Gen regulation

CHƯƠNG XĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN GEN VÀ BIỆT HÓA TẾ BÀO... Điều hòa sự biểu hiện của gen.• Mỗi sinh vật có hoạt động sống trong môi trường ở dạng cơ thể.. • Cơ thể sinh vật đa bào gồm nh

CHƯƠNG X

ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN

GEN VÀ BIỆT HÓA TẾ

BÀO

• Khái quát v i u hòa ề đ ề

• S i u hòa sinh v t nhân s ự đ ề ở ậ ơ

• Các c ch i u hòa gi nhi u vai trò ơ ế đ ề ữ ề

gen có khác nhau gi a ữ Prokaryotae và

Eukaryotae S i u hòa ự đ ề đượ c th c ự

hi n nh các protein và RNA chuyên ệ ờ

bi t tác ệ độ ng nhi u m c ở ề ứ độ khác

nhau: phiên mã, sau phiên mã, d ch mã, sau ị

d ch mã ị

• Ở các sinh v t a bào, s bi t hóa t bào di n ậ đ ự ệ ế ễ

ra trong phát tri n qua nh ng giai o n ể ữ đ ạ

khác nhau Các gen i u hòa đ ề gi vai trò quan ữ

Điều hòa sự biểu hiện của gen.

• Mỗi sinh vật có hoạt động sống trong môi

trường ở dạng cơ thể Các sinh vật đơn bào là một tế bào

• Cơ thể sinh vật đa bào gồm nhiều tế bào có sự

biệt hóa chức năng, nhưng toàn bộ chúng phối

hợp với nhau hài hòa thành một thể thống nhất

trong mối quan hệ bên trong và với môi trường bên ngoài

• Hoạt động của gen trong cơ thể thống nhất

được điều hòa chính xác theo thời gian và trong

không gian tuân theo chương trình phát triển cá

thể.

HỌC THUYẾT TRUNG TÂM (The central dogma)

Học thuyết trung tâm cho rằng thông tin trên nucleic acid có thể được tiếp nối liên tục (sao

chép) hay chuyển tiếp (phiên mã và dịch mã), nhưng sự chuyển dạng thông tin thành protein là không thuận nghịch.

MỨC ĐỘ BIỂU HIỆN GENCác gen có thể được biểu hiện với những hiệu quả khác nhau trong những thời điểm và môi trường khác nhau

I CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỀU HÒA.

• 1 Điều hòa thích nghi

• 2 Hoạt động nối tiếp của các gen.

• Khi phage xâm nhập vi khuẩn, DNA của

phage lúc đầu sao chép, sau đó các protein khác nhau mới được tổng hợp nên Như vậy có các

gen “sớm”, sớm tạo enzyme sao chép DNA và các gen “muộn” xác định các thành phần của

vỏ Trong quá trình nhiễm vi khuẩn nhóm gen đầu hoạt động, nhóm thứ hai hoạt động tiếp

3 Biệt hóa tế bào

• Nhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiều tỉ tế bào bắt nguồn từ môït hợp tử do nguyên phân Từ một hợp tử ban đầu đến

khi trưởng thành cơ thể người có khoảng

200 loại tế bào khác nhau (tế bào tim, gan ,

thận, da ) Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin Quá trình chuyên

môn hóa chức năng đó gọi là sự biệt hóa

(differenciation).

Tế bào gốc

Tóm tắt từ Gene đến Protein

II ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

Ở PROKARYOTAE

• Trong tế bào có những enzyme được tổng hợp

đều là các enzyme cơ cấu (constitutif), các

enzyme khác chỉ xuất hiện khi cần biến đổi gọi

cảm ứng (inducible) Tương ứng phân biệt :

gen cơ cấu và gen điều hòa (regulator) Các gen

cơ cấu được phiên mã liên tục, các sản phẩm

thường xuyên có mặt trong tế bào Ví dụ: các gen sử dụng đường glucose Các gen được điều hòa hoạt động tùy điều kiện cụ thể của môi

trường như các gen sử dụng lactose ở E.coli.

