BÀI GIẢNG ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN – REGULATION OF GENE EXPRESSION

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN – REGULATION OF GENE EXPRESSION


Định nghĩa
Là sự kiểm soát về số lượng, thời gian và không gian của sự xuất hiện của sản
phẩm của gen.

Mục tiêu
Điều hòa biểu hiện gen giúp tế bào/cơ thể kiểm soát các chức năng về cấu trúc và
hoạt tính của của nó. Là cơ sở của sự biệt hóa tế bào cũng như tính linh hoạt và
đáp ứng của sinh vật.


CÁC VẤN ĐỀ CẦN TÌM HIỂU

1. Điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote

2. Điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote


ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở PROKARYOTE

Chủ yếu diễn ra ở mức độ phiên mã,cụ thể là “tắt” hoặc “bật” sự phiên mã
Điều hòa biểu hiện đa gen thông qua cấu trúc operon (polycistronic)
Cơ chế điều hòa rất đa dạng
Bằng nhân tố phiên mã 
Bằng hệ thống 2 thành phần (Two-component system)
Quorum sensing
Điều hòa dương/âm biểu hiện gen
……..

Cấu trúc operon ở prokaryote

Là một đơn vị có chức năng trong bộ gen, bao gồm một promoter, các gen
chức năng, các trình tự điều hòa, các gen điều hòa
Promoter và các trình tự điều hòa chịu trách nhiệm điều khiển sự phiên mã của
các gen trong operon
Các gen trong operon được phiên mã đồng thời tạo thành một mRNA chịu trách
nhiệm mã hóa cho nhiều protein (polycistronic mRNA)
Các gen trong operon thường chịu trách nhiệm cho một chức năng về hoạt
tính/cấu trúc trong tế bào
Cấu trúc operon giúp tế bào vi khuẩn đáp ứng nhanh với những thay đổi của
môi trường


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BẰNG NHÂN TỐ PHIÊN MÃ 


Quorum sensing


Regulation of Porin Proteins by a Two
Component Signal Transduction System


POSITIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA DƯƠNG BIỂU
HIỆN GEN
“Bật” biểu hiện gen
Ví dụ: operon lac

Operon lac bao gồm các gen chịu trách nhiệm trong chuyển hóa đường lactose
Hầu hết các vi khuẩn thực hiện chu trình đường phân để thu nhận cơ chất và năng
lượng cho hoạt động sống và phát triển. Chu trình đường phân sử dụng glucose là cơ
chất để phân giải
Nếu không có glucose trong môi trường, vi khuẩn chuyển sang sử dụng các đường
carbohydrate khác miễn là phải có các enzyme tương ứng
Lactose là 1 disaccharide của galactose và glucose. Đường này được sử dụng trong
trường hợp không có glucose. Để biế dưỡng đường này cần các enzyme trong operon
lac.
Tế bào vi khuẩn không sử dụng đường lactose khi mọi trường còn đường glucose. Chỉ
khi môi trường không có glucose mà lại có lactose thì các gen trong operon lac mới
được biểu hiện


Cấu trúc operon lac bao gồm
Pi: là promoter của gen i. Vùng này chịu trách nhiệm phiên mã gen i
i: gen I mã hóa cho laci, một repressor để kiểm soát việc phiên mã các gen trong

operon lac
CAP-binding site: vùng trình tự nucleotide mà protein CAP gắn vào để để kiểm soát

việc phiên mã các gen trong operon lac
Plac: Vùng promoter của các gen trong operon lac. Là nơi gắn của RNA polymerase
để phiên mã các gen trong operon lac
O: là vùng trình tự mà các protein điều hòa gắn vào để kiểm soát việc phiên mã các
gen trong operon lac


Các gen cấu trúc trong operon lac bao gồm:

Gen Z, mã hóa cho enzyme beta galactosidase. Enzyme này phân cắt lactose
thành galactose và glucose
Gen Y, mã hóa cho enzyme galactoside permease. Enzyme này chịu trách
nhiệm vận chuyển lactose từ môi trường bên ngoài vào trong tế bào
Gen A, mã hóa cho enzyme thiogalactoside transacetylase, chuyển gốc acetyl
đến các đường galactoside nhưng có chức năng chưa được tìm hiểu rõ
Có 2 cơ chế điều hòa trong operon lac: bằng repressor lacI và bằng
protein CAP


