Bài giảng Điều hòa biểu hiện gen

Operon – là một đơn vị DNA mang cỏc gen nằm liền kề với nhau được điều khiển chung bởi một trỡnh tự khởi đầu phiờn mó promoter và một trỡnh tự chỉ huy operator, một trỡnh tự kết thỳc phi

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

ĐINH ĐOÀN LONG

Tại sao hệ gen eukaryote lại cần nucleosome và histone là một trong những protein bảo thủ nhất trong tiến hóa ?

MỞ RỘNG

Sù ®iÒu hßa ë prokaryote

Sù ®iÒu hßa ë Eukaryote

T¹i sao hÖ gen eukaryote l¹i cÇn nucleosome

vµ histone lµ mét trong nh÷ng protein b¶o thñ nhÊt trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa?

- Sự biểu hiện của gen đợc kiểm soát chặt chẽ Không phải tất cả các gen

có trong ADN của tế bào đều đợc biểu hiện Những gen khác nhau đợc hoạt hóa biểu hiện ở những tế bào khác nhau

- Sinh vật điều hòa hoạt động của gen sao cho chỉ sản phẩm của gen cần

thiết cho các chức năng của tế bào mới đợc sinh ra Điều đó cho phép tế bào đáp ứng lại các yêu cầu của môi trờng

- Trong hệ gen tồn tại những gen thờng xuyên ở trạng thái họat động,

khi đợc điều khiển sự biểu hiện của gen giảm đi hoặc “tắt” hẳn Những gen này thờng là những gen mã hóa cho các loại protein tham gia vào các quá trình trao đổi chất quan trọng (thờng xuyên diễn ra), nh các gen mã hóa enzym tham gia quá trình đờng phân glucoza, tổng hợp các axit

- Ngợc lại tồn tại những gen thờng xuyên ở trạng thái hoạt động yếu

(v.d Lac Operon), hoặc không hoạt động Khi có yêu cầu, sự điều khiển làm biểu hiện của những gen này tăng lên Những gen đó đợc gọi là

1961: Monod và François Jacob phát hiện ra mô hình operon khi

nghiên cứu các dòng tế bào E coli đột biến gen sử dụng lactose

Operon – là một đơn vị DNA mang các gen nằm liền kề với nhau được điều khiển chung bởi một trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) và

một trình tự chỉ huy (operator), một trình tự kết thúc phiên mã

(terminator) Chúng cùng được biểu hiện đồng thời để đáp ứng sự

• Khái niệm về protein dị hình (allosteric protein) và

hai kiểu điều khiển operon bởi chất ức chế

repressor Inactive repressor

Lactose

- Lac Operon

- Lac Operon

C A A C G C A A T T A A T G T G A G T T A G C T C A C T C A T T A G G C A C C C C A G G C T T T A C A T T T A T G C C T C C G G C T C G T A T G T T G T G T G G A A T T G T G A G C G G A T A A C A A T T T C A C A C A G G A A A C A G C T

G T T G C G T T A A T T A C A C T C A A T C G A G T G A G T A A T C C G TG G GGTC C G A A A T G T A A A T A C G G A G G C C G A G C A T A C A A C A C A C C T T A A C A C T C G C C T A T T G T T A A A G T G T G T C C T T T G T C G A

+1 -10

b) Trình tự operator (O) của operon Lac

Trình tự liên kết CAP ARN polymerase liên kết và bao phủ đoạn trình tự này

LacI liên kết và bao phủ đoạn trình tự này (operator)

a) Cấu trúc vùng điều khiển operon Lac

5’

3’

5’

3’

