Điều hòa biểu gene

24/03/2016 Chương Điều hòa biểu gene Nguyễn Hữu Trí 3/24/2016 2:59:32 AM Điều hịa biểu Prokaryote Q trình kiểm sốt gene Prokaryote đòi hỏi đáp ứng nhanh với thay đổi mơi trường Kiểm sốt gene dương – có nghĩa hoạt hóa hoạt động gene, âm – kìm hãm hoạt động gen Điều hòa biểu gene Prokaryote chủ yếu mức độ phiên mã DNA 3/24/2016 2:59:32 AM → mRNA → Protein Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Mơ hình Operon điều hịa • • • Phức hợp gọi operon mô tả vào năm 1961 Francois Jacob Jacques Monod Một operon có ba phần: promoter, operator gen cấu trúc Thêm vào gen điều hòa liên quan đến việc cho phép gen cấu trúc phiên mã hay không Operon – Một cụm gene cấu trúc đặt kiểm sốt vùng điều hịa (Repressor binding site = operator ; RNAP binding site = promoter 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí Phức hợp Operon Promoter: nhận diện RNA polymerase nơi bắt đầu q trình phiên mã Operator: kiểm sốt việc gắn RNA polymerase vào promoter thông thường nằm promoter nẳm promoter gen cần phiên mã Gene cấu trúc: gene cấu trúc (hoặc gen thiết kế) mã hóa cho chuỗi polypeptide 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Mơ hình Operon điều hịa • • Một operon cảm ứng (inducible) chứa cụm gen cấu trúc thơng thường dạng đóng (off), bị khóa repressor Khi tác nhân kiểm sốt gắn vào repressor, tách khỏi vị trí khóa gene (vì ngừng ức chế) Gen sau trở thành trạng thái mở (on) repressor gắn trở lại operator Operon cảm ứngđược hoạt hóa phân tử cảm ứng nhỏ VD: Lac operon Một operon ức chế (repressible) chứa cụm gen cấu trúc thông thường dạng mở (on) Khi tác nhân kiểm soát gắn vào repressor, repressor gắn vào operator, khóa gene cấu trúc gen trở thành trạng thái đóng (off) Operon ức chế - bị đóng chất đồng kìm hãm VD: Trp operon 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí Cơ chế điều hịa gene • Kiểm sốt dương: trình phiên mã xảy promoter hoạt hóa activator • Kiểm sốt âm thường chế phổ biến prokaryote • Kiểm sốt dương thường phổ biến eukaryote • Sự tự điều hịa: protein điều hịa q trình phiên mã 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Kiểm sốt dương - Kiểm soát âm Kiểm soát dương: Kiểm soát dương = activator gắn vào vị trí điều hịa để kích thích q trình phiên mã gene, cần có mặt nhân tố activator để phiên mã xảy Kiểm soát âm: Kiểm soát âm = repressor gắn lên bị trí điều hịa để chặn lại q trình phiên mã gene Sự có mặt nhân tố repressor ức chế trình phiên mã, phiên mã xảy repressor bị bất hoạt inducer Cả hai kiểu operon cảm ứng ức chế, gen đóng repressor gắn vào operator Sự khác biệt cách hoạt động tác nhân kiểm soát repressor 3/24/2016 2:59:32 AM 3/24/2016 Nguyễn Hữu Trí Kiểm sốt dương: cảm ứng Phức hợp activator inducer gắn lên vị trí điều hịa Xảy phiên mã 3/24/2016 2:59:32 AM 3/24/2016 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Kiểm sốt dương: ức chế Phức hợp activator repressor khơng thể gắn với vị trí điều hịa Không phiên mã 3/24/2016 2:59:32 AM 3/24/2016 Nguyễn Hữu Trí Kiểm sốt âm: cảm ứng Khi inducer diện, repressor khơng thể gắn lên