Điều hòa và biểu hiện gen ở sinh vật bậc cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Điều hòa và biểu hiện gen
ở sinh vật bậc cao
L/O/G/O

GV HD : PGS. TS Khuất Hữu Thanh
HV
: Bùi Văn Hiệu


Đặt vấn đề
Như chúng ta đã biết cơ chế hoạt động
của ba quá trình thiết yếu cho sự tồn tại của
tế bào, đó là sự sao chép, phiên mã và dịch
mã. Sự trao đổi chất liên tục giữa tế bào và
môi trường ngoài là một trong những đặc
tính cơ bản của sự sống. Đối với tế bào
prokaryote, môi trường này là tập hợp các
nhân tố lý hóa bao quanh tế bào, còn đối với
tế bào eukaryote, đó là tập hợp các tế bào
lân cận. Như vậy nảy sinh một vấn đề lớn:
bằng cách nào tế bào điều chỉnh hoạt động
của mình cho phù hợp với các biến đổi của
môi trường ngoài để có thể tồn tại thích ứng.


Tất cả các loài, dù là sinh vật nhân sơ
hay sinh vật nhân thật, đều phải điều hòa
biểu hiện các gen của chúng vào đúng

những thời điểm nhất định. Và không phải
tất cả các gene đều có biểu hiện liên tục,
thông tin di truyền được điều hòa theo
những cách khác nhau.
Trong bài tiểu luận này chúng tôi xin
được trình bày về: “Cơ chế điều hòa hoạt
động và biểu hiện gen ở sinh vật bậc
cao”.


I. Nguyên lý chung
Không phải tất cả các gene đều có biểu hiện liên tục.
Mức độ biểu hiện của gene khác nhau giữa các tế bào khác
nhau theo giai đoạn trong chu trình tế bào.
Hoạt tính của gene khác nhau theo chức năng tế bào. Ở
động vật có xương sống như chuột, chứa khoảng 200 loại
tế bào được phân hóa chức năng khác nhau.
Trong nhiều trường hợp, hoạt tính của gene được điều
hòa ở mức độ phiên mã, cả qua những tín hiệu bắt đầu bên
trong tế bào và cả phản ứng với những điều kiện bên
ngoài. Tuy nhiên thông tin di truyền được điều hòa theo
những cách khác nhau.


Các bước điều khiển hoạt động gene bao gồm:
- Cấu trúc lại DNA, trong đó những thay đổi biểu hiện
gene phụ thuộc vào vị trí trình tự DNA trong
genome.
- Điều hòa phiên mã trong tổng hợp bản phiên mã
RNA bằng sự điều khiển, sự mở đầu và sự kết

thúc
- Quá trình chế biến RNA hoặc điều hòa qua quá
trình cắt-nối trên RNA (RNA splicing)
- Điều hòa dịch mã quá trình tổng hợp chuỗi
polypeptid
- Sự bền vững của mRNA


II. Cơ chế và biểu hiện gen của sinh vật bậc cao
Có nhiều cơ chế hoạt động
và biểu hiện gen khác nhau:
1. Điều hòa và biểu hiện bằng thay
đổi cấu trúc NST hay cấu trúc
phân tử DNA
2. Điều hòa ở mức độ phiên mã
3. Cắt bỏ intron, nối exon (Splicing)
4. mARN gắn với một số protein
đặc hiệu xuyên qua lỗ nhân ra
bào tương
5. Huỷ các mARN không được
dùng để dịch mã
6. Dịch mã, tổng hợp Protein
7. Biến đổi protein
8. Điều hòa bằng cơ chế phân hủy Các giai đoạn biểu hiện của gen có thể được điều hòa
ở sinh vật nhân thật


1. Điều hòa và biểu hiện gen bằng thay đổi cấu trúc
NST hay cấu trúc phân tử DNA
• 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 DNA của
chromatin có ảnh hưởng đến cấu trúc của
chromatin và sự biểu hiện của gen

12/23/15

7


a. Sự Acetyl hóa histone
Nhóm acetyl được gắn vào lysine tích điện dương
trong đuôi histone → chromatin tháo xoắn → phiên
mã.

