Biểu hiện gene

Sinh học phân tử_Nhóm 11 BÀI 8: ĐIỀU HỊA BIỂU HIỆN GENE Sự điều hòa biểu gene: Sự biểu gene chịu kiểm soát chế điều hoà Các chế giữ vai trò quan trọng cho hoạt động sống, đáp lại biến đổi môi trường bên bên thể Biểu gene tế bào prokaryote eukaryote có khác đáng kể Việc điều hoà thực nhiều mức độ khác kiên quan đến giai đoạn phát triển Theo quan niệm operon, gene điều hồ (regulatory gene) giữ vai trị quan trọng việc đóng mở cấu trúc (structural gene) để biểu tổng hợp protein lúc, nơi yêu cầu cụ thể tế bào Trong tế bào, tất gene không hoạt động đồng thời Ví dụ: tế bào E.coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3.000 loại khác Nhiều loại protein có đến 500.000 phân tử, nhiên số loại khác khoảng 10 phân tử Như vậy, loại protein tổng hợp với số lượng lớn tế bào phải có chất để tổng hợp protein cách tiết kiệm hợp lý Một số gene hoạt động thường xuyên cung cấp sản phẩm liên tục, số khác biểu giai đoạn định chu trình sống hoạt động chu trình sống hoạt động điều kiện mơi trường khơng bình trường Một số protein cần tổng hợp với số lượng lớn, số khác cần có phân tử Do vậy, hoạt tính gene điều hoà nhiều chế khác để có hiệu tốt việc sử dụng nguồn lượng tế bào 1.1 Các tượng điều hồ 1.1.1 Điều hồ thích nghi Một số amip (ameba) biểu thay đổi hình thái sinh lý đặc biệt để đáp lại điều kiện môi trường khác Khi amip cho vào nước, chúng chuyển từ dạng amip sang dạng có lơng để bơi Khi mơi trường thiếu dinh dưỡng chúng chuyển thành dạng tương tự biểu bì Vi khuẩn mơi trờng dinh dưỡng tối thiểu có khả tổng hợp amino acid Lúc nguồn amino acid từ bổ sung vào hết, tế bào vi khuẩn lại tự tổng hợp lại amino acid cho thân Các biến đổi nêu thuận nghịch, chứng tỏ thay đổi chức di truyền Các tượng cho thấy việc xuất hay biến cấu trúc không làm ảnh hưởng đến tiềm di truyền sẵn có Có thể cho rằng, có trường hợp số gen hoạt động, có trường hợp số gen ngừng biểu Các tượng đề cập chế điều hồ thích nghi (adaptive regulation) chi phối 1.1.2 Hoạt động nối tiếp gen Khi bacteriophage xâm nhiễm vi khuẩn, DNA lúc đầu tái bản, sau protein khác tổng hợp nên tạo thành vỏ Như vậy, có gen “sớm” tạo enzyme tái DNA gen “muộn” xác định thành phần vỏ protein Điều chứng tỏ có chế điều hồ chức gen diễn theo trình tự nghiêm ngặt Đây kiểu điều hoà nối tiếp (sequential regulation) hoạt động nối tiếp gen thể rõ trình phát triển cá thể sinh vật eukeryote đa bào 1.1.3 Biệt hoá tế bào Sinh học phân tử_Nhóm 11 Nhiều sinh vật bậc cao người chứa nhiều tỷ tế bào bắt nguồn từ hợp tử phân chia nguyên nhiễm Từ hợp tử ban đầu đến trưởng thành, thể người có khoảng 200 loại tế bào khác nahu Mỗi loại tế bào biểu môt65 phần thông tin Q trình chun mơn hố chức tế bào gọi biệt hoá hay phân hố (diferentiation) Tuy có biệt hố tế bào giữ nguyên vẹn khả di truyền 1.1.4 Khái qt điều hồ prokeryote eukaryote Có khác đáng kể prokaryote eukaryote điều hoà biểu gen Các tế bào eukaryote có cấu tạo phức tạp nhiều nên chế điều hoà phức tạp prokaryote Ở prokaryote, mục đích điều hồ biểu gen nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hớp với tác nhân dinh dưỡng lý hố mơi trường, đảm bảo yêu cầu tế bào sinh trưởng sinh sản Sự điều hoà linh động có thuận nghịch Ở eukaryote, tế báo không tiếp úc trực tiếp với môi trường, nên điều hồ khơng