Bài giảng xu hướng phát triển thực phẩm gen và hoạt động của gen

4/24/2016 Gen hoạt động gen Học phần Thực phẩm Biến đổi gen Nguyễn Tiến Thành – HUST-2016 Gen gì?  Gen đoạn DNA đảm bảo tạo sản phẩm cần thiết hoạt động sống tế bào  Sản phẩm gen: protein (mRNA), rRNA, tRNA RNA khác tham gia kiểm soát hoạt động hệ gen  loại gen:  Gen cấu trúc: mã hoá cho protein tham gia vào q trình trao đổi chất thơng thường  Gen điều hồ: mã hố cho protein có chức điều hoà hoạt động gen 4/24/2016 Cấu trúc chung gen nhân sơ Vùng trình tự điều hồ Phiên mã Vùng trình tự điều hồ Vùng mã hoá protein Vùng mã hoá protein Dịch mã Các trình tự nhận biệt promoter vi khuẩn 4/24/2016 Một số promoter E.coli Cấu trúc chung gen nhân chuẩn Vùng trình tự điều hồ Vùng trình tự điều hồ Khung đọc mở Phiên mã Biến đổi sau phiên mã Vùng mã hoá protein Dịch mã Exon: vùng mã hố Intron: vùng khơng mang mã di truyền 4/24/2016 Các thành phần gen  Vùng mã hoá protein: nằm ba mã hoá start stop, hay gọi khung đọc mở ORF  Promoter: đoạn khởi đầu, vị trí để enzyme sinh tổng hợp RNA bắt đầu trình phiên mã tạo phân tử RNA  Operator (đoạn huy): đoạn ADN gắn với nhân tố phiên mã để điều khiển trình phiên mã  Enhancer: đoạn ADN mà protein kích hoạt q trình phiên mã gắn vào làm tăng cường phiên mã  Silencer: đoạn ADN gắn protein ức chế phiên mã  Terminator: trình tự kết thúc cho trình dịch mã  5’ UTR; 3’ UTR: trình tự khơng dịch mã đầu 5’ 3’ mRNA  RBS: ribosome binding site: điểm gắn ribosome  Terminator: trình tự kết thúc dịch mã Mơ tả khác biệt cấu trúc gen sinh vật nhân sơ nhân chuẩn ? Các hoạt động gen  Tái (sao mã): tạo thành giống gốc  Phiên mã: Quá trình sinh tổng hợp RNA  Dịch mã: Quá trình sinh tổng hợp protein từ mRNA Phiên mã Tái Dịch mã mRNA DNA Protein DNA /gene tRNA/rRNA 4/24/2016 Quá trình tái gen sinh vật nhân sơ   Các enzyme tham gia trình tái  Topoisomerase: tháo xoắn chuỗi DNA kép  DNA polymerase I, II, III: tổng hợp sợi DNA sửa sai  RNA-polymerase: tổng hợp đoạn mồi  Primase: gắn mồi  Ligase: nối nucleotide cạnh tạo mạch polynucleotide  Ribonuclease: cắt bỏ mồi sau tổng hợp xong Các protein tham gia:  Protein B: Nhận biết điểm khởi đầu tái  Protein SSB: giữ mạch tách tổng hợp sợi Quá trình tái gen giai đoạn  Giai đoạn mở xoắn:  Protein B gắn vào vị trí bắt đầu trình mã  Topoisomase mở vịng xoắn tạo dạng chữ Y, có hợp tác enzyme helicase sử dụng lượng ATP để tách liên kết hidro mạch  Protein SSB gắn vào để giữ mạch không chập lại  Giai đoạn 2: Tổng hợp mồi (mồi đoạn DNA ngắn để bắt đầu trình kéo dài tạo chuỗi DNA)  RNA polymerase tạo đoạn RNA ngắn bổ sung với mạch DNA  Primase gắn đoạn RNA mồi vào mạch DNA 4/24/2016 Quá trình tái gen giai đoạn (tiếp)  Giai đoạn kéo dài  DNA Polymerase III gắn tiếp nucleotide vào mồi từ đầu 3’ OH, kéo dài mạch  Mạch 3’-5’: trình kéo dài nhanh theo chiều 5’-3’  Mạch 5’ – 3’: trình tổng hợp chậm: cần nhiều mồi bắt cặp mạch nhiều vị trí khác nhau, tổng hợp theo chiều 5’ 3’ lúc nhiều đoạn ngắn (gọi đoạn okazaki)  Kết thúc ribonuclease phân giải mồi, DNA polymerase I tổng hợp DNA chỗ mồi Ligase nối lại thành mạch liên tục Quá trình tái gen  Video clip 4/24/2016 Tái gen sinh vật nhân chuẩn  Về cơ chế tương tự phức tạp có cấu trúc nhiễm sắc thể, có tham gia nhiều yếu tố  Quá trình tái diễn đồng thời