãm sẽ kết hợp với gen O để làm

dừng lại sự tổng hợp ARNm. Nếu là chất hoạt hóa, chất hoạt hóa sẽ kết hợp với gen O và
sẽ kích thích sự khởi động tổng hợp ARNm bởi ARN polymerase. ARNm được bắt đầu
tổng hợp ở vị trí P, vị trí này chứa một trình tự đặc biệt gọi là hộp Pribnow.
- Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi có mặt glucose (a)
Tế bào có xu hướng sử dụng glucose hơn là lactose để làm nguồn carbon vì
glucose được biến dưỡng trực tiếp cung cấp carbon và tạo năng lượng. Các enzyme biến
dưỡng glucose thuộc loại cấu trúc và tế bào tăng trưởng tối đa với nguồn glucose. Khi có
mặt glucose, ba gen cấu trúc mã hóa ba enzim có chức năng sử dụng lactose không hoạt
động (tức không biểu hiện), trong điều kiện này, v khuẩn không cần tổng hợp những
enzim để sử dụng lactose.
Gen điều hòa của operon thường xuyên tổng hợp protein kìm hãm (repressor
protein) ở mức độ thấp, vì nó có promoter ít hiệu quả. Sự tổng hợp các protein này bị tác
động do nồng độ lactose trong tế bào. Ngược lại, promoter bình thường của operon lac
gắn với ARN polymerase rất có hiệu quả.
Khi không có đường lactose, gen điều hòa – gen I mã hóa một protein điều hòa
hoạt động (active regulator protein) còn gọi là protein kìm hãm gắn vào promoter hay
“đọc” trình tự operator vì protein kìm hãm chiếm đoạn này. Như vậy, sự phiên mã của tất
cả các gen cấu trúc của operon lac bị dừng.
Bản thân gen điều hòa I chỉ có một promoter (Pi) và gen cấu trúc của protein kìm
hãm. Promoter này yếu, khi các protein kìm hãm có số lượng lớn, nó bị các protein này
gắn vào làm dừng phiên mã
14
Hình 3: Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi không có lactose
- Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi có mặt lactose (b)
Trong trường hợp này, môi trường nuôi cấy không có glucose mà là lactose. Vi
khuẩn nếu muốn tồn tại, sẽ phải sử dung lactose. Chính vì lý do đó, vi khuẩn phải tổng
hợp những enzim có thể thủy phân lactose thành glucose và galactose.
Nói them một vấn đề nữa về β – galactosidase. β – galactosidase là enzyme có
chức năng đôi. Chức năng đầu tiên của nó là thoái dưỡng lactose thành glucose và
galactose. Chức năng thứ hai của nó là chuyển liên kết 1 - 4 của glucose và galactose

thành liên kết 1 - 5 của allolactose. Bình thường enzyme này không hiện diện ở nồng độ
cao trong tế bào, khi vắng mặt lactose trong môi trường. Ngay sau khi cho lactose vào
môi trường nuôi khi không có glucose, enzyme này bắt đầu được tạo ra. Sự vận chuyển
lactose xuyên qua màng tế bào có hiệu quả nhờ protein vận chuyển galactoside permease.
Khi vào trong tế bào, một số lactose (liên kết β-1,4) được chuyển thành allolactose
(liên kết β-1,6) nhờ β-galactosidase. Allolactose là chất cảm ứng, nó gắn vào protein kìm
hãm và gây biến đổi cấu hình tạo phức hợp allolactose - repressor. Phức hợp này mất khả
năng gắn operator. Lúc này operon được mở, ARN polymerase bắt đầu phiên mã các gen
cấu trúc.
15
Hình 4: Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi có lactose
Tóm lại:
- Khoảng dưới 10 phân tử β – galactosidase được tổng hợp cho mỗi trực khuẩn
coli khi có mặt glucose
- Hàng triệu phân tử β – galactosidase được tổng hợp khi có mặt của lactose (và
không có mặt glucose)
- Khi có mặt của hỗn hợp glucose + lactose: điều hòa dương tính (vai trò của
AMP vòng (cAMP) và protein CAP)
Khi có mặt hỗn hợp glucose + lactose, vi khuẩn chọn trước tiên glucose để chuyển
hóa, khi glucose đã cạn kiệt, nó sẽ sử dụng lactose. Ở đây, khi có mặt glucose, việc sử
dụng lactose bị kìm hãm.