1 Kiểm tra biến dưỡng.

• Tổng hợp tryptophan từ chất A (acid chorismique) qua 5 giai đoạn kế tiếp do 5 enzyme xúc tác Tổng hợp 5 enzyme E 1 , E 2 , E 3 ,

E 4 , E 5 do 5 gen nằm kề nhau điều khiển: Trp 1 , Trp 2 , Trp 3 , Trp 4 và Trp 5

• Ở một đầu của 5 gen cấu trúc có 2 gen nữa là

gen khởi động (promoter) và gen chỉ huy

(operator) Toàn bộ các gen cấu trúc, gen khởi

động và chỉ huy là 1 operon

• Một gen khác, cũng là gen cấu trúc, gọi là gen

điều hòa (regulator)

2 Kiểm tra thoái dưỡng

(catabolisme).

• Trong thoái dưỡng các chất thức ăn được phân hủy để tạo năng lượng hoặc các chất cần thiết cho quá trình tổng hợp Cơ chế điều hòa ở đây về nguyên tắc giống với điều hòa biến dưỡng, chỉ có khác là sự có mặt của cơ chất (ví

dụ lactose), gọi là chất cảm ứng dẫn tới tổng

hợp enzyme phân hủy.

• Operon lactose là ví dụ rất rõ về cơ chế

điều hòa này

• Qua các ví d ụ đầ u tiên đượ c nghiên c u ứ chi ti t v c ch i u hòa sinh v t ế ề ơ ế đ ề ở ậ nhân s , hàng lo t khái ni m m i ơ ạ ệ ớ đượ c

nêu ra: operon, gen i u hòa, gen c u trúc, đ ề ấ repressor, promoter, operator Bên c nh các ạ trình t nucleotide c a các gen c u trúc, ự ủ ấ gen i u hòa đ ề đượ c phiên mã, các trình t ự nucleotide c a promoter, operator ủ

không đượ c phiên mã, nh ng gi vai trò ư ữ quan tr ng trong bi u hi n gen ọ ể ệ

III CÁC CHU I TRÌNH T DNA VÀ CÁC Ỗ Ự PROTEIN I U HÒA GEN Đ Ề

• B gen c a t bào ch a trong trình t ộ ủ ế ứ ự

DNA c a chúng thông tin ủ để ạ t o ra hàng

nghìn các lo i phân t protein và RNA khác ạ ử

nhau M t t bào ch bi u hi n i n hình ộ ế ỉ ể ệ đ ể

m t ph n các gen c a nó, và nhi u ki u t ộ ầ ủ ề ể ế bào khác nhau trong các sinh v t a bào ậ đ đượ c

t o ra do các c m gen khác nhau bi u hi n ạ ụ ể ệ Làm sao t bào xác nh gen nào trong hàng ế đị

nghìn gen c a nó c n phiên mã ? ủ ầ

• S phiên mã c a m i gen ự ủ ỗ đượ c ki m soát ể

t t c các t bào và chúng g m 2 c u ph n ấ ả ế ồ ấ ầ

c n b n: (1) m t o n ng n DNA v i ă ả ộ đ ạ ắ ớ trình t nucleotide xác nh và (2) các ự đị