cịn nhằm mục đích đối phó với biến động ngoại bào Sự điều hoà eukaryote hướng d8en61 việc chuyên biệt hoá loại tế bào vào cấu trúc chức riếng khơng thể mang tính thuận nghịch 1.1.4.1 Sự biểu gen prokaryote Bộ máy di truyền sinh vật prokaryote mạch DNA mạch vòng chứa số lượng gen giới hạn phiên mã trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất Chu trình tế bào ngắn khơng có biệt hố tế bào Vì thế, hoạt động gene điều hoà nhu cầu tế bào cần thiết Tác động nhân tố môi trường làm gen tương ứng mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu ngược làm dừng lại Hình Sự biểu gen prokaryote 1.1.4.2 Sự biểu gen eukaryote Khác với prokaryote, nhiễm sắc thể eukaryote có cấu trúc phức tạp Ngay cấu trúc nhiễm sắc thể có tham gia protein histone có vai trị điều hịa biểu gen Sự điều hòa biểu gen eukaryote phải qua nhiều mức điều hòa phức tạp so với Sinh học phân tử_Nhóm 11 prokaryote qua nhiều giai đoạn như: nhiễm sắc thể tháo xoắn, phiên mã, biến đổi hậu phiên mã, mRNA rời nhân tế bào chất, dịch mã biến đổi hậu dịch mã Ngồi ra, đa số eukaryote có thể đa bào tế bào có biểu sống khơng phải tự do, mà chịu biệt hóa theo chức chuyên biệt mối quan hệ hài hòa với thể Hình Sự biểu gen eukaryote Các vi khuẩn thường phản ứng trực tiếp với mơi trường biểu gen thuận nghịch, có đường lactose mở operon để phân hủy, hết đường operon đóng lại Trong đó, tế bào eukaryote có đường biệt hóa khác chuyên hóa ổn định thường xuyên đời sống cá thể Ngồi biệt hóa tế bào, thể eukaryote đa bào trải qua trình phát triển cá thể với nhiều giai đoạn phức tạp nối tiếp nhau, có gen biểu phơi sau dừng hẳn Tất điểm nêu cho thấy điều hòa biểu gen eukaryote phức tạp nhiều, mà lại biết prokaryote Sinh học phân tử_Nhóm 11 1.2 Các mức độ điều hịa 1.2.1 Mức độ chất nhiễm sắc Ngay chất nhiễm sắc thực kiểu sau: - DNase cắt số vùng genome làm tháo xoắn để gene biểu Hai vùng lưu ý vùng nhạy cảm (sensible) siêu nhạy cảm (hypersensible) - Các vùng nhạy cảm có liên quan đến gen có hoạt tính cao gene qua biểu (như gene hoạt động phôi) Các vùng siêu nhạy cảm liên quan đến gene có hoạt tính cao (như gene histone) – DNA Z (DNA trái) dạng cấu trúc siêu xoắn liên quan đến đóng mở gene - Methyl hóa base Ở prokaryote methyl hóa thực A C, cịn eukaryote methyl hóa thực với C vị trí thứ Methyl hóa làm gen ngừng hoạt động 1.2.2 Mức độ phiên mã Đây điều hịa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở đóng gen Kiểu điều hòa thường gặp điều hịa trao đổi chất, q trình biệt hóa tế bào - Sự tác động trình tự cis (gần kề, liền kề) nằm mạch DNA enhancer (vùng tăng cường) làm tăng phiên mã - Điều hòa nhân tố trans (cách quãng, từ xa) nhân tố không nằm mạch DNA - Chọn lựa promoter thích hợp - Sự suy yếu/suy thoái 1.2.3 Mức độ hậu phiên mã Sự điều hịa biểu mức tác động lên mRNA, gặp trường hợp mRNA bị cắt bỏ intron gắn exon lại với để tạo thành mRNA hoàn chỉnh (RNA processing) Như vậy, hệ thống ảnh hưởng đến hồn chỉnh mRNA kiểm tra gián tiếp biểu gen tương ứng Các mRNA eukaryote cịn có đoạn khơng mã hóa liên quan tới thời gian tồn khỏi nhân vào tế bào chất - Splicing khác - Điểm polyadenine hóa khác (polyadenylation) – Đột biến phân tử mRNA - Bán chu kỳ phân hủy mRNA – Sự bảo tồn RNA tế bào 1.2.4 Mức độ dịch mã Sự biến đổi nhân tố khởi đầu IF (inititation factor) Là protein kết hợp với tiểu đơn vị ribosome vào giai đoạn khởi động trình dịch mã 1.2.5 Mức độ hậu dịch mã Ở có điều hịa hoạt tính protein Sau mạch polypeptide tổng hợp, protein nhiều phải trải qua biến đổi thứ cấp trước biểu hoạt tính (chức năng) Ví dụ: trypsin enzyme phân giải protein dày có hoạt tính sau chất tiền thân (pro-enzyme khơng có hoạt tính) bị cắt đoạn polypeptide Các protein chịu biến đổi lập thể kết hợp enzyme với số sản phẩm đặc biệt làm thay đổi cấu trúc không gian chúng dẫn đến hoạt tính Sinh học phân tử_Nhóm 11 - Các q trình glycosylation, phosphorylation… tức gắn thêm nhóm chất đường, phosphor… để protein có hoạt tính/chức sinh học - Peptide tín hiệu đoạn gồm khoảng 20 amino acid nằm gần phía đầu N polypeptide, có vai trị gắn polypeptide ribosome tổng hợp mạch với mạng lưới nội sinh chất Trong máy Golgi, polypeptide phóng thích ngồi - Sự phóng thích protein có chức sinh học từ phức hợp, từ proinsulin thành insulin 1.3 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 hịa (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 gen) Phía trước gen cấu trúc (hoặc nhóm gen) có trình tự promoter, nơi RNA polymerase nhận biết Cơ chế điều hịa prokaryote chủ yếu thực thơng qua operon Đây khái niệm tồn prokaryote Hình Phương thức chung điều hịa biểu gen prokaryote 1.4 Điều hịa hoạt tính eukaryote Các chế điều hịa eukaryote xảy 5-6 mức độ khác Trong phần nhấn mạnh thêm số đặc điểm điều hòa hoạt động gen eukaryote: - Ở operon prokaryote, gen điều hòa promoter thường nằm gần nhau, eukaryote gen điều hòa nằm gần promoter chúng kiểm soát - Các enhancer trình tự nằm phân tử với promoter có hàng trăm cặp base phía trước phía sau promoter mà chúng kích thích - Trình tự điều hịa 5’ phía trước có promoter eukaryote thường dài, có hàng chục kilobase (kb) - Có nhiều kiểu điều hịa dạng nhân tố có tác động từ xa (trans) protein Sự phiên mã kích thích tín hiệu khác Sự điều hòa hoạt động gen prokaryote phần lớn đáp ứng lại tín hiệu bên Sinh học phân tử_Nhóm 11 1.5 Sự biệt hóa tế bào 1.5.1 Các tế bào biệt hóa mang thơng tin giống Ở sinh vật bậc cao người, thể trưởng thành gồm nhiều loại tế bào khác Các tế bào bắt nguồn từ hợp tử ban đầu, qua trình biệt hóa trở thành tế bào có chức khác Tuy nhiên, thực nghiệm xác định số lượng nhiễm sắc thể, số lượng DNA tỷ lệ (A+T)/(G+C) tế bào thuộc mô khác thể giống Sử dụng kỹ thuật lai DNA cho thấy DNA từ tế bào mô khác thể khơng bị biến đổi q trình biệt hóa, chúng tự hồi tính (renaturation) với Thí nghiệm ghép nhân tế bào ruột ếch vào tế bào trứng bị hỏng nhân (do chiếu tia tử ngoại) cho thấy 1% tế bào ghép nhân phát triển thành ếch trưởng thành Điều chứng tỏ tế bào ruột biệt hóa giữ ngun vẹn thơng tin di truyền để tạo ếch trưởng thành Tóm lại, số lượng DNA tế bào biệt hóa giống với hợp tử ban đầu chứa nguyên vẹn thông tin di truyền đủ để phát triển thành cá thể nguyên vẹn 1.5.2 Các tế bào biệt hóa tổng hợp nhóm protein khác Để hiểu khác tế bào biệt hóa, cần xét nhiều vấn đề sau: - Thứ nhất, nhiều trình chung cho tất tế bào nên có nhiều protein giống Những protein gồm số lượng nhiều, dễ phân tích phần lớn protein cấu trúc thành tế bào nhiễm sắc thể; số protein bào quan (lưới nội sinh chất, máy Golgi, ribosome…) Nhiều protein có số