vị trí điều hịa Xảy phiên mã Allolactose, inducer 3/24/2016 2:59:32 AM 3/24/2016 10 Nguyễn Hữu Trí 10 24/03/2016 Kiểm sốt âm: ức chế Phức hợp repressorcorepressor gắn lên vị trí điều hịa Khơng phiên mã Tryptophan, corepressor 3/24/2016 2:59:32 AM 3/24/2016 11 Nguyễn Hữu Trí 11 Lac Operon • Sự biểu gene cảm ứng hay theo chương trình • Repressor thường biểu từ gen i • Repressor gắn vào operator để chặn trình phiên mã gene cấu trúc • Inducer lactose gắn làm bất hoạt repressor cho phép khởi đầu trình phiên mã • Lactose operator vị trí cần thiết cho ức chế • Lactose promoter vị trí cần thiết cho phiên mã • Lac operon chứa vùng gen cấu trúc liên kết với gene điều hịa 3/24/2016 2:59:32 AM 12 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Disaccharide Lactose Lactose, đường tìm thấy sữa, hình thành galactose glucose nối với qua cầu nối a (1→4) glycosidic 3/24/2016 2:59:32 AM 13 Nguyễn Hữu Trí 14 Nguyễn Hữu Trí Lac Operon 3/24/2016 2:59:32 AM 24/03/2016 Lac Operon Khi khơng có lactose (controller), repressor gắn vào operator ức chế trình phiên mã cách ngăn RNA polymerase gắn vào promoter 15 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí Lac Operon Khi có chất, allolactose (controller), gắn vào phân tử repressor nằm vùng operator gene, repressor tách khỏi gen RNA polymerase gắn vào promoter gene mã hóa cho ba enzyme cần thiết cho việc sử dụng lactose phiên mã 3/24/2016 2:59:32 AM 16 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Lac operon • Khi enzyme tổng hợp , lactose sử dụng, bao gồm phân tử allolactose gắn vào repressor Khi allolactose không cịn gắn vào repressor protein, repressor khóa promoter (bằng cách gắn vào operator), làm trình phiên mã ngừng Đây chế kiểm sốt âm, promoter bị khóa operator bị gắn repressor • Lactose operon ví dụ điều hịa hoạt động gen cảm ứng, diện chất đường chuyển hóa (metabolic pathway) cảm ứng trình tổng hợp enzyme Bởi allolactose cảm ứng phiên mã, lactose operon gọi operon cảm ứng ( số trường hợp, gọi operon giải ức chế - derepressable operon lactose làm ngừng hoạt động repressor) 3/24/2016 2:59:32 AM 17 Nguyễn Hữu Trí Lac operon 3/24/2016 2:59:32 AM 18 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Lac Operon • Lactose operon có phần kiểm sốt dương • Kiểm sốt dương lac operon liên quan đến cAMP-CRP (cyclic AMP receptor protein; CAP: catabolite activator protein) gắn vào promoter để hoạt hóa q trình phiên mã RNA polymerase • Phức cAMP-CRP điều hịa hoạt tính lac operon 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí 19 Lac Operon Khi mức glucose tế bào xuống thấp, cAMP (cyclic adenosine monophosphate), chất truyền tin thứ hai việc truyền tín hiệu tế bào tích lũy lại cAMP gắn vào vị trí allosteric CRP hình thành phức CRP- cAMP CRP-cAMP gắn vào vị trí kế lactose operon promoter làm RNA polymerase dễ dàng gắn vào vùng promoter tăng cường việc phiên mã enzyme lactase (nếu lactose diện tách phân tử lactose repressor) 3/24/2016 2:59:32 AM 20 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Lac Operon 3/24/2016 2:59:32 AM 21 Nguyễn Hữu