protein i u hòa gen nh n bi t và g n đ ề ậ ế ắ vào o n DNA ó đ ạ đ

1 Các chu i trình t ng n DNA làm ỗ ự ắ các i m nh n bi t đ ể ậ ế

m t trong 4 c p-base Do v y, các protein ộ ặ ậ

i u hòa gen nói chung th c hi n các ti p

xúc đặ c hi u v i vòng xo n l n DNA ệ ớ ắ ớ

• Các chu i trình t ng n DNA ỗ ự ắ là nh ng c u ph n c n ữ ấ ầ ă

b n c a các ả ủ công t c di truy n ắ ề óng m gen Các trình đ ở

t nucleotide ự đặ c hi u có th ệ ể đượ c nh n bi t nh ậ ế ư

nh ng ữ đặ c tính phân t trên b m t c a DNA xo n ử ề ặ ủ ắ

kép M i m t o n i n hình có chi u dài kho ng 20 ỗ ộ đ ạ đ ể ề ả

c p base, th c hi n ch c n ng làm các ặ ự ệ ứ ă đ ể i m nh n bi t ậ ế

cho vi c g n các protein i u hòa gen trong các công ệ ắ đ ề

t c di truy n Hàng nghìn các trình t nh v y ã ắ ề ự ư ậ đ đượ c xác nh, mà m i m t đị ỗ ộ đượ c nh n bi t b i m t protein ậ ế ở ộ

i u hòa khác nhau (hay b i c m các protein i u hòa)

Ví d , trình t DNA mà các protein i u hòa repressor ụ ự đ ề

Lac vi khu n nh n bi t nh sau: ở ẩ ậ ế ư

• 5’AATTGTGAGCGGATAACAATT

2 Các protein i u hòa gen đ ề

• Bây gi chúng ta chuy n sang chính nh ng ờ ể ữ protein i u đ ề hòa gen (Gene regulatory proteins), c u ph n c n b n ấ ầ ă ả

th hai c a các công t c di truy n Chúng nh n bi t ứ ủ ắ ề ậ ế

nhân th c, các protein này th ự ườ ng g n vào các trình t ắ ự

DNA chuyên bi t ệ để ho t hóa hay c ch phiên mã c a ạ ứ ế ủ gen S i u hòa c a các gen c a ự đ ề ủ ủ Eukaryotae b c cao ậ

ph c t p h n r t nhi u, t ứ ạ ơ ấ ề ươ ng ng v i kích th ứ ớ ướ c

b gen l n và nhi u ki u t bào ộ ớ ề ể ế đượ c hình thành

• Các protein i u hòa gen ch a các motif có th đ ề ứ ể

c các trình t ng n hay ký t chu i (sequence)

DNA M t protein i u hòa gen nh n bi t ký t ộ đ ề ậ ế ự chu i ỗ đặ c hi u DNA vì b m t c a protein b ệ ề ặ ủ ổ sung r t ch t v i các ấ ặ ớ đặ c tính b m t ề ặ đặ c bi t ệ

c a chu i xo n kép vùng ó Trong h u h t các ủ ỗ ắ ở đ ầ ế

tr ườ ng h p, protein t o ra hàng lo t ti p xúc v i ợ ạ ạ ế ớ DNA bao g m các liên k t hydro, liên k t ion và các ồ ế ế

t ươ ng tác k n ỵ ướ c M c dù m i ti p xúc riêng y u, ặ ỗ ế ế

nh ng 20 ho c kho ng ó làm cho giao di n ư ặ ả đ ệ

protein-DNA v i nhau ớ đả m b o cho s t ả ự ươ ng tác có tính đặ c hi u cao và r t m nh (hình 10.5) ệ ấ ạ Trên th c t , các t ự ế ươ ng tác DNA-protein bao g m ồ

m t s t ộ ố ươ ng tác phân t ch t và ử ặ đặ c hi u nh t ệ ấ

• M c dù m i m t protein trong s ó ặ ỗ ộ ố đ

có nh ng ữ đặ c tính độ đ c áo, ph n ầ

l n nh n bi t và g n vào DNA thông ớ ậ ế ắ qua m t ít motif c u trúc Có 4 ki u ộ ấ ể motif c u trúc khác nhau cho các ấ

