Bài giảng Điều hòa hoạt động gen vi khuẩn TS. Nguyễn Trọng Hiệp
11 Mục tiêu - Tóm lược các phương thức điều hòa hoạt động gen ở nhân nguyên thủy - Mô tả sự điều hòa cơ chế tế bào của vi khuẩn để đáp ứng với các thay đổi trong môi trường sống - Giải thích được cách thức tương tác giữa các protein và các trình tự ADN đặc biệt và các phân tử khác trong quá trình điều hòa hoạt động gen TS. Nguyễn trọng Hiệp 22 Điều khiển tốc độ của các quá trình sinh hóa bằng cách thay đổi thuận nghòch lượng các enzym xúc tác (chất có bản chất protein) tham gia vào các quá trình điều hòa sinh tổng hợp protein nói chung và enym nói riêng Mở đầu Hoặc là điều hòa hoạt tính của chúng trong qúa trình thực hiện chức năng tăng hoặc giảm họat tính. Thường gặp nhất ở TB nhân nguyên thủy (Prokaryote) ví dụ vi khuẩn Ở Tế bào nhân thật (Eukaryote) gồm thực vật, động vật gồm cả 2 hướng trên • Điều hòa hoạt động gen: biểu hiện bằng sự điều hòa trao đổi chất bao gồm 2 hướng: 33 Enzym và h ọ at hóa enzym Trong đa số các quá trình sinh hóa, các enzym là những chất xúc tác các quá trình sinh học Quá trình vận chuyển chủ động qua màng sinh học được thực hiện bởi protein nhưng chúng đóng vai trò "nhận biết" sự vận chuyển (translocation) cơ chất như permease (di, tri, oligopeptid). 44 ATP Maứng ngoaứi Periplasma Maứng teỏ baứo chaỏt oppB oppC Teỏ baứo chaỏt oppD oppF ADP oppA oppA Opp A,B,C,D: oligopeptid permease Mụỷ ủau 55 ẹieu hoứa quaự trỡnh sao cheựp TB nhõn nguyờn th y cú cỏc enzym DNA polymerase I, II, III, ligase ch u trỏch nhi m sao chộp DNA TB nhõn th t cú 5 lo i DNA polymerase c bi t l , , , , v Ngoi ra, l i xo n v thỏo xo n cú enzym helicase v topoisomerase I, ph c h i d ng siờu xo n cú topoisomerase II (DNA-gyrase) Nhúm gen Dna mó húa cho 1 protein c n thi t cho sao chộp (vớ d DnaA, DnaC ngũai ra cũn cú th k n DnaB, DnaI, DnaP) cỏc gen ny ch u s ki m súat D ng v m c a cỏc protein i u hũa 6 Kiểm soát dương: là sự tích lũy chất hoạt hóa cho đến ngưỡng đủ để khởi động một chu trình sao chép mới, cần thiết cho sự cân bằng với việc nhân đôi của sinh khối tế bào. Kiểm soát âm: khi chất kiềm hãm cần được tổng hợp một cách giới hạn tiếp ngay khi bắt đầu chu trình sao chép trước (vì có thể là sản phẩm của gen điều hòa nằm gần vò trí bắt đầu sao chépphiên mã theo sự sao chép) Điều hòa quá trình sao chép 77 Khái niệm điều hòa quá trình phiên mã Cơ chế kiểm sóat dương (positive control): k ích thích s ự phiên mã gene trong Operon Cơ chế kiểm sóat âm (negative control): ức chế s ự phiên mã gene trong Operon Protein activator Kiểm sóat cảm ứng, âm Kiểm sóat cảm ứng, dương Kiểm sóat ức chế , âm Kiểm sóat ức chế, dương Protein repressor 88 Đ ie à u ho ø a qua ù tr ì nh phiên mã Operon là đơn vò phiên mã bao gồm tối thiểu là vùng khởi động (promoter) và các gen mã hóa mARN cho một hay một vài chuỗi polypeptid và terminator Prokaryote Eukaryote Một operon có thể chứa một hay nhiều vò trí điều hòa (operator) hơn so với số promoter. 