Hình 5.5 Cấu trúc vùng điều khiển của operon Lac a) Trình tự nucleotit và cấu trúc của

vùng điều khiển cho thấy vị trí CAP ngay phía trớc promoter, còn vị trí liên kết của protein ức

chế LacI nằm "gối" lên promoter b) Trình tự operator (O) gồm hai đoạn trình tự lặp lại đảo

chiều, đối xứng qua cặp nucleotit số 11

Các gen cấu trúc của Lac Operon

lac Y – mã hóa permease

lac A – mã hóa cho một enzym galactoside acetylase

lac Z – mã hóa b- galactosidase

OPERON

ARN polymerase không gắn được vào promoter

Chất ức chế hoạt động

OPERON hoạt động yếu khi không có lactose, hoặc có hàm lượng cao của CAP-cAMP

Lactose Chất ức chế bất hoạt

RNA polymerase bound to promoter

Enzym tham gia thủy phân lactose

ADN

mARN

Protein

- Trp Operon

C¸c yÕu tè sigma (  ) thay thÕ

- Phần lớn gen ở prokaryote được phiên mã bởi ARN polymerase

mang yếu tố 70 Tuy vậy, nhiều gen khác được phiên mã bằng các

yếu tố  khác Qua đó, bộ máy phiên mã được huy động đến các gen vào các thời điểm khác nhau

-Việc sử dụng các yếu tố  thay thế là một cơ chế “lập trình” sự biểu

hiện của gen

Ví dụ: 32 là yếu tố hoạt động khi có tín hiệu sốc nhiệt

54 yếu tố hoạt động ở các gen chuyển hóa Nitơ

Ở B subtilis, 70 28  n

Qui tắc dị hình với protein

NtrC

ARN polymerase

Promoter

glnA

Gen ở trạng thỏi hoạt húa

Hình 5.10 Sự hoạt hóa gen bởi NtrC Promoter của gen glnA đợc

ARN polymerase mang yếu tố  54 nhận biết Mặc dù không đợc minh họa trên hình, NtrC thực tế tơng tác với tiểu phần  54 của enzym ở

đây, NtrC đợc minh họa nh một protein dạng phức kép (dimer), nhng thực tế dạng phức của nó phức tạp hơn

Qui t¾c dÞ h×nh víi ADN

MerR

MerR

-10 -35

-10 -35

MerT

MerT

Hg 2+

H×nh 5.11 Sù ho¹t hãa gen bëi MerR Các trình tự "-35" và "-10" không trực

diện với nhau trên trục của promoter (a) Khi không có Hg 2+ , MerR liên kết vào

promoter ở dạng không hoạt động (b) Khi có Hg 2+ , MerR vặn xoắn trục khung

ADN làm các trình tự liên ứng trở nên trực diện, đồng thời khoảng cách giữa

chúng ngắn lại, phù hợp cho sự liên kết của ARN polymerase

a)

b)

Khái niệm

Một số đặc điểm cấu trúc gen

Sự điều hòa hoạt động gen ở prokaryote

Sự điều hòa gen ở Eukaryote

• Cấu hình NST

• Tốc độ phiên mã

• Quá trình hoàn thiện mARN

• Quá trình vận chuyển mARN

• Thời gian tồn tại (thóai hóa) mARN

• Tốc độ dịch mã (tổng hợp protein)

• Quá trình thoái hóa protein

Promoter và các trình tự điều hòa

polymerase tại trình tự khởi đầu phiên mã (ví dụ: hộp TATA)

Các TF có khả năng liên kết đặc hiệu với các trình tự điều khiển)

Cần phân biệt các TF với các IF

Các Enhancer

định bởi trình tự DNA

(phức hệ khởi đầu phiên mã) và thúc đẩy sự họat động của phức hệ này.

TF Liên kết vào các trình tự tăng cường

• Sự liên kết của TF vào trình tự tăng cường có thể

làm tăng tốc độ phiên mã lên 100 lần hoặc hơn.