Sự acetyl hóa histon


Có thể tóm tắt các bước chung của quá trình hoạt
hoá một gen ở Eukaryote như sau:
1. Một yếu tố phiên mã nào đó gắn vào DNA
2. Enzym histone acetyl transferase gắn vào yếu tố
phiên mã.
3. HAT (enzyme histon acetyl transferase) acetyl hoá
các histon kế cận nhau làm cho các mối liên kết của
histon bị nới lỏng.
4. Phức hệ tái cấu trúc nhiễm sắc chất làm trượt hoặc

tái cấu trúc nucleosome, cho phép DNA được bộc lộ.
5. Các yếu tố phiên mã khác gắn vào DNA
6. RNA polymerase gắn vào DNA
7. Quá trình phiên mã được khởi động khi xuất hiện một
tín hiệu dương tính được truyền tới thông qua phức
hệ trung gian từ một hay nhiều các yếu tố phiên mã
đặc biệt.


b. Sự methyl hóa DNA
Nhóm methyl được gắn vào chromatin. Sự gắn
thêm nhóm phosphate gần các acid amin bị methyl
hóa sẽ làm cho chromatin tháo xoắn.
Trong các sinh vật đa bào, metyl hoá ADN là một
dấu hiệu biểu hiện gen liên quan tới sự biệt hoá
của mô tế bào. Trình tự nhận biết cho sự metyl hoá
rất ngắn, ở động vật thường là CG còn ở thực vật
là CNG.

Sự Methyl hóa ADN


Tắt gen gây ra bởi sự metyl hóa DNA
Tắt gen là một thuật ngữ khá mơ hồ nó liên
quan đến sự biểu hiện của một số lượng tương
đối lớn các gen không theo kiểu đặc biệt nào.
Sự tắt gen tương đối hạn chế đã được biết đến
ở vi khuẩn. Tuy nhiên sư tắt gen là tương đối
phổ biến ở sinh vật bậc cao nó liên quan tới sự
thay đổi của cả DNA và histon. Tắt gen ảnh

hưởng đến từng gen riêng biệt, một cụm gen,
một vùng của NST hoặc thậm chí toàn bộ NST


A) Các vùng CG trên DNA;
B) Bị metyl hoá
C) MeCP khi liên kết vào vùng
metyl hoá
D) HDAC sẽ liên kết với cả
MeCP và ADN
E) Và F) Các trình tự trong đó
các đuôi histon bị deacetyl hoá
và các nucleosome bị liên kết
lại

Tắt gen bắt đầu do sự metyl hoá


II. Điều hòa hoạt động gen bằng kiểm soát phiên mã
Trước khi xem bằng cách nào các tế bào sinh vật
bậc cao có thể điều khiển quá trình phiên mã thì chúng
ta cần tìm hiểu cấu trúc của một gen điển hình ở sinh
vật bậc cao và phiên bản mã của nó.

Sơ đồ cấu trúc của một gen điển hình ở sinh vật bậc cao và phiên bản mã


II.1. Điều hòa biểu hiện bằng các trình tự tăng cường
(Enhancer) phiên mã:
Một số yếu tố trình tự điều khiển, gọi là các yếu

tố điều khiển gần, nằm ngay gần protmoter, còn các
yếu tố điều khiển xa nằm cách promoter một đoạn
xa hơn và chúng tập hợp thành một nhóm được gọi
là các trình từ tăng cường (enhancer)

Mô hình hoạt động của enhancer và các yếu tố hoạt hóa phiên mã


II.2. Phức hệ trung gian truyền tín hiệu tới RNA
polymerase:
Ở sinh vật bậc cao, thì các yếu tố phiên mã
chúng đảm nhiệm cả 2 chức năng nhận diện và
gắn vào promoter.
• Các yếu tố hoạt hoá ở sinh vật bậc cao như là các
yếu tố hỗ trợ RNA polymerase di chuyển lên phía
trước kể từ vị trí promoter trong quá trình phiên mã.
• Các yếu tố trung gian là các phức protein có khả
năng gắn với phần phía trên của RNA polymerase
II do RNA polymerase có các vị trí đặc hiệu gắn cho
các yếu tố này đặcbiệt đối với các yếu tố có khả
năng liên kết với các enhancer.


Ví dụ, các yếu tố trung gian hoạt động theo kiểu điều hòa dương tính:

Các protein hoạt hoá và các yếu tố trung gian
A) Sự tạo thành cấu trúc vòng của DNA cho phép các yếu tố hoạt hoá đã
gắn vào enhancer có thể tiếp cận tới bộ máy phiên mã...
B) Phức hệ trung gian cho phép sự liên hệ giữa các yếu tố tăng cường và
các yếu tố kìm hãm với RNA polymerase.

II.3.Protein hoạt hóa (activator protein):
Protein hoạt hóa kết hợp với nhau, gắn với trình
tự enhancer (enhanceosome) và các nhân tố phiên
mã, enzyme RNA polymerase II kích hoạt quá trình
phiên mã. Các protein hoạt hóa gắn càng nhiều trình
tự enhancer, phiên mã càng mạnh, có thể cực đại.