Trí Lac Operon 3/24/2016 2:59:32 AM 22 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Lac Operon 3/24/2016 2:59:32 AM 23 Nguyễn Hữu Trí Trp Operon • • • Trp operon chứa gen cấu trúc cần thiết cho trình sinh tổng hợp tryptophan Trp operon hoạt hóa q trình phiên mã khơng có diện tryptophan Hệ thống ức chế điều hòa chế kiểm soát ngược âm 3/24/2016 2:59:32 AM 24 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Trp Operon • Trp operon đóng tryptophan gắn vào làm bất hoạt aporepressor • Phức hợp tryptophan-repressor gắn vào operator ngăn chặn trình phiên mã mức tryptophan cao • Nếu mức tryptophan sụt giảm,phức hợp trp-repressor tách khỏi operator 3/24/2016 2:59:32 AM 25 Nguyễn Hữu Trí Trp Operon - Điều hịa giảm bớt (Attenuation) • Attenuation – hình thức nhạy kết hợp với điều hòa dịch mã Trp operon • Trình tự trp attenuator có chứa trình tự base bổ sung đầu 5’ mRNA bắt cặp bổ sung tao thành cấu trúc thân (stem) vòng (loop) 3/24/2016 2:59:32 AM 26 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Trp Operon - Điều hịa giảm bớt 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí 27 Trp Operon - Điều hịa giảm bớt • Sự điều hịa giảm bớt nguyên nhân gây kết thúc phiên mã sớm mRNA hình thành cấu trúc kẹp tóc ngừng phiên mã vùng đầu 5’ mRNA • Nếu tRNA-trp diện, trình tổng hợp peptide leader dẫn tới bắt cặp bổ sung mRNA tạo thành cấu trúc ngăn cản hoạt động RNAP 3/24/2016 2:59:32 AM 28 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Trp Operon - Điều hòa giảm bớt 3/24/2016 2:59:32 AM 29 Nguyễn Hữu Trí Trp Operon - Điều hịa giảm bớt DNA + trp RNA Leader peptide RNA polymerase Ngừng phiên mã Cấu trúc ngừng phiên mã DNA - trp RNA polymerase RNA Phiên mã tiếp tục Leader peptide 3/24/2016 2:59:32 AM 30 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Một số Operon điều hịa giảm bớt 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí 31 Operon Arabinose 3/24/2016 2:59:32 AM 32 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Operon Arabinose AraC protein có chức homodimer Mỗi monomer có domain, domain có khả dimer hóa liên kết với arabinose domain liên kết với DNA AraC protein điều hịa kiểm sốt dương âm promoter pBAD kiểm sốt âm với promoter pC 33 3/24/2016 Operon Arabinose araO1: trình tự operator Khi có arabinose, AraC cạnh tranh với RNA polymerase để bám vào trình tự tự ức chế trình phiên mã (PC promoter), bám AraC AraC vào vị trí giúp hoạt hóa biểu promoter PBAD araO2: trình tự operator Sự bám phân tử AraC lên trình tự O2 I1 cách 194 bp tạo thành loop, ức chế phiên mã PBAD promoter araI: trình tự cảm ứng Trong trường hợp khơng có arabinose, phân tử AraC bám lên vùng I1 vùng araO2 tạo loop, ức chế PBAD Khi có arabinose, phân tử AraC bám lên vùng (I1 I2), kích hoạt biểu PBAD CRP (cAMP receptor binding protein) protein có khả gắn với cAMP Hỗ trợ cho trình tái xếp AraC có xuất arabinose 34 3/24/2016 24/03/2016 Arabinose Opreron Positive control pBAD : Khi có diện Arabinose, protein AraC đóng vai trị activator, cảm ứng phiên mã promoter pBAD Negative control pBAD : Khi diện