HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC oo0oo SH03004 – SINH HỌC PHÂN TỬ 2 Đề tài Điều hòa biểu hiện gen ở Prokaryote STT Họ tên Mã sinh viên Lớp 1 Trần Đức Hiếu 645476 K64CNSHA 2 Phạm V.
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC oo0oo SH03004 – SINH HỌC PHÂN TỬ Đề tài: Điều hòa biểu gen Prokaryote STT Họ tên Trần Đức Hiếu Phạm Việt Hoàng Nguyễn Khắc Dương Khanh Trần Thị Phương Thúy Phan Thị Hoài Thương Lưu Quang Trung Mã sinh viên 645476 647067 646744 643012 647162 642891 Hà Nội – 6/2021 Lớp K64CNSHA K64CNSHA K64CNSHA K64CNSHA K64CNSHA K64CNSHA MỤC LỤC Mục đích việc điều hịa biểu gen 2 Điều hòa biểu gen Prokaryote 2.1 Cấu trúc promoter 2.2 Cấu trúc operon 2.3 Điều hịa dương tính operon lactose 2.4 Điều hịa âm tính operon tryptophan Tài liệu tham khảo 1 Mục đích việc điều hịa biểu gen Biểu gen (Gene expression hay expression) ám trình liên quan đến việc chuyển đổi thông tin di truyền chứa gen để chuyển thành axit amin hay protein (mỗi loại protein thể cấu trúc chức riêng tế bào) Tuy nhiên, tồn số gen không mã hóa cho protein (ví dụ: rARN, tARN) Sự biểu gen chịu kiểm soát chế điều hịa Các chế đóng vai trò quan trọng cho hoạt động sống, đáp lại biến đổi mơi trường bên bên ngồi thể Không phải loại protein tổng hợp với số lượng giống tế bào phải có chế điều hịa để tổng hợp protein hợp lý tiết kiệm Như vậy, số gen hoạt động nhiều hơn, thường xuyên hơn, số khác hoạt động giai đoạn định điều kiện định chu trình sống Sự điều hòa biểu gen nhân sơ nhân thực có nét khác diễn ba giai đoạn: − Điều hòa phiên mã − Điều hòa dịch mã − Điều hòa tiết protein Điều hòa biểu gen Prokaryote Các gen phiên mã tạo RNA, gọi gen cấu trúc Các protein dịch mã từ mRNA enzyme khơng phải enzyme Trong số protein khơng phải enzyme có protein điều hòa (regulatory protein), chúng tương tác với trình tự DNA đặc hiệu để kiểm sốt hoạt tính phiên mã gen cấu trúc Các gen tổng hợp protein điều hòa gọi gen điều hịa (regulatory gene) Phía trước gen cấu trúc (hoặc nhóm gen) có trình tự promoter, nơi RNA polymerase nhận biết (Hình 2) Cơ chế điều hịa prokaryote chủ yếu thực thông qua operon Đây khái niệm tồn prokaryote Hình 2: Phương thức chung điều hịa biểu gen Prokaryote 2.1 Cấu trúc promoter Thực chất phiên mã quan hệ trực tiếp RNA polymerase promoter Khi RNA polymerase gắn vào promoter, phiên mã tạo phân tử RNA Phần lớn promoter E coli có cấu trúc: Nếu base phiên mã thành mRNA (luôn purine, thường adenine) đánh số +1, tất base phía 5’ hay “phía trước” so với khơng phiên mã số trừ (-) Ngay phía trước +1 có base thường với trình tự TATAAT xung quanh -10, trình tự TTGACA (trình tự liên ứng-consensus sequence) xung quanh -35 Cả hai trình tự phối hợp cho phép RNA polymerase gắn vào khởi dịch mã, trình tự -35 tạo điều kiện cho việc gắn vào 2.2 Cấu trúc operon Mơ hình operon điều hịa phiên mã Cơ chế điều hòa di truyền hệ thống lac (lac system) giải thích mơ hình operon Francois Jacob Jacque Monod (1960) Hệ thống sử dụng lactose gồm loại thành phần: gene cấu trúc mã hóa protein cần thiết cho vận chuyển chuyền hóa lactose yếu tố điều hịa (gene ức chế lac I, promoter lac P operator lac O) Sản phẩm gene cấu trúc mã hóa phân tử mRNA đa ciston (polycistromic) Gene Z mã hóa cho enzyme β-galactosidase (thủy phân đường lactose thành galactose glucose), gene Y mã hóa cho enzyme permease (cần cho vận chuyển lactose qua màng), gene A mã hóa cho enzyme transacetylase (vai trị chuyển hóa lactose chưa rõ) Đột biết promotor (lac P) làm khả tổng hợp mRNA Sản phẩm gene lac I chất ức chế, bám vào trình tự base DNA cấu tạo operator Chất ức chế bám vào operator, ngăn