99 TTGACA TTTTACCTCTGGCGGT TATAAT GGTTGC ATGTA 5’ 3' Vùng-35 Vùng-10 Promoter (hộp Pribnow) Operator Vò trí khởi đầu tổng hợp mARN mARN operator của λ - phage phủ lên một vùng của promoter 6.3. Điều hòa quá trình phiên mã Promoter Operator Gene 1 Gene 2 Gene 3 5' 3' ARN polymerase R e p r e s s o r ARN polymerase Repressor: protein ức chế 1010 6.3.1. Kieồm soaựt caỷm ửựng, aõm Lac Operon G m promoter, operator, gen c u trỳc, terminator. Gen c u trỳc g m: lacZ, lacY, v lacA. lacZ: gen mó húa enzym -galactosidase, m t enzym n i bo ch c n ng chớnh l th y phõn disaccharide lactose glucose+ galactose. Ch c n ng ph l bi n lactose allolactose. lacY: gen mó húa -galactoside permease, m t protein chuyờn ch úng vai trũ b m lactose qua mng t bo. lacA: gen mó húa -galactoside transacetylase, m t enzym g n nhúm acetyl t acetyl-CoA vo -galactosides. Ch lacZ v lacY cú vai trũ c n thi t cho vi c chuy n húa lactose. [...]... Tryptophan = Co-repressor 17 Kiểm sóat ức chế âm tương t acid amin arginine) (Vd ứÙc chế sự tổng hợp Arginine dư thừa 18 6.3.3 3' iều hòa suy giảm Promoter Đoạn che phủ ADN Sự phân bố gen của tryptophan operon 5' Leader sequence Gen1 Gen2 Gen3 Gen4 Gen5 Operator Vùng dẫn 19 6.3.2 Điều hòa suy giảm Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn 2 codon mã hóa cho Tryptophan (UGG-UGG) Phần mã hóa 7-uracyl A 3'... e ty lase Glucose và ? Galactose Q c m ng ư c kích ng dây chuy n 11 3' Quá trình cảm ứng enzym trong Kiểm soát cảm ứng, âm Promoter Operator ARN polymerase Gene 1 Repressor Gene 2 Gene 3 Sự phiên mã bò phong bế 3' 5' Promoter Induce Gene 1 Gene 2 Gene 3 mARN ARN polymerase Operator mARN mARN Repressor Sự phiên mã tiến-hành 12 5' Cảm ứng sự tổng hợp enzym trên Lac operon Allolactose 13 Nh ng ch t c m... sequence trình tự dẫn Leader sequence 20 6.3.2 Điều hòa suy giảm Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn 2 codon mã hóa cho Tryptophan (UGG-UGG) UGA (codon stop Vùng A Vùng B Vùng C Vùng D 21 6.3.3 Cơ chế điều hòa suy giảm ADN có nghóa 3’ ARN polymerase Trp operon 5’ Ribosome Peptid mARN 5’ Sự chuyển dòch của ribosom trên mARN 22 6.3.3 Cơ chế điều hòa suy giảm ADN Trình tự dẫn B mARN A D Hướ n... lactose 50 lactose 2500 31 3.5 Đa kiểm soát Lactose operon Phức hợp cAMP-Catabolite Activator Protein hỗ trợ vi c gắn RNA polymerase Vò trí gắ n CAP-cAMP Vò trí gắn RNA polymerase Locus điều hòa củ a lac operon Khi có GlucoseGenes sẽ ít có cAMP ít phức hợp cAMP-CAP mRNAs Pi Operato r locus (lac O) Genes cấu trúc i lac z lac y lac a Lac promo ter (lac p) Proteins RNA polymerase không gắn được nhiều Lac... tách ra C C 5’ Gene cấ u trú c tryptophan (a) Dư Tryptophan: ngưng phiên mã 5’ 3’ mARN A B ADN 5’ Hướ ng phiê n mã (b) 7u ARN polymerase D Peptid d n ngăn vùng B n i v i vùng C C b t c p v i D 3’ Phiên mã ngừng 23 Mô hình phiên mã suy giảm của operon tryptophan E coli Điều hòa suy giảm Dư Tryptophan: ngưng phiên mã Thiếu Tryptophan: tiếp tục phiên mã 24 Vùng d n c a cơ ch s acid amin i u hòa suy gi m... operon hàng ngàn l n và khóm vi khu n s n xu t β-galactosidase s có màu xanh 14 C u trúc nh ng ch t c m ng m nh Lac operon 15 6.3.2 Kiểm soát ức chế, âm: Tryp Operon i u hòa sinh t ng h p acid amin Tryptophan Dư thừa Trở nên chất đồng ức chế Tryptophan (corepressor) Các chất chuyển hóa g m 5 bư c 5 4 Các enzyme e5 e4 e1 e3 Regulator genes Aporepressor Ức chế gốc Repressor Các gene X g5 X g4 X g1 → g3 1... dưới tác dụng chất cảm ứng Không có sự phiên mã Kích họatù sự phiên mã 29 Vai trò chung c a cảm ứng sự tổng hợp enzym 30 3.5 Đa kiểm soát Khi có m t glucose thì vi khu n E coli khơng c n thi t ph i phân gi i m t lo i ư ng nào khác, và các gen mã hóa cho các enzym phân gi i các ư ng y cũng óng l i Hi u ng glucose (glucose effect): khơng có glucose nhưng lac operon ư c c m ng N u có glucose thì s có... cơ ch s acid amin i u hòa suy gi m trên q trình sinh t ng h p m t 25 6.3.4 Kiểm soát cảm ứng dương Ara Operon: v a ki m sóat c m ng, dương và âm P araC cAMP-CAP I araC B O Initiator P O Crep: Protein điều hòa (regulator) C rep ARN polymerase araB araA araD A araB araA D araD Ngưng phiên mãKiểm sóat âm Thiếu arabinose thì Crep gắn vàC Operator o dạng loop cAMP-CAP araC O Initiator P araB araA araD CảmmARNg... Khô ng có chất cả m ứ ng Permease Tr ansacetylase ? 32 CAP g n vào Lac promoter Minh h a h at ng c a Lac operon dư i tác Lactose và Glucose ng Xem D:\regulation\Lac-Operon.avi 33 6.4 Kiểm soát sau dòch mã Isoleucin g n vào v trí i u hòa c a e1 thay i c u trúc b c 3, b c 4 b t h at v trí xúc tác 1 = threonin 2 = α-ketobutyrate X e1 = threonin deaminase Sự dư thừa gây kiềm hãm ngược e2 g1 Tế bào sử dụng . 11 Mục tiêu - Tóm lược các phương thức điều hòa hoạt động gen ở nhân nguyên thủy - Mô tả sự điều hòa cơ chế tế bào của vi khuẩn để đáp ứng với các thay đổi trong môi trường sống - Giải thích. c ủ a β - galactosidase. IPTG:Isopropyl- β -D-thio-galactoside g ắ n vào repressor và b ấ t h ọ at ch ấ t này nh ư ng IPTG không ph ả i là c ơ ch ấ t c ủ a β -galactosidase. X-gal: (5-bromo-4-chloro-3-indolyl- β -D-galactoside). nguyên thủy (Prokaryote) ví dụ vi khuẩn Ở Tế bào nhân thật (Eukaryote) gồm thực vật, động vật gồm cả 2 hướng trên • Điều hòa hoạt động gen: biểu hiện bằng sự điều hòa trao đổi chất bao gồm 2 hướng: 33 Enzym