Arabinose, protein AraC đóng vai trò repressor, ức chế phiên mã promoter pBAD Negative control pC: Khi khơng có arabinose: tạo loop AraC ức chế tổng hợp AraC Khi có mặt arabinose: dimeAraC mở vịng DNA, vùng pC mở nhanh chóng gia tăng hoạt tính, tổng hợp AraC, RNA polymerase cạnh tranh với AraC ức chế hoạt động pC, trì số lượng protein AraC nội bào thấp CAP-cAMP đóng vai trị repressor kiểm sốt phiên mã protein điều hịa AraC 35 3/24/2016 Operon Arabinose Promoter araBAD operon E coli hoạt hóa có arabinose khơng có glucose Hai activator hoạt động AraC CAP Khi arabinose diện, AraC gắn với arabinose để hình thành cấu trúc dimer cho phép gắn vào DNA vị trí nằm cạnh aral1 aral2 Phía upstream vị trí gắn CAP: khơng có glucose, CAP gắn với cAMP trở thành đồng hoạt hóa Ara operon Khi khơng có arabinose, gene araBAD khơng biểu Vì khơng bám với arabinose, AraC thay đổi cấu hình bám vào DNA theo cách khác: monomer bám vào aral1 monomer khác gắn vào vùng araO2 cách xa 194 bp hình thành cấu trúc vịng (loop) Khi đó, khơng có monomer AraC vị trí aral2, khơng có q trình hoạt hóa phiên mã araBAD promoter diễn 3/24/2016 36 24/03/2016 CAP protein Ara điều hòa ức chế biến dưỡng protein CAP (Catabolite Activator Protein) glucose (+) ⇒ cAMP thấp ⇒ CAP tự ⇒ khơng hình thành phức hợp CAP-cAMP ⇒ aAra operon khơng phiên mã Glucose (-) ⇒ cAMP cao ⇒ hình thành phức hợp CAP-cAMP Phức hợp bám lên vị trí uptream araI, giúp cho mở loop tăng tính hiệu phiên mã 37 3/24/2016 Arabinose operon Kiểm sốt dương: gắn protein điều hịa lên DNA hoạt hóa phiên mã Kiểm sốt âm: gắn protein điều hòa lên DNA ức chế phiên mã Kiểm soát dương (cảm ứng) 3/24/2016 Kiểm soát âm (cảm ứng) 38 24/03/2016 Điều hòa thành phần protein E coli PhoR PhoB, điều hòa phiên mã đáp ứng với nồng độ phosphate tự PhoR (sensor) protein vận chuyển màng, nằm màng tế bào, có domain nằm chu chất (periplasmic) liên kết với phosphate domain tế bào chất có hoạt tính kinase; PhoB (response regulator) protein tế bào chất 3/24/2016 2:59:32 AM 39 Nguyễn Hữu Trí Điều hịa tầng (Cascade regulation) • Một chế điều hịa nhanh chóng tiết kiệm lượng prokaryote sử dụng nhâc tố σ khác • Mỗi σ định hướng cho RNA polymerase xác định gắn lên promoter Những promoter kiểm sốt biểu nhóm genes liên quan đến hoạt động chuyển hóa chuyên biệt tế bào • Sau hai ví dụ điều hòa biểu gen cách sử dụng nhân tô sigma khác – Sử dụng luân phiên nhân tố σ E coli cho tự điều chỉnh thích hợp với mơi trường – Sử dụng luân phiên nhân tố σ SPO1 bacteriophage suốt trình xâm nhiễm 3/24/2016 2:59:32 AM 40 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Sử dụng luân phiên nhân tố σ E coli • Ở trạng thái bình thường, RNA polymerase holoenzyme chứa σ70, nhân tố σ phổ biến nhất, nhận biết promoter gen cấu trúc hầu hết nhờ σ70 • Khi E coli gặp môi trường shock nhiệt (heat shock) tăng lên đột ngột nhiệt độ môi trường, nhân tố σ mới, σ32, tổng hợp lượng lớn thay cho σ70 để định hướng cho RNA polymerase gắn vào heat- shock gene promoter Sản phẩm biểu gen giúp cho tế bào chống lại nguy hiểm shock nhiệt • Sự gia