Sự có mặt của glucose làm ARNm không được tổng hợp, do đó không có sự tổng
hợp β-galactosidase, vì sự thêm vào nhân tố cảm ứng làm bất hoạt chất kìm hãm - một
yếu tố khác cần cho sự bắt đầu tổng hợp ARNm. Hoạt tính của yếu tố này được điều hòa
bởi nồng độ glucose.
16
Glucose có ảnh hưởng ức chế gián tiếp lên sự biểu hiện của operon lac. Những
phân tử nhỏ adenosine monophosphate vòng (cAMP) phân bố rộng rãi trong mô động vật
và trong các cơ thể eukaryote đa bào, có vai trò quan trọng làm chất trung gian hoạt động
hormone. Chất này cũng có trong tế bào E. coli và nhiều tế bào vi khuẩn khác với chức

năng khác nhau. cAMP được tổng hợp bởi enzyme adenyl cyclase, và nồng độ của cAMP
được điều hòa gián tiếp qua trao đổi chất glucose. Khi vi khuẩn sinh trưởng ở môi trường
chứa glucose, hàm lượng cAMP rất thấp. Trong môi trường chứa glycerol hoặc các
nguồn carbon không thể đi vào con đường hóa sinh được sử dụng để trao đổi chất glucose
(con đường glycolytic) hoặc khi vi khuẩn bị đói nguồn năng lượng, nồng độ cAMP cao.
Hàm lượng glucose giúp điều hòa nồng độ cAMP trong tế bào và cAMP lại điều hòa hoạt
tính của operon lac.
Hình 5: Cấu trúc của cAMP
E. coli chứa protein nhận cAMP hay CRP (cyclic AMP receptor protein) còn được
gọi là protein hoạt hóa dị hóa CAP (catabolite activator protein), được mã hóa bởi gene
crp. Đột biến ở gene crp và gene adenyl cyclase làm ngăn cản sự tổng hợp của ARNm
lac. Điều này cho thấy chức năng của CAP và cAMP cần thiết cho tổng hợp ARNm lac.
CAP và cAMP kết hợp tạo phức hợp cAMP - CAP, sau đó phức hợp này kết hợp với
vùng khởi động P ở sát vị trí gần ARN polymerase. Một khi được gắn vào vị trí P, phức
17
hợp cAMP - CAP tăng ái lực của ARN polymerase đối với vị trí khởi động, tăng cường
sự phiên mã. Quá trình phiên mã có thể được nhân lên gấp bội, khoảng 50 lần.
Các thí nghiệm ở điều kiện in vitro cho thấy: ARNm lac được tổng hợp chỉ khi có
cAMP vòng và không có chất ức chế. Khi vắng mặt phức hợp cAMP - CAP, ARN
polymerase chỉ bám lỏng lẽo vào promotor. Vì vậy hiếm khi dẫn đến phiên mã vì không
có sự tương tác đúng giữa ARN polymerase và promotor. Nhưng ARN polymerase được
kích thích gắn vào promotor khi cAMP - CRP được gắn vào ADN.
Những kết quả này giải thích chức năng lactose và glucose cùng nhau tham gia
điều hòa phiên mã operon lac như thế nào.
2.1.2.Sự kìm hãm (ví dụ: operon Triptophan):
2.1.2.1. Tổng hợp Tryptophan ở vi khuẩn:
Tryptophan (Tryp) là một acid amin cần thiết đối với người và được cung cấp bởi
thức ăn. Đối với với khuẩn thì khác: trực khuẩn coli hoàn toàn có thể tổng hợp được acid
amin này.
Hệ thống tryptophan cũng có cấu trúc tương tự hệ thống lactose gồm gen điều hòa

trypR và operon tryptophan (promoter, operator và 5 gen cấu trúc). Các gen cấu trúc xác
định 5 enzyme được xếp theo thứ tự tương ứng với chức năng xúc tác theo trình tự các
phản ứng của chuỗi biến dưỡng tryptophan.