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE
Điều hòa bởi repressor lacI
-Trong môi trường không có lactose: lacI bám vào vùng operator  cản trở
RNA polymerase bám vào promoter  không phiên mã các gen trong operon
lac


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE
Điều hòa bởi repressor lacI
-Trong môi trường có lactose (hoặc chất đồng phân IPTG): lactose/IPTG sẽ
bám vào lacI  thay đổi cấu hình của lacI  lacI rời khỏi operator  các gen
trong operon lac được phiên mã  chuyển hóa lactose
-Lactose/IPTG: inducer


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE
Điều hòa bởi protein CAP
-Phức hợp CAP-cAMP khi gắn vào vùng CAP site trên operon lac sẽ cảm ứng
biểu hiện các gen trong operon này

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON LACTOSE
Điều hòa bởi protein CAP
-Khi môi trường có glucose: glucose sẽ làm giảm hàm lượng cAMP  giảm
phức hợp CAP-cAMP cần thiết để cảm ứng  không có sự phiên mã


Tổng kết điều hòa biểu hiện ở operon lac


The lac operon allows the option of lactose
utilization as a carbon source


NEGATIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA ÂM BIỂU HIỆN
GEN
“Tắt” biểu hiện gen
Ví dụ: Operon trp


Operon trp bao gồm các thành phần sau
trpR: gen mã hóa cho trp repressor
P: promoter để phiên mã các gen trong operon
O: operator để kiểm soát phiên mã các gen trong operon
trpL: mã hóa cho leader peptide, chứa attenuator
trpE, trpD, trpC, trpB, trpA: các gen chịu trách nhiệm tổng hợp acid amin
tryptophan
Bình thường trong tế bào có đầy đủ acid amin tryptophan thì operon trp bị
ức chế phiên mã. Khi lượng tryptophan bị giảm xuống, các gen trong
operon trp được cảm ứng phiên mã để tổng hợp acid amin này.

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN
-Trong tế bào có đầy đủ tryptophan: tryptophan gắn vào trp repressor  phức
hợp này đến gắn vào vùng operator  cản trở RNA polymerase bám vào
promoter  không phiên mã các gen trong operon trp
Tryptophan: co-repressor


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN
-Trong tế bào thiếu hụt tryptophan: không có tryptophan gắn vào trp repressor
 không có gì cản trở RNA polymerase bám vào promoter  phiên mã các gen
trong operon trp  tổng hợp tryptophan


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN ATTENUATION
-Cơ chế điều hòa này bổ sung cho cơ chế điều hòa âm ở operon trp.
-Chỉ có ở prokaryote vì sự phiên mã và dịch mã xảy ra cùng lúc: ribosome bắt
đầu trượt trên mRNA đang tổng hợp bởi RNA polymerase  sự dịch mã ảnh
hưởng đến sự phiên mã
-trpL (leader transcript): là một trình tự dài 130 nucleotide đóng vai trò quan
trọng trong cơ chế attenuation
-có 4 vùng trình tự đặc biệt trên trpL được đánh số 1, 2, 3, 4.


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN ATTENUATION
 Bốn vùng trình tự này có khả năng bắt cặp tương đối với nhau tạo ra 3 cấu
trúc thứ cấp khác nhau gồm 1-2, 2-3, 3-4. Trong đó, cấu trúc 3-4 là cấu trúc
kết thúc phiên mã (transcription terminator)
 Sự hình thành cấu trúc 1-2 ức chế hình thành cấu trúc 2-3; sự hình thành

cấu trúc 2-3 ức chế hình thành cấu trúc 3-4.
 Một phần của trpL (vùng 1) mã hóa cho 1 peptide dài 14 acid amin, gọi là
leader peptide. Peptide này chứa 2 acid amin tryptophan cạnh nhau. Cấu
trúc 2 tryptophan kế nhau rất hiếm gặp vì đây là acid amin không phổ biến
trong protein (1/100)


CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở OPERON TRYPTOPHAN ATTENUATION
Trong tế bào có ít tryptophan: ribosome khi trượt trên trpL sẽ dừng lại ở vị trí
codon tryptophan ở vùng 1 do thiếu acid amin này  ribosome sẽ che phủ vùng
1  vùng 2 được tự do để bắt cặp với vùng 3 tạo cấu trúc 2-3  ức chế hình
thành cấu trúc 3-4 kết thúc phiên mã  RNA polymerase sẽ tiếp tục phiên mã
để tạo thành mRNA hoàn chỉnh của operon trp  tổng hợp tryptophan