t ươ ng tác protein-DNA: xo n-vòng ắ

cu n-xo n (Helix-turn-helix), ngón ộ ắ tay k m (Zinc finger), khóa dây kéo ẽ

leucine (Leucine zipper) và xo n- ắ

móc-xo n (Helix-loop-helix) ắ

Motif protein g n-DNA xo n-vòng cu n-xo n ắ ắ ộ ắ

(A) Motif (B) Motif l p vào vòng xo n l n c a DNA ắ ắ ớ ủ

• Motif xo n-vòng cu n-xo n ắ ộ ắ là motif g n-DNA ắ

n gi n nh t và ph bi n nh t, u tiên c

đơ ả ấ ổ ế ấ đầ đượ xác nh vi khu n, nh ng đị ở ẩ ư đế n nay tìm th y ấ

hàng tr m motif này c sinh v t nhân s và nhân ă ở ả ậ ơ

vai trò quan tr ng trong s nh n bi t trình t ọ ự ậ ế ự DNA đặ c hi u mà protein g n vào ó ệ ắ đ

• Các nhân t phiên mã chung ố (general

transcription factors) là các protein i u hòa đ ề

c n thi t cho s phiên mã ầ ế ự ở Eukaryotae

Chúng đặ t RNA polymerase II vào các i m đ ể

• Nói chung, các protein i u hòa gen cho phép các đ ề gen óng hay m và ph thu c vào tác đ ở ụ ộ độ ng

ng ượ c nhau ó đ đượ c chia làm 2 lo i : ạ

• – Activator (ch t ho t hóa) là protein ho t hóa ấ ạ ạ hay m gen ở

• – Repressor (ch t kìm hãm) là protein kìm hãm s ấ ự

bi u hi n hay óng gen ể ệ đ

• Ở Eukaryotae, ngượ ạ ớ c l i v i m t s l ộ ố ượ ng

nh các nhân t phiên mã chung, có ỏ ố hàng nghìn

protein i u hòa gen đ ề Ví d , ng ụ ở ườ i trong s ố kho ng 25.000 gen c a b gen thì ~2.000 gen ả ủ ộ

3 Các trình t i u hòa các gen mã hóa- ự đ ề ở

protein

• M c dù t t c các b ặ ấ ả ướ c trong quá trình bi u ể

hi n gen v nguyên t c có th ệ ề ắ ể đượ đ ề c i u hòa, đố ớ i v i ph n l n các gen vi c ầ ớ ệ kh i s ở ự phiên mã ra RNA là i m ki m soát quan đ ể ể

tr ng h n c Khác v i các ọ ơ ả ớ Prokaryotae,

trong ó các gen g n nhau đ ầ đượ c phiên mã

thành c m trong operon, các ụ Eukaryotae có

các gen đơ ẻ n l

• H u h t các gen ầ ế ở Eukaryotae đề u có nh ng ữ

trình t khác trên DNA i u hòa s phiên mã ự đ ề ự Ở

Prokaryotae, m t ti u ộ ể đơ n v peptide ị đơ n có

th làm cho RNA polymerase nh n bi t ể ậ ế

promoter; ở Eukaryotae nhi u protein khác nhau ề tham gia vào kh i s phiên mã S bi u hi n c a ở ự ự ể ệ ủ các gen mã hóa-protein đượ đ ề c i u hòa b i nhi u ở ề

trình t DNA g n-protein ự ắ , nói chung đượ c coi là

các vùng ki m soát-phiên mã ể Chúng g m các ồ promoter,

n i g n RNA polymerase, các ki u ơ ắ ể ph n t ầ ử

ki m soát ể (control elements) khác g n các i m ở ầ đ ể

xu t phát phiên mã nh ấ ư o n g n protein i u hòa đ ạ ắ đ ề

(regulator protein), o n g n các nhân t phiên mã đ ạ ắ ố

(transcription factors) và enhancer là các trình t ự

Vùng ki m soát c a m t gen i n hình ể ủ ộ đ ể ở

sinh v t nhân th c ậ ự

• Các trình t i u hòa ự đ ề này làm các i m g n cho các đ ể ắ protein i u hòa gen, mà s hi n di n c a chúng đ ề ự ệ ệ ủ trên DNA tác độ ng đế n t c ố độ kh i s phiên mã ở ự