Xoắn uốn xoắn

uèn C¸c chuçi xo¾n

Vïng g¾n ADN

Chuçi xo¾n  Kho¸ kÐo

leucine (leu)

Vïng cã tÝnh baz¬ (kiÒm)

(c)

§Æc ®iÓm chung

Nhìn chung, sự điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote có thể được

thực hiện ở tất cả các bước như ở vi khuẩn, ngoài ra còn có một

số bước bổ sung

ảnh hưởng đến sự biểu hiện của các gen Chúng ta biết rằng, ADN hệ

gen eukaryote thường được đóng gói cùng với các protein histone trong cấu trúc nucleosome Cấu trúc này làm giảm khả năng biểu hiện của nhiều gen nếu không có sự “hỗ trợ” của các protein hoạt hóa Các tế bào eukaryote thường có một lượng lớn các enzym có chức năng tái cấu trúc nucleosome, hoặc cải biến các histone Sự có mặt của chúng thường làm thay đổi cấu trúc nucleosome, qua đó bộ máy phiên mã nói riêng và các protein liên kết ADN khác nói chung có thể tiếp cận được các gen cần biểu hiện Như vậy, ở prokaryote, chúng ta không gặp cấu trúc nucleosome; còn ở eukaryote, đây là một cơ chế cơ bản tham gia điều hòa biểu hiện của các gen

§Æc ®iÓm chung

yếu tố điều hòa hơn hẳn so với các gen prokaryote điển hình Nếu ở

vi khuẩn, vị trí liên kết của các protein điều hòa thường là các trình tự ngắn, rời rạc ở gần gen trên phân tử ADN, thì ở eukaryote, mỗi gen thường đồng thời có nhiều vị trí liên kết của các protein điều hòa khác nhau và chúng có thể nằm rất xa tính từ vị trí của gen

Trình tự điều hòa Promoter

Vi khuẩn

Nấm men

Người

Các cơ chế điều hòa phiên mã chung

biệt miền liên kết ADN

giống prokaryote, nhng thờng có nhiều miền liên kết ADN khác

nhau

tính linh hoạt cao

Các phức hệ điều hòa hoạt động gen ở eukaryote

tín hiệu

Điều hòa gen qua bớc khởi đầu phiên mã

prokaryote, nhng rất không phổ biến ở eukaryote Chủ yếu chỉ là

kiểu chuyển từ trạng thái “đóng” sang “mở”

và giải phóng trạng thái bít gen để phức hệ phiên mã có thể tiếp cận

và biểu hiện gen

xa có thể đến vài chục, thậm chí vài trăm kb)

BÝt gen (gene silencing) lµ mét c¬ chÕ ®iÒu hßa phæ biÕn ë eukaryote

hãa c¸c histon (phÇn ®Çu N)

c¶ khi kh«ng cßn tÝn hiÖu kÝch øng ban ®Çu n÷a.

methyl hãa ADN

Sao chÐp ADN Cytosine (C) kh«ng

®-îc methyl hãa

Enzym duy tr×

methylase kh«ng nhËn ra C nµy

Enzym duy tr×

methylase

§iÒu hßa gen sau bíc khëi ®Çu phiªn m·

nhau

eukaryote

i) ph©n gi¶i mARN, ii) øc chÕ dÞch m· tõ mARN, vµ iii) c¶i biÕn NST t¹i promoter

Điều hòa gen bởi dsARN

Màng tế bào

ARN sợi kép (dsARN)

Tế bào chất

Yếu tố xén

(dicer) Nhân tế

bào

siARN sợi kép (siARN duplex) ADN

ATP

ADP RISC

RISC*

m7G

siARN đợc nhân lên

ức chế

dịch mã

Tái cấu trúc chất nhiễm sắc

Ra Vào

12

6

3 9

H2B H2A

H4 H3

Ra

12

6

9 3

H2B H2A

H4 H3

Vào

Sự đối xứng của

Nucleosome là đơn vị cấu trỳc cơ bản của NST

Bảng 7.4 Mật độ nucleosome và chiều dài trung bình các đoạn ADN nối ở một số loài sinh vật Loài Mật độ nucleosome

theo chiều dài lặp lại trên ADN (bp)

Độ dài trung bình đoạn ADN nối (bp)

Nấm men 160 - 165 13 -18 Nhím biển ~ 260 ~ 110 Ruồi giấm ~ 180 ~ 33 Ng-ời 185 - 200 38 - 53

Lõi Histon

Nucleosome

ADN lõi (147 bp)

ADN nối (20 - 60 bp)

ADN Lõi histone

H1

Nucleosome sau khi H1 liên

kết