Các activator protein gắn với nhiều enhancer
Cấu trúc đoạn gen ở vị trí các protein bám dính


III. Sự cắt nối các intron và exon
• Cắt rời các intron và nối các exon lại với nhau nhờ
spliceosome (gồm snRNP và các protein)
• Hai Nu đầu tiên GU ở đầu 5’ và AG ở đầu 3’ của mỗi
intron là vị trí nhận biết để cắt intron ra khỏi phân tử tiền
mARN

Ba bước của cơ chế cắt-nối (splicing) pre-mRNA sinh vật bậc cao
(1) lắp mũ 5’ (xảy ra cùng lúc phiên mã); (2) tách bỏ và gắn đuôi
poly(A); và (3) splicing (xảy ra trong nhân trước khi mRNA đi ra tế
bào chất)


Cơ chế chi tiết của quá trình cắt nối các intron và
exon ở sinh vật bậc cao
A.Bản chất hoá học của sự cắtnối mRNA gồm hai phản ứng
ester hoá chéo - trao đổi một

liên kết phosphodiester cho
một cái khác – không được xúc
tác bởi các enzyme thông
thường
B.Nối các exon và giải phóng
intron dưới dạng RNA vòng
(thòng lọng: Lariat).


C. Dinucleotide GU và AG “chuẩn” ở hai
đầu mút mỗi intron cho thấy các vị trí
cho và nhận nằm bên trong các trình tự
liên ứng được bảo tồn; snRNA U1 nhận
biết vị trí cho và snRNA U2 bán vào vị
trí bên (theo kiểu tương tác cặp base).
Y = U hoặc C chỉ cho pyrimidine; N =
nucleotide bất kỳ.
D. Sự tụ họp của bộ máy splicing
(spliceosome), với 4 bước: (1) U1và U2
bám vào các snRNP; (2) Sự bám vào
của U4, U5, U6; (3) U1 được giải phóng
trước và kế đó là U4; (4) U6 bám vào vị
trí splice 5’ và hai phản ứng cắt-nối xảy
ra, được xúc tác bởi các snRNP U2 và
U6


IV- mARN xuyên qua lỗ nhân ra bào tương
mARN gắn với 1 số protein đặc hiệu hnRNP ,nhận diện lỗ
nhân nhờ các thụ thể bên trong màng nhân, xuyên màng

nhân ra ngòai bào tương theo hướng 5’- 3’


V - Hủy mARN (nếu mARN không được dịch mã)
• Nếu mARN không được dịch mã, tức không có quá
trình tổng hợp protein, thì dưới tác dụng của
ribonuclease ,sẽ phân hủy phân tử mARN này.
• Sự thoái hóa mRNA là một cơ chế kiểm soát chủ yếu
trong biểu hiện gen ở sinh vật bậc cao, thời gian tồn
tại của mRNA phụ thuộc vào độ dài trình tự AU ở
vùng 3’ không dịch mã và sự khử đuôi poly A. Hầu
hết các tế bào của sinh vật đa bào tồn tại trong một
môi trường khá ổn định và thực hiện một hệ những
chức năng đặc trưng trong một khoảng thời gian từ
vài ngày đến vài tháng, thậm chí là trong cả cuộc đời
của sinh vật


Các mRNA trong tế bào chất có thể được phân hủy
bởi nhiều con đường khác nhau, phụ thuộc vào sự
deacetyl hóa, mức độ deacetyl hóa sẽ kiểm soát mức
độ phân hủy.

Các con đường phân hủy mRNA ở sinh vật bậc cao


VI - Dịch mã, tổng hợp protein
• Dịch mã là quá trình
giải mã thông tin di
truyền từ mARN để tạo

thành protein tương
ứng
• Ngoài mARN ,thì 2 nhân
tố quan trọng khác
tham gia quá trình dịch
mã là ribôxôm và ARN
vận chuyển


Diễn biến chính gồm họat hóa acid amin và dịch
mã tại ribôxôm
Họat hóa acid amin và gắn nó vào tARN
+ Quá trình họat hóa diễn ra ở tế bào chất.
+ Mỗi acid amin(aa) sẽ kết hợp đồng hóa trị với tARN
đặc hiệu nhờ năng lượng của ATP, được xúc tác
bởi aminoacyl-tARN. Mỗi enzyme đặc hiệu cho 1
aa và những tARN ứng với aa đó