tăng hàm lượng σ32 : – (1) tăng cường dịch mã mRNA σ32 – (2) Sự ổn định protein σ32 • Các nhân tố σ ln phiên sử dụng hồn cảnh mơi trường khác để biểu gen khác 3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí 41 Sử dụng luân phiên nhân tố σ E coli 3/24/2016 2:59:32 AM 42 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Sử dụng luân phiên nhân tố σ SPO1 bacteriophage q trình xâm nhiễm • • • SPO1 phage xâm nhiễm vào Bacillus subtilis có bước biểu gene – gen sớm, trung gian gene muộn biểu thời điểm khác trình xâm nhiễm phage Các gen sớm phage biểu RNA polymerase vi khuẩn với việc sử dụng nhân tố σ vi khuẩn Một sản phẩm gene sớm biểu nhân tố σ28 phage nhân tố σ28 phage thay nhân tố σ vi khuẩn để định hướng RNA polymerase đến promoter gene trung gian phage Trong số sản phẩm gene trung gian có nhân tố σ34 Tới lượt nó, nhân tố σ34 tham gia vào trình biểu gene muộn phage 3/24/2016 2:59:32 AM 43 Nguyễn Hữu Trí Kiểm sốt phiên mã virus • Virus sử dụng vật liệu tế bào chủ để nhân lên, phiên mã dịch mã gene virus, hoạt hóa q trình ngun nhân làm tan tế bào chủ Phage ơn hịa (temperate phage) xác định provirus tách khỏi DNA tế bào chủ trờ thành dạng lytic Virus làm ngừng hoạt động phiên mã dịch mã gen tế bào chủ • Kiểm sốt di truyền Lamba (l) phage ơn hịa nghiên cứu Phage l trở thành dạng lysogenic tế bào chủ mơi trường thuận lợi chúng có khả nhân lên nhanh chóng Khi tế bào chủ tạo nên nhiều hệ mới, tế bào mang phage l phage l trở thành dạng tan tế bào chủ yếu 3/24/2016 2:59:32 AM 44 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Kiểm soát phiên mã virus Hai virus protein, Cro cI kiểm soát sức khỏe tế bào chủ Khi tế bào chủ khỏe, cI protein tích lũy để hoạt hóa chức gene lysogenic gene ức chế chức gene lytic Khi tế bào chủ suy yếu, Cro protein tích lũy, ức chế chức gene lysogenic thúc đẩy hoạt động gene lytic Tỉ lệ Cro với cI định l phage lysogenic hay Iytic Các virus khác có chế kiểm sốt tương tự 3/24/2016 2:59:32 AM 45 Nguyễn Hữu Trí Kiểm sốt phiên mã virus 3/24/2016 2:59:32 AM 46 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Điều hịa biểu gen Prokaryote mức độ dịch mã • Ở prokaryotes, kiểm sốt biểu gen mức độ dịch mã dựa vào chế sau : Hiệu suất khởi đầu dịch mã khác trính tự xung quanh start codon AUG Hiệu suất kéo dài dịch mã khác việc hình thành cấu trúc thứ cấp mRNA Tốc độ phân rã mRNA khác 3/24/2016 2:59:32 AM 24/03/2016 2:59 SA Nguyễn Hữu Trí 47 48 Nguyễn Hữu Trí ... xâm nhiễm • • • SPO1 phage xâm nhiễm vào Bacillus subtilis có bước biểu gene – gen sớm, trung gian gene muộn biểu thời điểm khác trình xâm nhiễm phage Các gen sớm phage biểu RNA polymerase vi... gene lysogenic gene ức chế chức gene lytic Khi tế bào chủ suy yếu, Cro protein tích lũy, ức chế chức gene lysogenic thúc đẩy hoạt động gene lytic Tỉ lệ Cro với cI định l phage lysogenic hay Iytic... nằm promoter nẳm promoter gen cần phiên mã Gene cấu trúc: gene cấu trúc (hoặc gen thiết kế) mã hóa cho chuỗi polypeptide 3/24/20 16 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí 24/03/20 16 Mơ hình Operon điều hịa