nhiều vị trí NST kết thúc Mỗi vị trí diễn tái gọi replicon Quá trình phiên mã tạo mRNA sinh vật nhân sơ   Giai đoạn khởi động:  RNA-polymerase nhận biết gắn vào vị trí promoter  RNA-polymerase trượt dọc tới vị trí mở xoắn, làm lộ sợi khn, bắt đầu q trình phiên mã Giai đoạn kéo dài   Enzyme RNA polymerase tiếp tục chuyển dịch dọc theo DNA, làm giãn xoắn, kéo dài sợi mRNA theo nguyên tắc bổ sung A-U, G-C Giai đoạn kết thúc  Khi gặp đoạn DNA có tín hiệu kết thúc, RNA polymerase dùng trình nối thêm nucleotide, giải phóng RNA, enzyme tự giải phóng 4/24/2016 Quá trình phiên mã tạo mRNA sinh vật nhân chuẩn   Có loại RNA polymerase tham gia  RNA-polymerase I: tổng hợp rRNA  RNA-polymerase II: mRNA  RNA-polymerase III: tRNA, RNA 5S (kích thước nhỏ) Quá trình gồm giai đoạn chính:  Taọ tiền phân tử mRNA (tương tự sinh vật nhân sơ)  Biến đổi tiền phân tử mRNA thành mRNA trưởng thành Quá trình phiên mã tạo mRNA sinh vật nhân chuẩn  Quá trình biến đổi phân tử tiền mRNA:  Gắn mũ: đầu 5’-P mRNA gắn thêm nucleotide 7-methylguanosine, giúp bền mRNA ribosome nhận biết vị trí khởi đầu dịch mã  HÌnh thành đuôi poly-A: polyA-polymerase gắn thêm đoạn gồm nhiều basơ Adenine vào đầu 3’ tổng hợp xong mRNA Đuổi polyA làm bền mRNA đưa nguyên sinh chất  Loại bỏ intron gắn exon: endonuclease cắt intron, ligase gắn exon lại, tạo mRNA trường thành Video 4/24/2016 Quá trình phiên mã tổng hợp tRNA rRNA  Tổng hợp phân tử tiền tRNA rRNA, gồm nhiều phân tử rRNA tRNA  Cắt đoạn không cần thiết, tạo thành rRNA tRNA trưởng thành Ví dụ phân tử tiền rRNA E.coli 4/24/2016 Quá trình dịch mã  Quá trình dịch mã thực Ribosome, tế bào chất  Ribsome gồm tiêu phần lớn nhỏ tạo lên từ protein, lipide loại rRNA  Trong trình dịch mã, hai tiểu phần ribosome iên kết với mRNA tRNA để thực tổng hợp protein  Với sinh vật nhân sơ: phiên mã dịch mã diễn đồng thời  Với sinh vật nhân chuẩn: phiên mã nhân, dịch mã tế bào chất  Các axit amin hoạt hoá gắn với tRNA tương ứng Quá trình dịch mã Khởi đầu  Kéo dài Kết thúc Giai đoạn khởi đầu  tRNAmet-Met (tRNA mang methionyl) đến vị trí khởi đầu dịch mã (luôn Methionine protein), tạo phức hợp tiểu phần nhỏ ribosome-mRNA tRNA-Met  Tiểu phần lớn kết hợp với phức hợp để bắt đầu trình  Có tham gia phần tử khởi động IF, phần tử rời khỏi hệ thống sau khởi động xong để bắt đầu trình khác 10 4/24/2016 Quá trình dịch mã  Giai đoạn kéo dài  Ribosome có vị trí chun biệt cho tRNA mang axit amin tới: P A  tRNA mang axit amin tới trước gắn vào vị trí P, tRNA gắn vào vị trí A Tại vị trí P, liên kết tRNA axit amin Tại vị trí A, axit amin đến tạo liên kết với axit amin vị trí P  Ribosome dịch chuyển tiếp, axit amin từ vị trí A chuyển sang vị trí P, tiếp tục nhận axit amin tRNA mang tới vị trí A vừa giải phóng  Có tham gia nhân tố kéo dài Quá trình dịch mã  Giai đoạn kết thúc  Khi Ribosome dịch chuyển dọc mRNA tới ba kết thúc, khơng có tRNA mang axit amin đến, trình kết thúc  Các nhân tố kết thúc giúp giải phóng chuỗi polypeptide với tRNA cuối cùng, sợi mRNA tách khỏi ribosome  Ribosome trạng thái ban đầu chuẩn bị cho trình Video 11 4/24/2016 Điều hồ sinh tổng hợp protein  ~ Điều hoà biểu gen  Mục đích điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý hố mơi trường, tạo số lượng loại cần thiết đảm bảo nhu cầu tế bào phát