phiên mã, điều hòa hoạt động gen

Câu 1: Khác biệt trong phiên mã ở sinh vật nhân sơ và nhân
thực. Ý nghĩa của sự khác biệt?

Khác nhau:
Nhân sơ
- Chỉ có 1 loại ARN
polimeraza chịu trách nhiệm
tổng hợp tất cả các loại ARN

Nhân thực
- Có tới 3 loại enzim tham gia:
ARN polimeraza I: tổng hợp
các rARN, trừ rARN 5S


(mARN, tARN, rARN)

- mARN chứa thông tin của
nhiều gen nối tiếp nhau
(polycistronic mARN).
- Quá trình phiên mã đơn giản
hơn.
- Sau khi được tổng hợp
mARN trực tiếp tham gia vào
dịch mã.

ARN polimeraza II: tổng hợp
các mARN
ARN polimeraza III: tổng hợp
các tARN và rARN 5S
- mARN chứa thông tin của

một gen (monocistronic ARN)
- Quá trình xảy ra phức tạp hơn
- Sau khi tổng hợp, mARN
chưa được dùng để dịch mã mà
phải trải qua quá trình chế biến
thành mARN trưởng thành:
+ Gắn chóp: Khi mạch mARN
đang tạo ra có độ dài 20-30
nucleotit thì đầu 5’P được
enzim nối thêm vào chất 7 –
methyl guanozin.
+ Thêm đuôi poli A: Một đoạn
ngắn mARN bị cắt và các
adenin được gắn vào tạo thành
đuôi poli A ở đầu 3’
+ Cắt rời các intron và nối các
exon lại với nhau.
(Mặc dù đa phần mARN của
nhân thực cần gắn chóp, đuôi
và cắt bỏ intron nhưng không
phải tất cả chúng đều được chế
biến như vậy.)


C. Ý nghĩa:
- Cấu trúc phân đoạn của gen giúp cho sinh vật nhân thực tiết
kiệm vật chất di truyền: từ một gen cấu trúc qua quá trình cắt bỏ
intron nối exon lại với nhau có thể tạo ra các phân tử mARN
trưởng thành khác nhau từ đó dịch mã cho các sản phẩm protein
khác nhau.

- Quá trình chế biến tiền mARN trong nhân:
+ Gắn chóp 7Mgppp vào đầu 5’ có ý nghĩa quan trọng cho việc
phát hiện và đính kèm đúng của mARN thông tin với ribosome.
Nó cũng quan trọng với quá trình ghép và vận chuyển.
+ ARN thông tin được vận chuyển bởi nhiều đường khác nhau,
cho phép một gen đơn có thể mã hóa cho nhiều protein, quá
trình như vậy được gọi là vận chuyển liên tiếp. Quá trình vận
chuyển thường được thực hiện bởi ARN protein phức, được gọi
là spliceosome, nhưng các phân tử ARN cũng có khả năng làm
chất xúc tác cho chính quá trình vận chuyển của chúng.
+ Poly(A) trong ARN thông tin ổn định để bảo vệ nó khỏi quá
trình exonucleases. Polyadenylation cũng quan trọng với quá


trình kết thúc phiên mã, đưa ARN thông tin ra ngoài hạt nhân và
dịch mã nó.
Đuôi PolyA được gắn với bản sao ở đó chứa những chuỗi đặc
biệt, ký hiệu AAUAAA. Tầm quan trọng của ký hiệu AAUAAA
được chứng minh bởi một sự thay đổi trong mã hóa chuỗi AND
(AATAAA), dẫn đến sự thiếu hụt của hồng cầu.
+ Sự sử dụng đuôi PolyA khác nhau và sự kết nối các exon khác
nhau từ cùng một tiền mARN đã tạo thành 2 loại mARN điều
khiển tổng hợp hai loại protein khác nhau trong cơ thể. Phát hiện
này chứng tỏ có sự phân hóa trong sao mã hình thành các loại
mARN từ cùng một gen dẫn đến tổng hợp các loại protein khác
nhau ở các tổ chức khác nhau.
- Polyadenylation làm tăng quá trình phân đôi trong quá trình
sao chép, vì thế các bản sao cuối cùng dài hơn trong tế bào và
dẫn đến việc dịch mã nhiều hơn, tạo ra nhiều protein hơn.
- Các đoạn intron dài hơn exon nên có tác dụng bảo vệ gen

chống lại tác nhân gây đột biến và tiết kiệm vật chất di truyền.


Câu 2 :Dựa trên cơ sở nào để phân loại các gen thành gen
cấu trúc và gen điều hòa?
Phân loại dựa vào chức năng của protein:
+ Gen cấu trúc là gen mang thông tin mã hóa sản phẩm tạo nên
thành phần cấu trúc hay chức năng của tế bào ( Những gen quy
định các sản phẩm là prôtêin làm nhiệm vụ cấu tạo nên các bộ
phận của tế bào và cơ thể ) , mã hoá cho các chuỗi polypeptit
tham gia thành phần cấu trúc hay chức năng của tế bào (cấu trúc,
bảo vệ, hoocmôn, xúc tác…)

+ Gen điều hòa là gen mang thông tin mã hóa sản phẩm kiểm
soát hoạt động của gen khác. Gen có sản phẩm được sử dụng


như những chất làm đóng mở các gen khác ( các prôtêin hoạt
hóa hoặc ức chế, các ARN làm nhiệm vụ điều hòa hoạt động
gen,...)
- Trong hệ gen của sinh vật đa bào có cấu tạo cơ thể phức tạp
như con người và các loài động vật có vú, thì số lượng gen điều
hòa là rất lớn.
Ví dụ: Mô hình cấu trúc của Operon Lac

Cấu tạo gồm 3 thành phần:
-

Một nhóm gen cấu trúc liên quan về chức năng. Trong
Operon Lac nhóm gen cấu trúc này gồm 3 gen Z, Y, A mã

hóa cho 3 protein Z, Y, A là các enzyme phân giải lactose.


