Di truyền phân tử ( phần 1 ) Điều hoà phiên mã - Điều hòa hoạt động gen ở nhân thật Bình thường, một mình ARN pôhmeraza không thể liên kết được với promoter mà chúng phải liên kết với một số prôtêin được gọi là các yếu tố phiên mã cơ bản. Khi có phức hợp ARN pôlimeraza - yếu tố phiên mã thì mới liên kết được với promoter và quá trình phiên mã được diễn ra nhưng ở một mức độ rất thấp. Người ta gọi là mức độ phiên mã cơ bản. Tuy nhiên, ở sinh vật nhân thực nhiều khi một số gen cần phiên mã ở mức độ rất cao tạo ra một lượng lớn sản phẩm để đáp ứng nhu cầu của tế bào cũng như với điều kiện môi trường bên ngoài. Quá trình phiên mã ở mức độ cao như vậy được gọi là phiên mã được kích hoạt. Làm thế nào một gen nào đó có thể đạt được trạng thái phiên mã được.kích hoạt ? Tế bào giải quyết vấn đề này bằng cách tổng hợp ra rất nhiều loại prôtêin đặc biệt được gọi là các yếu tố phiên mã đặc hiệu hay các chất hoạt hoá đặc hiệu. Nằm trước vùng promoter của các gen thường có các trình tự nuclêôtit đặc biệt được gọi là vùng điều hoà gần kề (proximal control elememets) và các trình tự nuclêôtit điều hoà nằm ở rất xa gen được gọi là vùng điều hoà tầm xa (distalcontrol elements). Các trình tự nuclêôtit nằm ở xa thậm chí hàng nghìn cặp nuclêôtit này được gọi là trình tự enhancer (trình tự tăng cường) hoặc trình tự nuclêôtit làm nhiệm vụ bất hoạt gen (trình tự bất hoạt- silencer). Khi những gen cần được phiên mã với tốc độ cao thì tế bào sản sinh ra các yếu tố phiên mã đặc hiệu bám vào vùng enhancer làm cho vùng này bị uốn cong đi và tiếp cận được với vùng promoter làm cho tăng ái lực của promoter với ARN pôlimeraza. Ngược lại, khi một prôtêin bất hoạt nào đó liên kết với vùng silencer thì ARN pôlimeraza không thể liên kết được với promoter và trình phiên mã không thể xảy ra. Làm thế nào tế bào của sinh vật nhân thực có thể đóng mở một số gen cùng một lúc để thực hiện một chuỗi phản ứng hoá sinh nhất định ? Đối với sinh vật nhân sơ, việc này được" thực hiện bằng cách các gen cần được phiên mã cùng lúc được sắp xếp trong cùng một opêron có chung một promoter. Đối với sinh vật nhân thực, mỗi gen có một promoter riêng nên việc điều phối sự phiên mã của nhiều gen cùng lúc được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Dưới đây là một vài cách điều phối phiên mã của các gen mà các nhà khoa học đã biết : Các gen cần phiên mã cùng lúc được sắp xếp gần nhau trên cùng một nhiễm sắc thể. Bằng cách này, vùng nhiễm sắc thể chứa nhóm gen đó có thể được dãn xoắn hoặc co xoắn cùng lúc khiến ARN pôlimeraza có thể tiếp cận hay không tiếp cận được với các gen cần phiên mã. Các gen cần phiên mã cùng nhau có thể được điều hoà phiên mã bởi cùng một nhóm yếu tố phiên mã đặc hiệu (chất hoạt hoá hoặc chất ức chế đặc hiệu). Bằng cách này, các gen có thể nằm rải rác trong cùng một hệ gen vẫn có thề được phiên mã đồng thời vì các vùng điều hoà của chúng đều được gắn với các chất điều hoà phiên mã đặc hiệu có trong tế bào. Ví dụ, khi hoocmôn sinh dục ơstrôgen vào trong tế bào thì nó liên kết với thụ thể đặc hiệu trong tế bào chất tạo nên phức hợp ơstrôgen - thụ thể hoạt động như chất hoạt hoá gen. Những gen nào nằm trong tế bào có vùng