Để tổng hợp Tryp cần một loạt phản ứng, ở mỗi giai đoạn cần sự tham gia của một
enzim (E).
18
A
B
Nếu tất cả những enzim trên được tổng hợp bởi với khuẩn, những phản ứng dẫn
đến sự tạo thành Tryp xảy ra tự nhiên và cuối cùng người ta được Tryp.
Nếu những enzim trên không được tổng hợp, thì sự sản xuất Tryp sẽ bị dừng lại.
Ta sẽ thấy các enzim sẽ được tổng hợp, nếu tế bào thiếu Tryp. Ngược lại, sự tổng
hợp enzim sẽ bị kìm hãm khi tế bào có đầy đủ Tryp.
2.1.2.2. Hoạt động của operon Tryp:
Hình 6: Hoạt động của operon Tryp
19
Toàn bộ các gen mã hóa các enzim cần thiết cho sự tổng hợp Tryp tạo thành
operon Tryp.
- Trường hợp không có Tryp:
Gen điều hòa tổng hợp ra chất kìm hãm, chất kìm hãm này được gọi là “không
hoạt động” vì nó không kết hợp với vị trí O. Chất kìm hãm này có tên là apo – repressor.
Như vậy ARN polymerase có thể kết hợp với vị trí khởi động P và khởi đấuwj
phiên mã. Các gen cấu trúc thực hiện phiên mã thành ARNm, các enzim được tổng hợp
và Tryp được tạo thành (Hình 6A)
- Trường hợp có Tryp:
Cho them Tryp vào môi trường nuôi cấy làm ngừng tức khắc sự tổng hợp Tryp (vì
đã có Tryp trong môi trường nuôi cấy nên vi khuẩn không cần tổng hợp Tryp; người ta
họi sự tổng hợp bị kìm hãm).
Bằng cách nào Tryp dư thừa có thể làm ngưng sự tổng hợp ra nó?
Tryp trong trường hợp này được gọi là một “co – repressor”, nó kết hợp với apo –

repressor, tức chất kìm hãm không hoạt động. Hỗn hợp apo – repressor + Tryp có thể gắn
vào vị trí O như vậy ngăn chặn ARN polymerase phiên mã ra ARNm. Quá trình phiên mã
không xảy ra (Hình 6B). Người ta gọi đây là sự kìm hãm bởi sản phẩm chuyển hóa cuối
cùng (trong trường hợp này là Tryp). Sản phẩm này ức chế sự tổng hợp của chính bản
thân nó.
20
Sự tổng hợp này sẽ bị dừng lại cho đến khi nào tất cả Tryp được sử dụng hết bởi vi
khuẩn. Khi không còn Tryp trong môi trường, sự tổng hợp bắt đầu lại.
Tóm lại:
- Khi không có Tryp, sự phiên mã xảy ra.
- Khi có Tryp, sự phiên mã bị ngừng lại.
Thực ra, hoạt động của operon Tryp phức tạp hơn. Ngoài vị trí O ra, còn có sự
tham gia của chất làm yếu đi (attenuator) hay điều hòa theo phương thức phiên mã dở
(Attenuation)
2.1.2.3. Phiên mã dở (Attenuation)
Kiểu điều hòa thứ hai được phát hiện ở operon tryptophan được gọi là attenuation.
Nó dùng sử dịch mã để điều khiển sự phiên mã. Khi có mặt tryptophan nội bào, ngay cả
với nồng độ thấp, sự dịch mã một phần vùng leader của mARN ngay khi vừa được tổng
hợp, kết quả làm dừng sự phiên mã trước khi gene cấu trúc đầu tiên của operon được sao
chép.