lượng khơng nhiều enzyme khác nhau, tham gia vào phản ứng trung tâm trình trao đổi chất, diện tất kiểu tế bào - Thứ hai, số protein có số lượng phong phú số tế bào chuyên hóa mà việc phát chúng cần có thử nghiệm riêng Ví dụ, hemoglobin phát tế bào máu - Thứ ba, 2.000 loại protein có số lượng dồi so sánh kiểu tế bào biệt hóa vi sinh vật với điện di hai chiều polyacrylamide, số khác biệt đáng kể tìm thấy Dù so sánh hai dịng tế bào ni cấy (như dòng tế bào thần kinh) hay tế bào mô chuột (như gan phổi), đại đa số protein phát tổng hợp hai loại tế bào với tốc độ tổng hợp khác đến 105; có vài trăm protein diện với số lượng khác đáng kể hai kiểu tế bào Các nghiên cứu cho thấy tế bào eukaryote bậc cao tổng hợp từ 10.000-20.000 protein khác Phần lớn chúng có số lượng khó phát Nếu protein (minor protein) khác tế bào với mức độ tương tự protein dồi dào, số lượng nhỏ chúng đủ tạo nên nhiều khác biệt chuyên hóa lớn hình thái sinh lý tế bào Tế bào thay đổi biểu gen chúng đáp lại tín hiệu bên ngồi Phần lớn tế bào chuyên hóa sinh vật đa bào có khả thay đổi phương thức biểu gen để đáp lại tác động bên ngồi Ví dụ: tế bào bị tác động glucocorticoid hormone, tổng hợp số protein chuyên biệt tăng vọt (Hình 8.10) Glucocorticoid phóng thích bị đói bụng hay hoạt động mạnh báo hiệu cho gan tăng cường tạo glucose từ amino acid hay phân tử nhỏ khác Các protein, tạo Sinh học phân tử_Nhóm 11 enzyme cảm ứng tyrosine aminotransferase hỗ trợ biến tyrosine thành glucose Khi hormone khơng cịn nữa, tổng hợp protein giảm xuống mức bình thường Các loại tế bào khác phản ứng với glucocorticoid nhiều cách khác Ví dụ tế bào mỡ, tổng hợp tyrosine transferase giảm, số loại tế bào khác hồn tồn khơng có phản ứng với glucocorticoid Các ví dụ minh họa cho tính chất chung biệt hóa kiểu tế bào biệt hóa khác thường phản ứng lại tín hiệu bên ngồi nhiều cách khác Trên sở đó, kiểu tế bào biệt hóa có đặc tính ổn định thường xun Các tính chất phản ánh biểu lâu bền nhóm gen khác Hình Tác dụng glucocortcoid làm tăng mức độ biểu cưa gen Genome tế bào chứa trình tự nucleotide DNA thơng tin để tạo hàng nghìn protein phân tử RNA khác Tế bào biểu điển hình nhóm gen kiểu tế bào biệt hóa khác sinh vật đa bào sản sinh nhóm gen khác có biểu không giống Hơn nữa, tế bào thay đổi phương thức biểu gen chúng để đáp lại thay đổi môi trường, tín hiệu từ tế bào khác Mặc dù tất bước biểu gen điều hòa, phần lớn gen việc khởi phiên mã điểm kiểm soát quan trọng Sinh học phân tử_Nhóm 11 Mơ hình điều hịa biểu gene prokaryote: (Khái niệm operon tồn prokaryote) 2.1 Operon lactose: - Operon lac gồm vùng : + Vùng khởi động (vùng P) [promotor]: vùng tương tác ARN Polymerase chuẩn bị phiên mã + Vùng vận hành (vùng O) [operon]: nơi protein ức chế liên kết ngăn cản phiên mã + Vùng gen cấu trúc: chứa gen Z,Y,A chứa gen quy định tổng hợp enzyme phân hủy đường lactose Với gene điều hịa R: - Protein điều hồ: nhân tố kiềm hãm (repressor) + Được tế bào vi khuẩn tạo cách đặn, hàm lượng nhỏ + Có lực với vùng DNA nằm promoter gene cấu trúc operon • Yếu tố điều hịa âm tính Repressors • Yếu tố điều hịa dương tính Activators - Khi mơi trường khơng có lactose: Gene điều hịa tổng hợp protein điều hịa, protein liên kết với vùng vận hành ngăn cản q trình phiên mã khiến cho RNA Polymerase