cản khởi đầu phiên mã mRNA nhờ RNA polymerase Chất cảm ứng (lactose) kích thích sinh tổng hợp mRNA cách kết hợp làm bất hoạt chất ức chế Sự có mặt chất cảm ứng làm chất ức chế không gắn vào operator, promotor cho phép khởi đầu tổng hợp mRNA Khi môi trường có lactose, lactose chuyển vào tế bào nhờ permease Khi vào tế bào số lactose (liên kết β-1,4) chuyển thành allolactose (liên kết β-1,6) nhờ β-galactosidase Allolactose chất cảm ứng, gắn vào protein kìm hãm, gây biến đổi cấu hình tạo phức hợp allolactose-repressor Phức hợp khả gắn vào operator Lúc operon mở ra, RNA polymerase bắt đầu phiên mã từ gene cấu trúc Khi mơi trường khơng có lactose, protein ức chế có hoạt tính gắn vào operator, làm phiên mã tất gene cấu trúc operon lac bị dừng Sự điều hòa operon yêu cầu promotor nằm chống lên phần kề sát bên promotor gene cấu trúc, gắn với chất ức chế ngăn cản phiên mã Hình 3: A Bản đồ operon lac B Sơ đồ operon lac trạng thái bị kìm hãm C Sơ đồ operon lac trạng thái kích thích 2.3 Điều hịa dương tính operon lactose Sự điều hòa operon lactose phụ thuộc vào nồng độ glucose môi trường Nồng độ glucose lại kiểm soát nồng độ bên tế bào phân tử nhỏ cAMP (cyclic adenosine monophosphate), chất bắt nguồn từ ATP làm tín hiệu báo động cho tế bào Tế bào có xu hướng sử dụng glucose lactose để làm nguồn carbon glucose biến dưỡng trực tiếp cung cấp carbon tạo lượng Các enzyme biến dưỡng glucose thuộc loại cấu trúc tế bào tăng trưởng tối đa với nguồn glucose Khi nguồn glucose cạn, tế bào phản ứng lại cách tạo c-AMP Việc tăng nồng độ c-AMP tế bào gây nên hàng loạt kiện, diện lactose, dẫn đến phiên mã gen cấu trúc operon lactose Hệ thống lactose (lactose system) bình thường gồm có gen điều hịa (i R) operon mang trình tự promoter (P) locus operator (O) ba gen cấu trúc cho β-galactosidase (Z), permease (Y) transacetylase (A) Nhiều đột biến locus phát − Điều kiện cảm ứng (có lactose) Lactose chuyển vào tế bào yếu có vài phân tử permease làm việc Khi vào tế bào, số lactose (liên kết β-1,4) chuyển thành allolactose (liên kết β-1,6) nhờ β-galactosidase Allolactose chất cảm ứng, gắn vào protein kìm hãm gây biến đổi cấu hình tạo phức hợp allolactoserepressor Phức hợp khả gắn operator Lúc operon mở, RNA polymerase bắt đầu phiên mã gen cấu trúc − Điều kiện khơng cảm ứng (khơng có lactose) Gen điều hòa operon thường xuyên tổng hợp protein kìm hãm (repressor protein) mức độ thấp, có promoter hiệu Sự tổng hợp protein bị tác động nồng độ lactose tế bào Ngược lại, promoter bình thường operon lac gắn với RNA polymerase có hiệu Khi khơng có đường lactose, protein điều hịa hoạt động (active regulator protein) cịn gọi protein kìm hãm gắn vào promoter hay “đọc” trình tự operator protein kìm hãm chiếm đoạn Như vậy, phiên mã tất gen cấu trúc operon lac bị dừng Do số lượng permease tăng, nên lactose vào tế bào với số lượng lớn phân hủy -galactosidase Khi lactose sử dụng hết, protein kìm hãm gắn trở lại vào operator làm operon bị đóng; phiên mã gen cấu trúc bị dừng Bản thân gen điều hịa lacI có promoter (Pi) gen cấu trúc protein kìm hãm Promoter yếu, protein kìm hãm có số lượng lớn, bị protein gắn vào làm dừng phiên mã Cơ chế điều hịa operon lac: − Kiểm sốt tiêu cực – vai trị yếu tố kìm hãm − Kiêm sốt tích cực – vai trị yếu tố hoạt hóa Hiệu điều hịa operon lac theo hai chế: − Cơ chế điều hòa tiêu cực kìm hãm biểu operon lac tiết kiệm lượng − Cơ chế điều hịa tích cực tăng hoạt động operon lac lên 50 lần Hình 4: Operon lac hoạt động 2.4 Điều hịa âm tính operon tryptophan Operon tryptophan (trp) E Coli chứa gene cấu trúc mã hóa cho enzyme tông hợp amino acid tryptophan