Phiên mã dở (attenuation) là kết quả sự tương tác giữa các trình tự ADN trong
vùng leader của bản phiên mã tryp. Ở tế bào kiểu dại, sự phiên mã operon tryp thường
được bắt đầu. Tuy nhiên khi có mắt một lượng nhỏ tryptophan, hầu hết phân tử mARN
kết thúc ở vùng 28 base đặc biệt ở trong trình tự leader. Kết quả của sự kết thúc sớm này
tạo phân tử mARN chứa 140 nucleotide chấm dứt một đoạn ngắn của các gene mã hóa
cho các enzyme tryp. Vùng 28 base xảy ra sự kết thúc phiên mã sớm như thế được gọi là
attenuator. Trình tự base của vùng này thường có các tính chất điểm kết thúc, gồm dạng
đoạn và vòng (stem-loop) trên mARN theo sau là trình tự của 8 uridine.
21
Hình 7: (A) Sơ đồ phiên mã của leader tryp;

(B) Chi tiết cấu trúc của 2 codon tryp ở vòng 1 – 2.
Trình tự leader có các đặc điểm:
- Một vùng có codon AUG và phía sau là codon kết thúc UGA, mã hóa cho một
polypeptide chứa 14 amino acid được gọi là leader polypeptide.
- Hai codon tryptophan ở vị trí 10 và 11 trên mARN của leader polypeptide. Trình
tự lặp lại ngắn này có ý nghĩa trọng điều hòa.
- Bốn đoạn của ARN leader là vùng 1, 2, 3 và 4 tạo thành do khả năng kết cặp của
các base với nhau. Các base ở vùng 1 kết cặp với vùng 2, vùng 3 kết cặp với vùng 4
(Hình 7).
Khi sự kết cặp xảy ra ở dạng này, sự phiên mã kết thúc ở đoạn đi qua uridine phía
trước nucleotide 140. Kiểu kết cặp này xảy ra ở mARN leader được tinh sạch.
22
- Một kiểu kết cặp biến đổi có thể xảy ra, trong đó các base vùng 2 kết cặp với
vùng 3 nhờ các cặp base ở 2 vùng này gần như bổ sung nhau (Hình 7B). Qua mô hình kết
cặp base biến đổi này (3 - 4 hoặc 2 - 3), sự tổ chức trình tự ARNm có thể điều hòa phiên
mã qua dịch mã của leader polypeptide (Hình 8). Khi vùng leader được phiên mã, sự dịch
mã leader polypeptid cũng bắt đầu. Vì có 2 codon của tryptophan trong trình tự mã hóa,
nên sự dịch mã nhạy cảm với số lượng tARNtryp đưa vào.
Nếu môi trường cung cấp đầy đủ tryptophan, ribosome trượt qua codon tryptophan
và đi vào vùng 2 (Hình 8B). Sự có mặt của ribosome loại bỏ khả năng kết cặp của vùng
khoảng 10 base ở mỗi phía của codon đang dịch mã. Sự có mặt của ribosome ở vùng 2
ngăn cản nó kết cặp với vùng 3. Trong trường hợp này vùng 3 kết cặp với vùng 4, tạo ra
điểm kết thúc phiên mã. Sự phiên mã kết thúc khi qua các uridine nằm phía sau vùng 4.
Khi số lượng tARNtryp không đủ, sự dịch mã leader polypeptide bị dừng lại đột
ngột ở các codon tryptophan. Sự dùng lại này ngăn cản ribosome tiến vào vùng 2, vì vậy
vùng 2 được tự do sẽ kết cặp với vùng 3 làm cản trở sự hình thành cấu trúc kết thúc. Vì
vậy phân tử tryp mARN hoàn chỉnh được tạo thành, chứa cả trình tự mã hóa cho gene
cấu trúc.
Tóm lại, attenuation là cơ chế điều hòa tinh tế trên cơ sở điều hòa âm tính: Khi
tARNtryp đến đủ cung cấp cho sự dịch mã leader polypeptide, sự phiên mã bị dừng, các

tryp enzyme không được tổng hợp. Khi nồng độ tARNtryp quá thấp, sự phiên mã xảy ra
cho đến hết, các tryp enzyme được tạo nên.
