ĐIỀU HÒA DỊCH MÃ GEN Ở PROCARYOTE

Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 1 ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở EUKARYOTE Phạm Xuân Bằng Lớp Sinh Thái Học K22 xuanbangorg@gmail.com 1. Giới thiệu Một bước tiếp theo trong cơ chế điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote là điều hòa ở cấp độ dịch mã. Tại sao tế bào điều khiển dịch mã và chúng được hưởng lợi từ điều đó như thế nào? Đã có rất nhiều câu trả lời cho câu hỏi này. Điều hòa ỏ cấp độ dịch mã có thề xảy ra nhanh chóng mà không cần phải đi qua tất cả các quy trình ngược dòng của biểu hiện gen, chẳng hạn như phiên mã, chế biến mRNA và giải phóng mRNA. Hơn nữa, điều hòa dịch mã thường là thuận nghịch, vì nó thường xuyên được điều chỉnh thông qua những sự sửa đổi protein một cách thuận nghịch chẳng hạn như sự phosphoryl hóa các yếu tố khởi đầu dịch mã. Rõ ràng là cần phải có sự kiểm soát dịch mã ở các hệ thống mà việc kiểm soát phiên mã (hoặc trước phiên mã) không thể thực hiện được chẳng hạn như ở các tế bào hồng cầu lưới thiếu nhân, tế bào trứng, hoặc các virus RNA. Điều hòa dịch mã được thực hiện chủ yếu ở giai đoạn khởi đầu dịch mã. Nhiều loại mRNA được tổng hợp ra nhưng chưa được dịch mã vì vùng không được dịch mã ở đầu 5‟ của nó bị một số protein liên kết vào khiến cho ribosome không thể tiến hành dịch mã. Ngoài ra, mRNA cũng có thể không được dịch mã nếu đuôi poly A gắn vào ở đầu 3‟ không có độ dài thích hợp. Người ta cũng nhận thấy nhiều loại mRNA của thực vật và tảo bị bất hoạt trong tối nhưng khi ra ánh sáng thì bộ máy dịch mã được tái kích hoạt và nhiều loại mRNA được dịch mã. Nhìn chung sự điều hòa ở giai đoạn dịch mã vô cùng phức tạp. Trong phần trình bày dưới đây nhóm chỉ xin trình bày một cái nhìn tổng quan về các cơ chế phân tử ở Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 2 bước khởi đầu dịch mã có liên quan trực tiếp đến sự điều hòa dịch mã. Kết quả nghiên cứu sự điều hòa dịch mã được thực hiện trên đối tượng là tế bào động vật có vú và nấm men (Hinnebusch và cộng sự, 2007; Pestova và cộng sự, 2007). 2. Điều hòa dịch mã (regulation of translation) 2.1. Vài nét về phân tử mRNA ở eukaryote có liên quan đến sự điều hòa dịch mã Phân tử mRNA ở eukaryote nhìn chung được chia thành 3 vùng chính: Vùng không mã hóa đầu 5‟ (5‟UTR), vùng mã hóa (coding region), vùng không mã hóa đầu 3‟ (3‟UTR). Hình 5.1. Cấu trúc tổng quan của mRNA ở eukaryote Ngoài cùng đầu 5‟ là cấu trúc mũ m 7 Gppp, cuối đầu 3‟ là đuôi poly A đều có liên quan đến sự điều hòa dịch mã. Cả 2 cấu trúc này đều có vai trò quan trọng trong sự bám vào mRNA của ribosome. Ở phần lớn các mRNA thì sự khởi đầu dịch mã cần có sự tham gia mũ m 7 Gppp và người ta gọi đó là sự khởi đầu dịch mã phụ thuộc vào mũ (cap- dependent initiation) hoặc khởi đầu từ bên ngoài (external initiation) Hairpin: Cấu trúc kẹp tóc, có khả năng kiểm soát khởi đầu dịch mã ở mRNA của ferritin và thụ thể transferrin IRES (internal ribosomal entry site - tạm