Các enhancer (nhân t t ng cố ă ườ ng) nói chung có chi u dài t kho ng 50 ề ừ ả đế n 200 c p base và g m ặ ồ các i m g n cho vài nhân t phiên mã Chúng ch a đ ể ắ ố ứ nhi u ph n t ki m soát ng n, có th n m cách ề ầ ử ể ắ ể ằ

xa t 200 c p base ừ ặ đế n hàng ch c nghìn base ụ

phía tr ướ c ho c sau promoter bên trong m t ặ ộ

intron, hay phía d ướ ừ i t exon cu i c a m t ố ủ ộ

gen

• Các activator g n vào enhancer có th làm ắ ể

Tác độ ng c a activator lên enhancer ph i h p v i protein ủ ố ợ ớ

i u hòa và các nhân t phiên mã làm kh i s phiên mã

IV VAI TRÒ I U HÒA C A CÁC Đ Ề Ủ RNA NH KHÔNG MÃ HÓA Ỏ

• Hàng lo t các nghiên c u trong 2 th p niên g n ây, ạ ứ ậ ầ đ

nh t là các phát minh gây n t ấ ấ ượ ng m nh cho th y ạ ấ

r ng các nh ằ ư microRNA, RNAi can thi p ệ , đượ c

g i là ọ RNA không mã hóa (noncoding RNAs) hi n ệ

di n trong t bào nhi u h n nh t ệ ế ề ơ ư ưở ng t ượ ng

tr ướ đ c ây và óng vai trò mà tr đ ướ đ c ây ch a tiên ư

oán c, nh ng r t ph bi n trong i u hòa

bi u hi n gen Gi i Nobel sinh lí h c và y h c ể ệ ả ọ ọ

n m 2006 ã xác nh n t m quan tr ng c a các ă đ ậ ầ ọ ủ

lo i RNA này ạ

1 Ph n-RNA ả

• N m 1981, Tomizawa phát hi n ra hi n t ă ệ ệ ượ ng ph n- ả

RNA (Antisense-RNA), nh ng RNA ữ đượ c sao chép t ừ

m ch b sung v i m ch mã g c t o ra mRNA có ạ ổ ớ ạ ố ạ trình

t nucleotide ng ự ượ c chi u ề (do ó g i là đ ọ đố ướ i h ng -

antisense) Các ph n-RNA này có th kìm hãm t ng h p ả ể ổ ợ protein c a gen t ủ ươ ng ng b ng b t c p b sung v i ứ ằ ắ ặ ổ ớ mRNA c a nó (hình 10.9) H n n a, vi c làm “ ủ ơ ữ ệ im l ng ặ ”

gen không òi h i c phân t ph n RNA mà ch c n đ ỏ ả ử ả ỉ ầ 1

o n ng n ph n oligonucleotide

đ ạ ắ ả (ng ượ c chi u) làm ề

ng ng ho t ư ạ độ ng c a b t kì gen nào g i là “ ủ ấ ọ h o ván ạ đ ” (gene knock-out) Quá trình t DNA ừ đế n protein có th ể kìm hãm nhi u ch do ph n oligonucleotide g n vào ở ề ỗ ả ắ

nh c ch các nhân t phiên mã g n vào DNA, ng n tr ư ứ ế ố ắ ă ở giai o n t o mRNA tr đ ạ ạ ưở ng thành để ra ngoài nhân và