Operon điều hịa theo cách sau: tryptophan có mặt đầy đủ môi trường sinh trưởng, phiên mã operon bị ức chế Khi cung cấp tryptophan bị thiếu, phiên mã xảy Sự điều hòa operon lactose tương tự với operon lactose, tổng hợp mRNA điều hịa âm tính nhờ chất ức chế Tuy nhiên, khác với điều hòa operon lac, tryptophan hoạt động chất đồng kìm hãm, kích thích chất ức chế gắn vào operator ngừng tổng hợp Operon tryptophan hoạt động theo kiểu ức chế, điều hòa âm tính Tryptophan tổng hợp qua giai đoạn, giai đoạn có xúc tác enzyme đặc biệt Các gene mã hóa cho enzyme nằm kề nhiễm sắc thể E Coli Đó gene trpE, trpD, trpC, trpB, trpA Các enzyme dịch mã từ phân tử mRNA đa gene Vùng mã hóa gene E dịch mã trước tiên Phía trước trpE đầu 5' có promotor, operator vùng xếp leader (trpL) đoạn kìm hãm phiên mã attenuator (trpa, khơng phải trpA) Gene ức chế trpR nằm xa operon, tổng hợp protein aporepressor, chất kìm hãm mà riêng khơng có hoạt tính Khi tryptophan dư thừa, kết hợp với aporepressor tạo chất kìm hãm có hoạt tính, gắn vào operator operon tryptophan làm dừng phiên mã gene cấu trúc Khi nồng độ tryptophan thấp, tách khỏi phức hợp kìm hãm aporepressor hoạt tính Lúc operator mở ra, RNA polymerase dịch mã gene cấu trúc để tổng hợp enzyme tạo tryptophan Hình 5: Điều hịa Operon trp E Coli A Protein aporepressor không bám vào operator, phiên mã xảy B Khi có đủ tryptophan, phức hợp aporepressor tryptophan làm chất ức chế hoạt động gắn vào operator, phiên mã bị kìm hãm Tài liệu tham khảo Giáo trình Sinh học phân tử Lê Đức Trình 2001 Sinh học phân tử tế bào NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Phạm Thành Hổ (2003) Di truyền học NXB Giáo Dục Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998) Cơ sở di truyền học NXB Giáo Dục Hoàng Trọng Phán (1995) Di truyền học phân tử Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế Anthony J F Griffiths, Susan R Wessler, Richard C Lewontin, William M Gelbart, David T Suzuki, Jeffrey H Miller 2004 An introduction to genetics analysis W.H Freeman Publishers Harlt D.L., Jones E.W (1998) Genetics - Principle and analysis Jone and Bartlett Publshers Toronto, Canada Stansfield W.D 1991 Schaum’s outline of theory and problems of genetics McGraw-Hill, Inc., New York Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD 2002 Molecular Biology of the Cell 3rd ed Garland Publishing, Inc New York, USA 10 Karp G 2002 Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments 3rd ed John Wiley & Sons, Inc New York, USA 11 Lewin B 2000 Gene VII Oxford University Press, Oxford, UK 12 Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL and Darnell J 2004 Molecular Cell Biology 5th ed Freeman and Company, New York, USA 13 Walker JM and Rapley R 2000 Molecular Biology and Biotechnology Chapman & Hall Limited, London, UK 14 Watson JD, Hopkins NH, Roberts JW and Weiner AM 2004 Molecular Biology of the Gene The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc California, USA 15 Weaver RF 2003 Molecular Biology 2nd ed McGraw-Hill Company, New York, USA ... điều hịa biểu gen 2 Điều hòa biểu gen Prokaryote 2. 1 Cấu trúc promoter 2. 2 Cấu trúc operon 2. 3 Điều hịa dương tính operon lactose 2. 4... phiên mã bị kìm hãm Tài liệu tham khảo Giáo trình Sinh học phân tử Lê Đức Trình 20 01 Sinh học phân tử tế bào NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Phạm Thành Hổ (20 03) Di truyền học NXB Giáo Dục Lê Đình... Điều hòa dịch mã − Điều hòa tiết protein Điều hòa biểu gen Prokaryote Các gen phiên mã tạo RNA, gọi gen cấu trúc Các protein dịch mã từ mRNA enzyme enzyme Trong số protein enzyme có protein điều