điều hoà liên kết được với phức hợp hoocmôn thụ thể này thì gen đó sẽ được phiên mã bất luận chúng nằm ở đâu trong tế bào. Tương tự, khi các phân tử tín hiệu từ bên ngoài có bản chất hoá học không thuộc loại steroit thì chúng chỉ có thể liên kết với thụ thể trên màng của tế bào đích và chúng truyền tín hiệu vào trong tế bào làm hoạt hoá một số chất hoạt hoá phiên mã đặc hiệu. Sau đó, những gen nào có chung vùng điều hoà có ái lực với chất hoạt hoá phiên mã này thì chúng đồng thời được phiên mã. Điều hoà trước phiên mã - Sinh vật nhân thực Bình thường phần lớn các gen bên trong tế bào của cơ thể nhân thực đều bị bất hoạt, chỉ khi nào tế bào cần đến loại sản phẩm nào thì các gen tương ứng mới được hoạt động. Điều hoà hoạt động gen sinh vật nhân thực đa bào phức tạp hơn nhiều so với sinh vật nhân sơ. Điều hoà hoạt động gen có thể được thực hiện ở tất cả các mức độ : từ điều hoà trước phiên mã, điều hoà phiên mã, điều hoà sau phiên mã, điều hoà dịch mã và sau dịch mã. Điều hoà trước phiên mã ADN của sinh vật nhân thực được liên kết với rất nhiều loại prôtêin khác nhau tạo nên chất nhiễm sắc (chromatin). Cấu trúc của chất nhiễm sắc có thể được biến đổi theo các mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào các giai đoạn của chu kì tế bào. Khi ở kì trung gian, những vùng nhiễm sắc thể chứa các gen đang hoạt động thì ADN ở vùng đó dãn xoắn tối đa và chất nhiễm sắc tại vùng đó được gọi là nguyên nhiễm sắc (euchromatin). Vùng được gọi là dị nhiễm sắc (heterochromatin) là vùng không chứa gen hoặc chứa các gen ở trạng thái không hoạt động vì ADN ở vùng này bị co xoắn chặt. Các gen của sinh vật nhân thực có thể bị bất hoạt dài hạn khi một số nuclêôtit ở vị trí nhất định bị biến đổi bằng cách gắn thêm nhóm CH 3 vào gốc xitôzin khi ADN được nhân đôi và người ta gọi hiện tượng đó là mêtyl hoá. Khi vùng nhiễm sắc được mêtyl hoá thì ADN bị co xoắn chặt lại và gen không thể phiên mã được. Bằng thực nghiệm, người ta đã chuyển các gen đang hoạt động vào cùng dị nhiễm sắc thì các gen này lại trở nên bất hoạt. Một trong hai nhiễm sắc thể X của nữ giới và của động vật có vú bị bất hoạt cũng bằng cơ chế này. Khi vùng nhiễm sắc thể đã bị mêtyl hoá thì trạng thái này được di truyền từ tế bào này sang tế bào khác. Mêtyl hoá đóng vai trò quan trọng trong quá trình biệt hoá tế bào (ở các mô nhất định, hầu hết các gen trong hệ gen bị đóng và chỉ một số gen nhất định hoạt động vào thời điểm nhất định). Trong quá trình hình thành tế bào tinh trùng và trứng ở người cũng như ở các loài động vật có vú khác, một số gen nhất định ở trứng bị bất hoạt bằng cách mêtyl hoá trong các gen tương ứng trong tinh trùng lại không bị bất hoạt hoặc ngược lại một số gen ở tinh trùng bị bất hoạt trong khi đó các gen tương ứng trong tế bào trứng lại vẫn hoạt động. Cách thức bất hoạt các nhóm gen khác nhau ở tế bào trứng và tế bào tinh trùng của cùng một loài như vậy được gọi in vết hệ gen (genomic tmprinting). Điều này giúp giải thích tại sao hợp tử, ví dụ ở người, chỉ phát triển thành cơ thể bình thường nếu chứa cả nhân của tinh trùng và nhân của trứng. Nếu tế bào trứng chứa 2 bộ nhiễm sắc thể đơn bội của cùng một giới thì hợp tử không phát