Nhiều operon chịu trách nhiệm tổng hợp các amino acid khác (như các operon của
leucine, isoleucine, phenylalanine, histidine) cũng được điều hòa nhờ attenuator với chức
năng tạo ra vùng kết cặp biến đổi ở bản phiên mã. Ở operon histidine vùng mã hóa của
leader polypeptide chứa 7 codon histidine kế nhau. Ở operon phenylalanine vùng mã hóa
cho leader polypeptide chứa 7 codon phenylalanin chia 3 nhóm.
Điều hòa kiểu attenuation không thể xảy ra ở eukaryote vì ở eukaryote sự phiên
mã và dịch mã không xảy ra đồng thời. Sự phiên mã xảy ra trong nhân, còn sự dịch mã
xảy ra ở tế bào chất. Điều hòa ở operon lac và operon tryp là ví dụ về một trong số các cơ
chế quan trọng điều hòa hoạt động gene ở mức phiên mã của prokaryote.
23
Hình 8: Phiên mã dở (attenuation) của operon tryp ở E.Coli
A. Ở mARN tự do có sự kết cặp base giữa 1 - 2 và 3 - 4
B. Ở nồng độ cao của tryptophan, ribosome tiến đến vùng 2 và sự kết cặp 3 - 4
làm kết thúc phiên mã
C. Ở nồng độ tryptophan thấp, ribosome ở vùng codon tryp cho phép kết cặp 2 - 3
và phiên mã không bị kết thúc sau khi qua vùng 4
2.1.3. So sánh giữa sự cảm ứng và kìm hãm:
Như vừa trình bày ở trên, sự cảm ứng và kìm hãm là hai cơ chế khác nhau mà tế
bào vi khuẩn có thể điều hòa tổng hợp protein của mình, đáp ứng với vấn đề tiết kiệm.
2.1.3.1. Sự kìm hãm liên tục:
Sự kìm hãm lien tục, nhưng cũng có thể bị loại bỏ bởi một chất cảm ứng. Đó là
quá trình khử kìm hãm bằng cảm ứng (kiểu điều hòa âm tính này thường thấy trong đời
sống hang ngày: nước, gaz, điện, thường được đóng và chỉ mở khi dung).
Ví dụ kiểu điều hòa này, thường được gặp đối với những enzim có chức năng
thoái hóa như β – galactosidase.
24
2.1.3.2. Sự tổng hợp liên tục:
Sự tổng hợp protein là một hiện tượng liên tục nhưng cũng có thể bị ngắt quãng

bởi sản phẩm chuyên hóa cuối cùng của chính nó (tình trạng này có thể so sánh với việc
nước chảy lien tục vào một bể và được khóa lại khi mực nước đã tới một mức độ nhất
định).
Ví dụ kiểu điều hòa này được gặp ở những enzim có chức năng tổng hợp như
những enzim tổng hợp tryptophan.
2. 2 . Điều hòa ở giai đoạn hậu phiên mã:
Ở sinh vật eucaryote, sợi mARN đầu tiên được tổng hợp (tiền mARN) phải trải
qua giai đoạn hoàn thiện như tạo mũ chụp, cắt bỏ intron, nối exon, gắn đuôi poly-A để
hình thành sợi mARN trưởng thành. mARN đi qua màng nhân, vào tế bào chất đến
ribosome, thực hiện quá trình tổng hợp protein.
Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn sau phiên mã chủ yếu tác động vào
giai đoạn hoàn thiện mARN. Các kiểu tác động có thể xảy ra như cắt các intron và nối
exon khác nhau, gây đột biến trên mARN. Ngoài ra, thời gian tồn tại của mARN cũng có
ảnh hưởng đáng kể đến số lượng protein tổng hợp. mARN tồn tại càng lâu thì số lượng
protein được tổng hợp càng nhiều.
2.3. Điều hòa ở giai đoạn dịch mã:
2.3.1. Lợi ích:
Một kiểu điều hòa nữa của sự tổng hợp protein đó là ở giai đoạn dịch mã. Một
trong những ví dụ được nghiên cứu kỹ là sự tổng hợp protein ribosome (protein – r) ở
trực khuẩn E.Coli.
Một ribosome của E.Coli chứa:
- 52 protein – r khác nhau, mã hóa bởi 52 gen khác nhau.
25