triển sinh sản  Nhu cầu protein tế bào khác phụ thuộc vào giai đoạn phát triển, yếu tố môi trường, cần cân để tránh gây rối loạn cho tế bào  Ví dụ: có nguồn dinh dưỡng  sinh tổng hợp enzyme tương ứng để xử lý nguồn dinh dưỡng đó Điều kiện nhiệt độ môi trường thay đổi, tạo protein chống sự tăng nhiệt cho tế bào? Điều hồ biểu gen   Tín hiệu điều hoà  SV Nhân sơ: yếu tố dinh dưỡng, vật lý môi trường  SV Nhân chuẩn: tạo từ tế bào chuyển biệt: hormone tuyến yên Các thức điều hoà gen:  Tác động vào cấu trúc DNA  Tác động vào trình phiên mã hay dịch mã  Sự điều hồ biểu gen nhân sơ đơn giản, nhanh, chủ yếu vào q trình phiên mã  Sự điều hồ biểu gen nhân chuẩn phức tạp 12 4/24/2016 số mơ hình điều hồ biểu gen Vi khuẩn  Chủ yếu tác động vào quá trình phiên mã  Ở vi khuẩn, gen thường tập trung theo các operon gồm các đoạn mã hóa protein tập trung cùng một vùng sự kiểm soát của promoter và các gen điều hòa khác  lactose operon từ E.coli:   Các gen mã hóa cho các enzyme phân giải lactose : Z, Y, A sắp xếp sát cùng sự điều khiển của promoter, operator và terminator Gen R là gen điều hòa tryptophan- operon E.coli  Các gen mã hóa cho các enzyme sinh tổng hợp tryptophan: 1-5 sắp xếp sát cùng sự điều khiển của promoter, operator và terminator Gen R là gen điều hòa Điều hoà âm tính Lactose-operon của E.coli  Gen R liên tục tạo protein ức chế, bám vào Operator, khóa promoter, không tạo sản phẩm  Khi có lactose, hoặc chất đồng dạng của lactose, lactose liên kết với protein ức chế làm thay đổi cấu trúc protein này làm nó không liên kết với Operator được Promoter mở phiên mã dịch mã gen Z, Y, A tạo các enzyme để sử dụng lactose môi trường 13 4/24/2016 Điều hồ âm tính Tryptophan- operon E.coli  Gen điều hòa R tạo protein ức chế không tương thích để gắn với Operator  promoter hoạt động bình thường, tạo các sản phẩm của các gen 1-5  Khi có thừa tryptophan, nó trở thành nhân tố đồng kìm hãm, gắn kết với protein ức chế, thay đổi cấu trúc, trở lên tương thích với Operator  đóng promoter > ngừng phiên mã các gen cấu trúc  ngừng tạo sản phẩm tryptophan Điều hồ dương tính Một số operon kiểm sốt dương tính nhờ protein kích hoạt, chẳng hạn catabolite activator protein (CAP), chất hoạt hóa (activator) phiên mã 4/24/2016 28 14 4/24/2016 Kiểm sốt dương tính  Vị trí gắn CAP lactose có mặt, allolactose liên kết với protein ức chế làm bất hoạt nó, mở promoter hoạt động, tạo lacZ  A, khơng có mặt glucose, vi khuẩn cần lactose, nên cAMP gắn với CAP chuyển sang trạng thái hoạt động, bám vào promoter, tăng khả hoạt động RNA polymerase, tạo nhiều enzyme cắt lactose  B, nhiều glucose, cAMP, CAP trạng thái không hoạt động, không gắn vào prômoter, phiên mã hoạt động Chất ức chế lac bất hoạt Chất ức chế lac bất hoạt Điều hòa biểu hiện gen sinh vật nhân chuẩn  Điều hòa thông qua tác động vào nhiễm sắc thể: tăng mức độ liên kết histon với DNA, hoặc methyl hóa các bazo làm giảm khả phiên mã các gen  Điều hòa thông qua tác động vào quá trình phiên mã  Điều hòa thông qua tác động vào quá trình sau phiên mã  Điều hòa thông qua tác động vào quá trình dịch mã và sau dịch mã 15 4/24/2016 Kết luận  Gen gì?  Để gen hoạt động tạo sản phẩm mã hoá cần thành phần nào?  Các hoạt đơng gen gì?  Các phương thức điều hồ biểu tạo protein gen, đặc biệt vi khuẩn? 16