triển được thành cơ thể. Gen có thể được hoạt hoá hay bất hoạt bằng cách axêtin hoá hoặc khử axêtin : Axêtin hoá là hiện tượng gắn thêm nhóm – COCH 3 vào gốc lizin tại đầu N của prôtêin histôn cấu tạo nên nuclêôxôm. Còn hiện tượng khử axêtin là hiện tượng loại nhóm - COCH 3 ra khỏi prôtêin histôn. Khi COCH 3 được gắn vào gốc lizin sẽ làm trung hoà điện tích dương của nó và do vậy lizin không thể liên kết được với các nuclêôxôm khác làm cho ADN được dãn xoắn và promoter của gen tiếp xúc được với ARN pôlimeraza nên phiên mã có thể được thực hiện. Ở một số tế bào, một số gen nhất định có thể được lặp lại nhiều lần làm tăng số lượng bản sao, do vậy làm tăng sản phẩm của gen để đáp ứng nhu cầu của tế bào. Đối với một số mô, thậm chí toàn bộ hệ gen được nhân lên nhiều lần nhưng không kèm theo phân chia tế bào chất (hiện tượng nội nguyên phân). Ví dụ, ở tế bào tuyến nước bọt của ấu trùng ruồi giấm, hiện tượng nội nguyên phân đã tạo nên bộ nhiễm sắc thể đa sợi hay còn gọi là bộ nhiễm sắc thể khổng lồ với hệ gen lưỡng bội được tăng lên tới 10 lần so với bình thường (2n). Operon Lac và điều hoà dương tính Khi trong môi trường vừa có đường lactôzơ vừa có đường glucôzơ, thì opêron Lac cũng không thể hoạt động được vì tế bào ưu tiên sử dụng đường glucôzơ trước theo kiểu ' hết nạc mới' vạc đến xương" vì việc phân giải glucôzơ ít tốn kém năng lượng hơn. Vậy làm thế nào tế bào thực hiện được điều này ? Khi tế bào phân giải đường glucôzơ thì chính sản phẩm của quá trình dị hoá đường này ức chế opêron Lac làm cho nó không thể hoạt động được. Sản phẩm của quá trình phân giải đường glucôzơ tác động trực tiếp làm thay đổi nồng độ chất AMP vòng (viết tắt theo tiếng Anh là cAMP). Khi nồng độ glucôzơ trong tế bào tăng thì nồng độ AMP trong tế bào giảm và ngược lại, khi glucôzơ trong tế, bào bị phân giải thì nồng độ CAMP trong tế bào lại cao. Nồng độ CAMP cao trong tế bào là cần thiết để hoạt hoá opêron Lac. cAMP giúp hoạt hoá opêron Lac bằng cách nó liên kết với một chất được gọi là prôtêin hoạt hoá sản phẩm dị hoá (CAP) làm cho cấu hình của CAP được biến đổi và do đó có thể liên kết được với promoter. Phức hợp cAMP-CAP liên kết với một vùng đặc hiệu trên phía đầu promoter của opêron Lac và nhờ đó làm tăng ái lực của enzim ARN pôlimeraza với promoter (liên kết với promoter thường xuyên hơn) và quá trình phiên mã được tăng cường. Vì vậy, CAP chính là một loại chất hoạt hoá gen (hoạt hoá phiên mã). Khi nồng độ gluôzơ trong môi trường tăng lên thì nồng độ cAMP trong tế bào iảm đi và khi không có cAMP lên kết với CAP thì nó không thể liên kết được với promoter của opêron Lac và ơpêron này không thể phiên mã được hoặc phiên mã rất ít, Như vây có thể nói ơpêron Lac vừa chịu sự điều hoà âm tính vừa chịu sự điều hoà dương tính. Opêron Lac chỉ có thể hoạt động khi prôtêin ức chế bị bất hoạt không có khả năng liên kết được với operator tuy nhiên điều này là chưa đủ vì nếu không có CAP liên kết với promoter thì tốc độ phiên mã xảy ra rất thấp. Tốc độ phiên mã chỉ được tăng cường tới mức cần thiết khi prôtêin hoạt hoá liên kết được với promoter. Ta có thể ví prôtêin ức chế khi bị bất hoạt giống như ta bật nút (on/off) chiếc đài radio