-

Vùng khởi động (Promoter)
Vùng vận hành (Operator)
Sự hoạt động của Operon phụ thuộc vào sự điều khiển của
gen điều hòa (Regulator – R) nằm trước Operon. Gen điều
hòa quy định tổng hợp protein ức chế, có tác dụng kìm hãm
không cho Operon hoạt động.

Câu 3: Vì sao nói operon lac được điều hòa bởi một cơ chế
kép: điều hòa âm tính bởi protein ức chế (protein điều hòa)
và điều hòa dương tính bởi protein hoạt hóa?
Ý tưởng về biểu hiện gen điều hoà có nguồn gốc từ những
nghiên cứu được tiến hành từ những năm 50 của thế kỷ 20 bởi
các nhà khoa học Pháp François Jacob và Jacques Monod. Họ
nghiên cứu sự chuyển hoá của đường lactose ở vi khuẩn E.coli.


Điều hòa âm tính:
Cơ chế điều hòa âm tính của operon lac:


Khi trong môi trường nuôi cấy E. coli vắng mặt lactose (chất
cảm ứng) thì operon lactose không hoạt động, nghĩa là các
enzyme tham gia hấp thụ và phân giải lactose không được sinh
ra. Nguyên nhân là do protein ức chế của operon (lac repressor)
vốn tự có hoạt tính, bám chặt vào yếu tố chỉ huy (lac operator)

và gây kìm hãm sự phiên mã của các gene cấu trúc Z, Y và A.


Do đó các sản phẩm enzyme của lac operon không được tạo ra,
nghĩa là biểu hiện âm tính.
RNA polymerase không
thể gắn với promoter

Ngược lại, nếu bổ sung lactose vào môi trường thì một thời gian
sau vi khuẩn sẽ bắt đầu hấp thụ và phân giải nó, nghĩa là các
enzyme liên quan đã được sinh ra. Sự kiện này được lý giải như
sau: Chất cảm ứng (inducer), ở đây là allolactose - dạng biến đổi
của lactose - tương tác với chất ức chế (repressor) làm biến đổi
cấu hình không gian của chất này. Vì vậy chất ức chế mất ái lực
và không thể bám vào lac operator. Lúc này các gene cấu trúc
được phiên mã và các enzyme tương ứng được tổng hợp, nhờ
vậy vi khuẩn có thể hấp thụ và phân giải đường lactose. Các


gene cấu trúc của lac operon được phiên mã tạo ra phân tử
mRNA polycistron và các enzyme tương ứng được tổng hợp.
Phương thức điều hoà như thế được gọi là điều hoà cảm ứng âm tính, bởi vì chất ức chế lac operon một khi bám vào lac
operator sẽ kìm hãm phiên mã, nghĩa là gây hiệu quả âm tính lên
sự biểu hiện của các gene. Nhờ cơ chế điều hoà kiểu liên hệ
ngược này mà vi khuẩn có thể thích ứng để tồn tại và phát triển
một cách hợp lý.
Lactose là tác nhân gây cảm ứng (hoạt hoá) lac operon. Ngoài
ra, ITPG (isopropyl thiogalactoside) cũng được dùng như một
chất cảm ứng nhưng không phải là tác nhân sinh lý.

Môi trường có lactose

Điều hòa dương tính:

Chất cảm ứng
(allolactose)


Điều hoà dương tính trong biểu hiện gen được minh hoạ bởi yếu
tố hoạt hoá phiên mã là protein hoạt hoá phiên mã catabolite
(CAP). Bởi vì glucose là nguồn thức ăn ưu tiên nên operon lac
không bị hoạt hoá ở tế bào E.coli được nuôi cấy trong môi
trường có chứa cả glucose và lactose cho tới khi glucose bị sử
dụng hết. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng glucose ức chế hoạt
động của operon lac và chỉ được hoạt hoá khi lactose là nguồn
năng lượng duy nhất.
Sự ức chế của glucose xảy ra thông qua cơ chế dương tính. Khi
glucose bị tiêu thụ, nồng độ của nó trong tế bào tụt giảm. Nồng
độ glucose thấp kích thích sản xuất một phân tử nhỏ có tên gọi


là AMP vòng (cAMP), mà sau đó phân tử nhỏ này sẽ gắn với
CAP. CAP xảy ra sự biến đổi cấu trúc khiến cho nó gắn vào
ADN và hoạt hoá phiên mã. Bởi thế, điều hoà operon lac đạt
được thông qua sự phối hợp giữa điều hoà âm tính của yếu tố ức
chế lac và điều hoà dương tính của CAP.
Chức năng của β-galactosidase trong chuyển hóa lactose để tạo
ra glucose bằng cách cắt lactose (một sản phẩm cắt khác là
galactose cũng có thể được chuyển thành glucose nhờ enzyme

của operon galactose.
Trong môi trường có glucose, enzyme β-galactosidase không
được tạo thành cho đến khi glucose trong môi trường được sử
sụng hết. Sự có mặt của glucose làm mRNA 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.
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, 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 cAM cao. Hàm lượng glucose giúp điều hòa
nồng độ cAMP trong tế bào và cAMP lại điều hòa hoạt tính của
operon lac.
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
mRNA lac. Điều này cho thấy chức năng của CRP và cAMP cần
thiết cho tổng hợp mRNA lac. CRP và cAMP gắn vào một vị trí
khác tạo phức hợp cAMP-CRP được biểu hiện. Phức hợp này là

một yếu tố điều hòa hoạt hóa ở hệ thống lac.