dịch là vị trí tiếp nhận ribosome nội bộ): nằm trong vùng 5‟UTR của một số mRNA, nó là nơi để phức hợp tiền khởi đầu gắn vào 5’UTR ORF 3’UTR Protein bám Protein bám Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 3 để thực hiện quá trình khởi đầu dịch mã và người ta gọi đó là sự khởi đầu dịch mã không phụ thuộc mũ (cap-independent initiation) hoặc khởi đầu từ bên trong (internal initiation). uORF (upstream open reading frame): Khung đọc mở thượng nguồn, có vai trò ức chế khởi đầu dịch mã. Protein bám (binding protein-BP): Những protein bám vào một số vị trí tại vùng 5‟UTR và vùng 3‟UTR thường có vai trò ức chế nhưng đôi khi cũng thúc đẩy sự dịch mã (Gebauer, Nature - 2004). PABP (Poly A binding protein): Protein bám đuôi poly A cũng có vai trò quan trọng trong sự khởi đầu dịch mã (đã nghiên cứu trên đối tượng chồi nấm men – (Sachs, 2000)). CPE (cytoplasmic polyadenylation element): Nằm ở 3‟UTR - vùng giàu U trước đuôi polyA, có khả năng điều hòa khởi đầu dịch mã thông qua protein bám vào nó gọi là CPEB sẽ được trình bày ở dưới. 2.2. Điều hòa dịch mã được thực hiện ở bước khởi đầu Dịch mã có thể được chia thành ba bước chính sau: Khởi đầu, kéo dài và kết thúc. Một số bằng chứng cho thấy rằng giai đoạn khởi đầu là bước hạn chế tốc độ của quá trình dịch mã. Khi các tế bào được xử lý với liều lượng thấp bằng các chất ức chế giai đoạn kéo dài dịch mã (ví dụ, cycloheximide) thì sự tổng hợp protein chỉ bị ảnh hưởng rất ít (Lodish và Jacobsen, 1972; Mathews và cộng sự, 2007; Walden và cộng sự, 1981). Sự phức tạp và tầm quan trọng của việc khởi đầu dịch mã so với bước kéo dài và kết thúc được nhấn mạnh bởi thực tế rằng chỉ có một vài yếu tố chuyên dụng cần thiết cho hai quá trình kéo dài và kết thúc, trong khi cần có hơn loại 25 protein để đảm bảo cho sự khởi đầu dịch mã thật chính xác (Pestova và cộng sự, 2007 Preiss và Hentze, 2003). Vì vậy, không phải đáng ngạc nhiên là hầu hết sự điều hòa dịch mã được thực hiện ở bước khởi đầu (Gebauer và Hentze năm 2004; Holcik và Sonenberg năm 2005; Mathews và cộng sự, 2007; Preiss và Hentze, 2003). Chúng tôi chỉ đề cập đến sự điều hòa dịch mã ở giai đoạn khởi đầu, đối với giai đoạn kéo dài và kết thúc dịch mã , hãy tham khảo các nghiên cứu gần đây (Ehrenberg và cộng sự, 2007;. Spriggs và cộng sự, 2005). Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 4 a) Điều hòa sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu dịch mã Khi điều kiện sinh lý có lợi thì các tiểu đơn vị nhỏ (40S) và lớn (60S) của ribosome có thể liên kết để hình thành ribosome 80S hoàn chỉnh, nhưng chỉ những tiểu đơn vị ribosome tự do mới có thể khởi đầu dịch mã, điều quan trọng là sau bước kết thúc ribosome phân tách (Pestova và cộng sự, 2001; Preiss và Hentze, 2003). Ở prokaryote, sự phân tách này được thực hiện thông qua một nhân tố tái chế ribosome (ribosome- recycling factor), còn ở eukaryote thì chưa không thấy có sự hiện diện của nhân tố này (Kisselev và Buckingham, 2000). Các yếu tố khởi đầu ở eukaryote: (eIFS) eIF3, eIF1, eIF1A, và eIF6 được cho là để thúc đẩy sự phân tách này ở eukaryote, nhưng cơ chế của nó thì đến nay vẫn chưa rõ. Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng hoạt động của các nhân tố này là không đủ để ngăn chặn sự hình thành của ribosome 80S (Pestova và cộng sự, 2007; Preiss, Hentze 2003), và một kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sự phân ly của ribosome 80S có liên quan trực tiếp đến sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43s (pre- initiation complex) (Pestova và cộng sự, 2007). Sự khởi đầu dịch mã bắt đầu với sự hình thành của phức hợp tiền khởi đầu 43s: (Hình 5.2) Hình 5.2. Sự hình thành của phức hợp tiền khởi đầu 43s Bước đầu tiên trong sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43s là lắp ráp phức hợp cấu trúc bậc 3 (ternary complex) (Hình 5.2 và 2.3). Phức hợp cấu trúc bậc 3 bao gồm nhân tố eIF2, một dị chất tam phân có 3 tiểu phần α, β, và γ, phức hợp methionyl-tRNA mở đầu (Met-tRNA i met ) và GTP, và sự lắp ráp của nó được quy định bởi yếu tố trao đổi guanine (GEF- guanine nucleotide exchange factor) eIF2B (Hình 5.3). Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 5 Hình 5.3. Sự hình thành phức hợp cấu trúc bậc 3 GTP bị thủy phân sau khi có sự nhận ra bộ ba AUG mở đầu (Hình 5.4) lúc này giải phóng ra phức hợp eIF2 gắn GDP, làm giảm ái lực của phức hợp này với Met-tRNA i Met đi mười lần (Hinnebusch và cộng sự, 2007). eIF2B thúc đẩy việc chuyển đổi GDP-GTP (cắt GDP và gắn GTP vào) để chuyển eIF2 trở lại dạng hoạt động (Hình 5.3) (Hinnebusch và cộng sự, 2007;. Pestova và cộng sự, 2007;. Preiss, Hentze, 2003). Sự bám vào của phức hợp cấu trúc bậc 3 hoạt động vào tiểu đơn vị ribosome 40S được hỗ trợ một cách độc lập từ các nhân tố eIF1, eIF1A, và eIF3 trong các tế bào động vật có vú (Pestova và cộng sự, 2007 Preiss Hentze, 2003). Trong chồi nấm men , eIF1, eIF1A, eIF3, eIF5, và phức hợp bậc ba có thể được cô lập lại thành một phức hợp đa nhân tố (MFC), điều này làm tăng khả năng MFC được gắn vào tiểu đơn vị 40S (Hinnebusch và cộng sự, 2007). Phức hợp tiền khởi đầu 43s sau đó đã sẵn sàng để liên kết với đầu mút vùng 5' của mRNA. Trong một số trường hợp sự ức chế dịch mã có thể được thực hiện ngay ở bước này thông qua sự ức chế hoạt động chuyển đổi GDP-GTP của eIF2B. Trong trường hợp tế bào bị stress - căng thẳng (căng thẳng bị oxy hoá, chất dinh dưỡng hạn chế, tình trạng thiếu oxy, căng thẳng nhiệt độ), quá trình dịch mã có thể bị điều hòa giảm (downregulation) bằng cách điều khiển hoạt động của những phức hợp cấu trúc bậc 3 sẵn có (Hình 5.4) Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 6 Hình 5.4. Sự ức chế sự hình thành của phức hợp cấu trúc bậc 3 hoạt động Sau khi tế bào bị phơi nhiễm với sự căng thẳng, tiểu đơn vị α của eIF2 (eIF2α) được phosphoryl hóa (tại Ser 51) và do đó ức chế sự chuyển đổi của GDP thành GTP bởi eIF2B và kết quả là sự hình thành các phức hợp cấu trúc bậc ba hoạt động bị giảm mạnh, và dịch mã được điều hòa giảm (Dever và cộng sự, 1992; Gebauer và Hentze, 2004; Holcik và Sonenberg, năm 2005, Ron và Harding, 2007). Cơ chế phân tử của sự ức chế này được dựa trên một thực tế là do bị phosphoryl hóa nên eIF2α-GDP biến thành một chất ức chế cạnh tranh của eIF2B, vì eIF2B có ái lực đối với eIF2α-GDP đã phosphoryl hóa cao hơn đối với eIF2α GDP chưa được phosphoryl hóa (Rowlands và cộng sự., 1988). Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 7 b) Điều hòa sự gắn vào mRNA của phức hợp tiền khởi đầu 43S Sự gắn của phức hợp tiền khởi đầu vào mRNA phụ thuộc vào mũ Sự nhận diện của mũ m7G tại đầu mút vùng 5' của mRNA được thông qua bởi eIF4F, trong đó có ba tiểu đơn vị eIF4E eIF4G, và eIF4A (Hình 5.6): eIF4E liên kết trực tiếp với mũ m7G, eIF4A có hoạt tính helicase (ATPase/RNA helicase) được cho là để giãn thẳng trúc bậc 2 trong 5'UTR để phức hợp tiền khởi đầu 43s có thể quét dọc theo mRNA, và eIF4G được cho là có chức năng như protein giá đỡ (Hinnebusch và cộng sự, 2007; Pestova và cộng sự, 2007; Preiss, Hentze, 2003). Khi eIF4G và eIF4A gắn được vào eIF4E thì phức hợp tiền khởi đầu có thể tiến đến và gắn được vào mRNA. Ở đây có sự điều khiển sự kết hợp của eIF4G và eIF4A vào eIF4E và do đó có thể ngăn chặn hoặc cho phép phức hợp tiền khởi đầu gắn vào mRNA (Hình 5.6) Hình 5.5. Ức chế khởi đầu dịch mã thông qua 4E-BP Sự điều khiển trên thông qua 1 loại protein ức chế bám vào eIF4E gọi là 4E-BP. Những protein ức chế này đã được trình diện để kiểm soát một loạt các quá trình sinh học như sự tăng trưởng hoặc phát triển của tế bào, và cũng có thể ngăn chặn sự hình thành khối u (Richter và Sonenberg, 2005). Bình thường thì các 4E-BP bám vào eIF4E và do đó eIF4G không thể gắn được vào eIF4E nên sự khởi đầu dịch mã bị ức chế. Tuy nhiên ái lực liên kết của những 4E-BP này được kiểm soát thông qua sự phosphoryl hóa. Khi các Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 8 4E-BP này bị siêu phosphoryl hóa thì chúng không còn khả năng bám vào eIF4E được nữa mà do vậy eIF4E được tự do để eIF4G gắn vào và quá trình khởi đầu dịch mã được thực hiện. Ngoài ra thì ở một số mRNA (trong sự phát triển sớm của phôi), sự gắn của eIF4G vào eIF4E còn được điều khiển thông qua một loại protein bám vào CPE (CPEB – cytoplasmic polyadenylation-element binding protein) (Hình 5.6) Hình 5.6. Sự điều hòa khởi đầu dịch mã thông qua CPEB Theo Gebauer và Hentze (2004) CPEB gắn với một loại protein được gọi là mặt nạ (Maskin), nó có chứa một vùng gắn được vào eIF4E và do đó cạnh tranh với eIF4G tương tự như 4E-BP. Khi phôi trưởng Translation is blocked Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 9 thành, một loại enzym kinase sẽ phosphoryl hóa CEBP – Maskin làm cho phức hợp này không thể báo vào eIF4E, kết quả là sự dịch mã được kích hoạt. Cơ chế gắn phức hợp tiền khởi đầu vào phức hợp bám mũ dần được làm sáng tỏ. Trong các tế bào động vật có vú, người ta xác định được eIF3 từ phức hợp tiền