còn prôtêin hoạt hoá khi liên kết với promoter giống như khi ta vặn tăng nút âm thanh choài (nút volume) Nucleoprotein 1. Nucleohiston và nucleoprotamin ARN và ADN thường thấy trong tự nhiên (ở động vật, thực vật cũng như virut) dưới dạng kết hợp với protein. - Protein đặc biệt quan trọng là histon: tính chất kiềm, trọng lượng phân tử nhỏ. Histon tự do có cấu trúc xoắn anpha và hình như cấu trúc này được duy trì trong nucleohiston. Gần đây một số tác giải đã chứng minh rằng nưcleohiston chiết suất từ mầm đậu chứa ARN gắn với protein bằng liên kết đồng hoá trị - Phức hợp ARN - histon chứa 8% ARN và 92% protein. - Trong các tế bào sinh tinh đã trưởng thành của nhiều họ có ADN được gắn không phải với hislon, mà với protamin, protamin là protein có tính kiềm mạnh, cũng như histon, có tỷ lệ arginin cao. Tuy nhiên chúng có kích thước không đồng đều và nhỏ hơn, hình như chúng có mang tính chất đặc hiệu chủng loại. 2. Nucleoproteid của virus Virut là một ví dụ điển hình về các loại nucleoproteid đồng nhất và tự trị. Ba đặc điểm của virut là: trong tế bào dinh dưỡng của vật chủ chúng thể hiện sự có mặt của chúng qua các hiện tượng sau : - Tự sinh sản - Gây hội chứng bệnh - Khả năng biến dị Nhờ tính chất thứ 3 mà virus trở thành nguyên liệu quí để nghiên cứu về di truyền. Như vậy kết hợp chặt chẽ với vật chủ mà virus biểu hiện tất cả mọi đặc tính của sự sống. Rất nhiều virus đã được tách ra tinh khiết. viriot đơn giản nhất về mặt hoá học là gồm có protein và acid nucleic. Protein có trong tất cả mọi virus (từ 33 đến 99%) bao bọc xung quanh acid nucleic, làm nhiệm vụ che chở cho acid nucleic. 2.1. Virut vi khuẩn (thực khuẩn bào) Thường rất lớn, acid nucleic của chúng thường là ADN xoắn đôi đều, nằm trong một cái "đấu' kết tinh nhiều mặt đối xứng, gồm nhiều đơn vị nhỏ protein rất giống nhau, có trọng lượng phân tử 2.10 4 . Thường chúng có một cái 'muối" dễ uốn đùng làm cơ quan gắn và chích. Cái đuôi này có thể gồm nhiều thành phần, chức phận và cấu trúc khác nhau nên số protein trong vửus cũng rất lớn. 2.2. Virut động vật: Có thể chứa ARN hoặc ADN - Virus ARN thấy ở bào tương, vừus ADN trong nhân tế bào chủ, các điển hình như: + virut gây bại liệt và virus cocksackie là những nucleoproteit đơn giản đa diện, giống như virus thực vật. + Virus gây viêm não và virus gây cúm chứa ARN cùng một phân tử lượng nhỏ, nhưng phân tử của nó đa diện và khá lớn, vì ngoài nucleoprotein còn có lipid và polysacant. + Đặc biệt nhóm đáng chú ý là reo virus có ARN vòng xoắn đôi bổ sung với trọng lượng phân tử cao và gần giống ADN. virut chứa ADN: virus gây bệnh mụn rộp (herpes), bệnh đậu gà, bệnh quai bị, sởi, thuỷ đậu psitlacosis, dại, polima . cả các mức độ : từ điều hoà trước phiên mã, điều hoà phiên mã, điều hoà sau phiên mã, điều hoà dịch mã và sau dịch mã. Điều hoà trước phiên mã ADN của sinh vật nhân thực được liên kết. Di truyền phân tử ( phần 1 ) Điều hoà phiên mã - Điều hòa hoạt động gen ở nhân thật Bình thường, một mình ARN pôhmeraza. được với các gen cần phiên mã. Các gen cần phiên mã cùng nhau có thể được điều hoà phiên mã bởi cùng một nhóm yếu tố phiên mã đặc hiệu (chất hoạt hoá hoặc chất ức chế đặc hiệu). Bằng cách này,