Ph n RNA b t c p b sung v i m t ả ắ ặ ổ ớ ộ

o n mRNA làm d ng d ch mã

Từ đầu thập niên 1980, các phản oligonucleotide

(antisense) được tổng hợp để ức chế các gen gây bệnh ung

2 microRNA

• N m 1993, nhi u nghiên c u ã phát hi n ra các ă ề ứ đ ệ

phân t ử RNA nh m ch kép ỏ ạ , g i là ọ microRNA

(miRNA), có kh n ng g n b sung v i mRNA ả ă ắ ổ ớ

c các gen ng ả ườ i mã hóa protein Khi đượ ạ c t o

ra, các miRNA b t c p-base (base-pair) v i các ắ ặ ớ

mRNA đặ c hi u và i u hòa s n nh và d ch ệ đ ề ự ổ đị ị

mã c a chúng ủ

• Vài đặ c tính làm các miRNA thành các ch t i u ấ đ ề hòa (regulators) h u ích ữ đặ c bi t cho s bi u ệ ự ể

hi n gen Th nh t, m t miRNA có th i u ệ ứ ấ ộ ể đ ề hòa c lo t các mRNA khác nhau khi mà các ả ạ

mRNA có mang trình t chung c a chúng Tình ự ủ

hu ng này c ng chung cho ng ố ũ ở ườ i, n i mà m t ơ ộ

s miRNA ki m soát hàng tr m các mRNA khác ố ể ă nhau Th hai, s i u hòa do miRNA có th ứ ự đ ề ể

ph i h p Khi mà s b t c p base miRNA và ố ợ ự ắ ặ

mRNA không kích ho t c t, thì s g n thêm các ạ ắ ự ắ miRNA vào chính mRNA ó d n đ ẫ đế n làm gi m ả

d ch mã ị

• S ki m soát ph i h p ự ể ố ợ m ra áng k nh ng ở đ ể ữ

kh n ng v n có c a t bào ả ă ố ủ ế đố ớ ự ể i v i s bi u

hi n gen b ng nhi u ch t i u hòa h n là ệ ằ ề ấ đ ề ơ

m t ch t ộ ấ đơ độ n c Th ba, m t miRNA ch ứ ộ ỉ choán m t o n nh trong h gen so v i m t ộ đ ạ ỏ ệ ớ ộ protein.Trên th c t , kích th ự ế ướ c nh c a ỏ ủ

chúng là m t lí do vì sao miRNA m i ch ộ ớ ỉ đượ c phát hi n g n ây M c dù chúng ta m i b t ệ ầ đ ặ ớ ắ

u hi u toàn b óng góp c a miRNA,

nh ng ã rõ r ng chúng th hi n m t ph n r t ư đ ằ ể ệ ộ ầ ấ quan tr ng trong b công c t bào dành cho ọ ộ ụ ế nhi u ki u i u hòa bi u hi n các gen c a ề ể đ ề ể ệ ủ

3 siRNA nh can thi p ỏ ệ

• S gia t ng hi u bi t v miRNA và nghiên c u ự ă ể ế ề ứ

th c nghi m sâu h n v vai trò c a chúng ã d n ự ệ ơ ề ủ đ ẫ

n phát minh

(double strand RNA – dsRNA) vào t bào ế độ ng

chu t Nó liên quan ộ đế n m t lo i ộ ạ RNA nh can ỏ

thi p siRNA ệ (small interfering RNA - siRNA)

• Các nghiên c u ti p theo cho th y c ng chính ứ ế ấ ũ cùng m t b máy t bào s n sinh ra c miRNA ộ ộ ế ả ả

và siRNA, mà c hai ả đề u thu hút ph c h p ứ ợ

protein ch a enzyme dicer ứ , chính enzyme tham gia t o miRNA, c t RNA m ch kép thành các ạ ắ ạ

o n ng n (kho ng 20 c p base) thành

can thi p nh ệ ỏ S khác nhau gi a 2 lo i RNA ự ữ ạ

nh này là ỏ ở ti n ch t ề ấ (precursor) t o ra chúng ạ Trong khi miRNA th ườ ng t o ra t m t ạ ừ ộ

d ng k p tóc ti n ch t RNA, siRNA ạ ẹ ề ấ đượ c

hình thành t các phân t RNA m ch kép dài h n ừ ử ạ ơ nhi u, mà m i ề ỗ phân t b c t t o ra nhi u ử ị ắ ạ ề