khởi đầu tương tác với vùng trung tâm của eIF4G (Lamphear và cộng sự, 1995). Sự tương tác này vẫn chưa được tìm thấy trong chồi nấm men, trong đó eIF4A được cũng liên kết không ổn định với eIF4E và eIF4G (Goyer và cộng sự, 1989;. Hinnebusch và cộng sự, 2007). Tóm lại, sự gắn kết của phức hợp tiền khởi đầu vào mRNA liên quan đến các hoạt động giúp đỡ của eIF4F, eIF3, eIF4B, và có thể có PABP (ploly A binding protein). PABP bước đầu đã được xác định là một loại protein gắn vào đuôi poly A tại 3'UTR của mRNA. Sự phối hợp liên kết của PABP và eIF4E eIF4G được cho là gởi thông tin giả (pseudo-circularize) mRNA (Hình 5.5 và 5.7) (Wells và cộng sự, 1998). Hơn nữa, PABP Pab1p rất cần thiết để khởi đầu dịch mã trong chồi nấm men (Sachs, 2000). Việc gửi thông tin này cung cấp một khung sườn thích hợp bởi thế 3' UTR-binding protein có thể điều khiển sự khởi đầu dịch mã, đây là trình tự điều hòa được biết rõ nhất trong 3'UTR, mặc dù thực tế là dịch mã khởi đầu tại đầu mút 5' của mRNA (Gebauer và Hentze, 2004). Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Ym: michaeljacson_1989 Page 10 Hình 5.7. Quá trình khởi đầu dịch mã phụ thuộc mũ ở eukaryote Theo Gebauer và Hentze (2004) [...]... Ym: michaeljacson_1989 Page 17 Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng VI ĐIỀU HÒA SAU DỊCH MÃ Cơ hội cuối cùng của điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote là ở cấp độ sau dịch mã và sự điều hòa biểu hiện của gen có thể xuất hiện trong mỗi bước liên quan đến quá trình hoàn thiện và vận chuyển protein Thông thường, các chuỗi polypeptide ở eukaryote phảỉ trải qua giai đoạn hoàn thiện để thu... casein giảm xuống bởi vì RNA bị thoái biến nhanh hơn và sự tiết sữa kết thúc (Hình 5.11) Ym: michaeljacson_1989 Page 16 Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Hình 5.11 Điều hòa dịch mã của mRNA casein bởi prolactin hormone Trong một số trường hợp sự điều hòa dịch mã có thể được thực hiện bởi các miRNA hoặc siRNA nhờ khả năng bắt cặp bổ sung được với mRNA gây ức chế dịch mã hoặc phân hủy... đuôi polyA và trở thành khuôn để tổng hợp protein c) Điều hòa dịch mã bởi hormone Rất nhiều gen được phiên mã nhưng không bao giờ được dịch mã Khi có một tín hiệu xuất hiện (hormone) thì bộ máy dịch mã lập tức hoạt động tổng hợp các protein từ các mRNA đã trữ sẵn Ví dụ: một loại phân tử mRNA có thời gian sống được kéo dài là mRNA mã hóa cho casein, một loại protein chính của sữa có ở các tuyến vú Bình... vùng mã hóa chính của GCN4 mRNA không được dịch mã Nếu eIF2a được phosphoryl hóa thì phức bậc ba trở nên hạn chế, các ribosome có nhiều khả năng để tiếp tục quét qua các uORF mà không tái khởi đầu dịch mã tại những uORFs sau đó cho tới khi gặp bộ 3 AUG mở đầu thực sự của GCN4 và dịch mã được thực hiện (Hình 5.10) Hình 5.10 Sự điều hòa dịch mã của GCN4 bởi uORFs theo Holcik và Sonenberg (2005) Ym: michaeljacson_1989... Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng Hình 5.9 Sự hình thành ribosome 80S để dịch mã http://ars.sciencedirect.com/content/image/1-s2.0-S0092867409000907-gr1.jpg Sự điều hòa thông qua uORFs Chúng tôi đưa ra 1 ví dụ về sự điều hòa tăng sự tổng hợp acid amin trong trường hợp tế bào bị “đói” acid amin Trong khi sự dịch mã của hầu hết các mRNA được điều hòa giảm bởi sự phosphoryl hóa eIF2α... lại bị ức chế dịch mã) Sự điều hòa biểu hiện của GCN4 (mã hóa cho một nhân tố kiểm soát phiên mã chính mà có thể kích hoạt gen phiên mã tổng hợp acid amin) là sự điều hòa tăng dưới Ym: michaeljacson_1989 Page 13 Translational Control of Gene Expression Phạm Xuân Bằng những điều kiện thiếu acid amin Sự điều hòa tăng này được kiểm soát bởi khung đọc mở thượng nguồn (uORFs - upstream open reading frames)... hay nồng độ sắt thấp, protein điều hòa gắn vào các IRE ngăn cản sự dịch mã của mRNA ferritin nhưng đồng thời lại giúp ổn định mRNA transferrin (protein điều hòa có chức năng bảo vệ mRNA thụ thể transferrin khỏi sự thoái hóa bởi nuclease) Ngược lại khi có mặt nhiều sắt thì protein điều hòa không bám vào được IRE của 2 loại mRNA trên và hệ quả là mRNA ferritin được dịch mã còn mRNA của thụ thể transferrin... kinase của gen GCN2 sẽ làm giảm sự hình thành của phức hợp cấu trúc bậc 3, thì sự dịch mã của một số mRNA riêng biệt cụ thể là GCN4 (nấm men) lại có thể được điều hòa tăng bằng cách phản ứng lại sự giảm sự có mặt của phức hợp cấu trúc bậc 3 (khi sự có ít phức hợp cấu trúc bậc 3 thì nó lại có khả năng dịch mã còn khi có nhiều phức hợp cấu trúc bậc 3 thì nó lại bị ức chế dịch mã) Sự điều hòa biểu hiện... khởi đầu phiên mã Tuy vậy vào một thời điểm phù hợp trong qua 1trình phát triển phôi, một enzym ở tế bào chất bổ sung thêm đuôi poili A vào đầu 3‟ của những phân tử mRNA và thúc đẩy sự khởi đầu dịch mã Đặc biệt trong quá trình phát triển mô phôi, rất nhiều loại ARNm được phiên mã từ các gen của mẹ và được dự trữ trong tế bào trứng Chúng thường có đuôi polyA rất ngắn (10-30 A) nên không được dịch mã. .. Trong điều kiện phát triển tối ưu và sự sẵn có của các phức hợp bậc ba, ribosome bắt đầu quét tại uORF1 sau đó tiếp tục quét để dịch mã uORF2, uORF3, và uORF4 (Hình 5.10) Tuy nhiên, các ribosome không thể tái khởi đầu dịch mã sau khi kết thúc trượt tại những uORFs sau đó và 2 tiểu phần của ribosome bị tách ra trước khi tới bộ ba mở đầu AUG thực sự, hệ quả là vùng mã hóa chính của GCN4 mRNA không được dịch . Một bước tiếp theo trong cơ chế điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote là điều hòa ở cấp độ dịch mã. Tại sao tế bào điều khiển dịch mã và chúng được hưởng lợi từ điều đó như thế nào? Đã có rất. hoặc các virus RNA. Điều hòa dịch mã được thực hiện chủ yếu ở giai đoạn khởi đầu dịch mã. Nhiều loại mRNA được tổng hợp ra nhưng chưa được dịch mã vì vùng không được dịch mã ở đầu 5‟ của nó bị. đầu dịch mã thông qua protein bám vào nó gọi là CPEB sẽ được trình bày ở dưới. 2.2. Điều hòa dịch mã được thực hiện ở bước khởi đầu Dịch mã có thể được chia thành ba bước chính sau: Khởi đầu,