khơng hoạt động gen cấu trúc Z,Y,A Khơng có mARN tạo  khơng có dịch mã tạo enzyme phân giải đường lactose Sinh học phân tử_Nhóm 11 - Khi mơi trường có lactose: Một số phân tử lactose liên kết với protein điều hòa thay đổi không gian chiều, khiến cho protein ức chế khơng thể liên kết với vùng vận hành Do RNA Polymerase trượt gene cấu trúc tiến hành phiên mã tạo phân tử mRNA, mRNA tham gia dịch mã tạo enzyme phân giải lactose, lactose bị phân giải hết trở trường hợp khơng có lactose Hình: Operon lactose 2.2 Operon tryptophan (Trp operon): - Trp operon chứa gen cấu trúc cần thiết cho trình sinh tổng hợp trytophan - Trp operon hoạt hóa cho trình phiên mã khơng có diện tryptophan - Hệ thống ức chế điều hòa chế kiểm soát ngược âm Sinh học phân tử_Nhóm 11 - 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 operetor: 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 tạo thành cấu trúc thân (stem) vòng (loop) Sự điều hòa 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 Sinh học phân tử_Nhóm 11 Điều hịa biến dưỡng: Kiểm sốt âm-ức chế Biến dưỡng (anabolism) trình tổng hợp nên chất cần thiết cho tế bào Ví dụ tổng hợp amino acid Quá trình tổng hợp tryptophan tiền chất tryptophan chorismic acid, trải qua giai đoạn enzyme xúc tác Hệ thống tổng hợp amino acid tryptophan E coli ví dụ điển hình operon bị kìm hãm kiểm soát âm 4.1 Cấu trúc hoạt động Hệ thống tryptophan có cấu trúc tương tự hệ thống lactose gồm gen điều hòa trpR operon tryptophan (promoter, operator gen cấu trúc) Các gen cấu trúc xác định enzyme xếp theo thứ tự tương ứng với chức xúc tác theo trình tự phản ứng chuỗi biến dưỡng tryptophan (Hình 8.5) Sinh học phân tử_Nhóm 11 Mơ hình điều hoà biểu gene eukaryote: 3.1 Điều hoà cách biến đổi cấu trúc nhiễm sắc chất hay cấu trúc phân tử DNA: Sắp xếp gene cần biểu vào cấu trúc nhiễm sắc chất, giúp gene dễ tiếp cận với loại enzyme, tạo thuận lợi cho chép phiên mã Sự methyl hóa sau DNA chép nhằm làm giảm hay kiềm hãm biểu gene Một số gene biểu có xếp lại trình tự DNA Điều hồ biểu gene gia đình gen β-globineglobine Các tế bào khơng biểu (a) biểu (b) gen β-globine Các gene kiểu giới tính nấm men S cerevisiae (MATα/MATa) nằm nhiễmMATa) nằm nhiễm sắc thể Các gen biểu nhân lên di chuyển đến vị trí đặc biệt, locus MAT Nấm men dạng alpha hay a tùy thuộc vào gen locus MAT Sinh học phân tử_Nhóm 11 3.2 Điều hoà mức độ phiên mã: - Với chi phối trình tự điều hồ hay trình tự CIS Các trình tự tiếp nhận protein điều hồ (nhân tố TRANS) - Các trình tự tăng cường biểu gene (enhancer) với hoạt tính khơng phụ thuộc vào vị trí hay hướng chúng so với gene - Các trình tự ngăn cản biểu gene (silencer) có hoạt tính ngược lại với trình tự tăng cường với đặc điểm hoạt động tương tự - Các nhân tố protein, nhân tố TRANS 3.3 Điều hoà mức độ sau phiên mã: - Sự khác biệt ghép nối exon dẫn đến hình thành mRNA khác - Điều hoà biểu gene cách tăng giảm thời gian tồn mRNA - Sự dự trữ mRNA tế bào trình dịch mã khởi động có tín hiệu điều khiển Các tổ hợp khác exon tạo mRNA khác nhau, dịch mã thành chuỗi polypeptide hoàn toàn khác biệt 3.4 Điều hồ giai đoạn dịch mã: Có thể liên quan đến dự trữ mRNA 3.5 Điều hoà biểu gen sau dịch mã: Các protein sau dịch mã trải qua nhiều biến đổi hố học glycosyl hoá, phosphoryl hoá, acetyl hoá