Sinh học phân tử - CHƯƠNG VIII.doc

Sinh học phân tử

CHƯƠNG VIII

SỰ ĐIỀU HềA BIỂU HIỆN CỦA GEN

I Điều hoà sự biểu hiện của gen

1 Đặt vấn đề

Ở cỏc chương trờn, chỳng ta đó đề cập đến 3 quỏ trỡnh thiết yếu của tế bào ởmức phõn tử là: sao chộp DNA, phiờn mó tạo ra mRNA và dịch mó tạo ra polypeptide

Ba quỏ trỡnh này xảy ra trong nội tại một tế bào Trong chơng này chúng ta sẽ đề cặp

đến quá trình điều hòa biểu hiện của gen ở hai hệ thống sinh vật, trong nội tại một tếbào, giữa các tế bào, toàn cơ thể và dới tác động của môi trờng ngoài

Thường thỡ tế bào khụng thể tồn tại một cỏch độc lập và tỏch rời với mụi trườngxung quanh mà thường xuyờn và liờn tục cú sự trao đổi chất giữa các tế bào với nhau

và với mụi trường bên ngoài Đõy là một đặc tớnh cơ bản của sự sống Đối với tế bàosinh vật tiền nhõn, mụi trường ngoài là một tập hợp cỏc nhõn tố vật lý và húa học baoquanh bờn ngoài tế bào Cũn đối với sinh vật nhõn thật đa bào, mụi trường ngoài củamột tế bào là tập hợp tất cả cỏc tế bào bao xung quanh, cỏc ngoại gian bào, cỏc cơquan và mụ khỏc trong nội bộ một cơ thể sinh vật thống nhất

Như vậy vấn đề nảy sinh là bằng cỏch nào tế bào cú thể điều chỉnh hoạt độngcủa mỡnh cho phự hợp với cỏc biến đổi của mụi trường ngoài để tồn tại, thớch ứng vàphát triển Quỏ trỡnh điều hũa cú sự khỏc nhau cơ bản về cơ chế và cỏch thức giữa 2 hệthống sinh vật, cụ thể được túm tắt dưới đõy

2 So sỏnh sự khỏc nhau giữa sinh vật tiền nhõn và nhõn thật

a Khỏc nhau về động cơ điều hũa biểu hiện của gen

- Để điều chỉnh hệ enzyme

cho phự hợp với cỏc tỏc nhõn

mụi trường bờn ngoài như:

dinh dưỡng, lý húa tớnh để tế

bào cú thể tăng trưởng và

sinh sản được

- Sự điều hũa xảy ra một

cỏch linh động, cú tớnh thuận

nghịch, tức thời tuỳ thuộc vào

mụi trường mà cỏc gen cú

- Do tế bào khụng tiếp xỳc trực tiếp với mụitrường bờn ngoài cho nờn quỏ trỡnh điều hũakhụng mang tớnh chất thụ động với những biếnđộng của ngoại bào

- Vỡ mỗi tế bào là một thành phần của cơ thể sốngcho nờn chỳng phải tuõn thủ một cỏch nghiờmngặt theo một chương trỡnh phỏt triển chuyờn biệt

từ khi cơ thể cũn phụi thai đến lỳc trưởng thành

- Sự điều hũa hoạt động của cỏc gen ở đõy đềunhằm hướng đến việc chuyờn biệt húa từng loại tế

được biểu hiện hay khụng.

- Cú thể ngừng ở thời điểm

bất kỳ nào trong chu trỡnh tế

bào Một enzyme cú thể được

sinh ra, ngừng sinh ra rồi lại

được sinh ra một cỏch dễ

dàng Tất cả cỏc quỏ trỡnh đú

được điều khiển ở những mức

độ hoạt húa khỏc nhau

- Điều hòa chủ yếu theo mô

hình operon

bào thành từng cấu trỳc và chức năng riờng vàkhụng mang tớnh thuận nghịch

- Khi tế bào đó đi vào biệt húa thỡ sẽ khụng cũn

cú khả năng quay trở lại trạng thỏi ban đầu haychuyển sang một hướng phõn húa khỏc Thớ dụnhư tế bào phụi thai khi chuyển thành tế bào ganthỡ khụng thể quay lại thành tế bào phụi thai vàcũng khụng trở thành tế bào ruột được

- Mô hình điều hòa rất đa dạng và phức tạp, tùytừng gen, tế bào, mô, giai đoạn sinh trởng pháttriển và sinh vật

b Nguyờn nhõn chớnh dẫn đến sự khỏc nhau

- Sự khỏc biệt trong cấu trỳc tế bào giữa 2 loại sinh vật đó dẫn đến sự khỏc biệt trongquỏ trỡnh điều hũa sự biểu hiện của gen Ở sinh vật tiền nhõn, tế bào khụng cú màngnhõn, mRNA vừa được phiờn mó từ DNA thỡ tiếp xỳc ngay với bộ mỏy dịch mó, kếtquả là quỏ trỡnh tổng hợp protein được tiến hành ngay, sự phiờn mó và dịch mó tiếnhành đồng thời Chớnh vỡ thế mà sự điều hũa biểu hiện của gen chủ yếu diễn ra ở giaiđoạn phiờn mó

- Trong khi đú ở tế bào sinh vật nhõn thật, do tế bào cấu tạo có màng nhõn, phiờn móxảy ra ở trong nhõn, dịch mó xảy ra ở tế bào chất nờn 2 quỏ trỡnh này xảy ra khụngđồng thời dẫn đến quỏ trỡnh điều hũa và biểu hiện của gen cũng xảy ra phức tạp hơn,phải tiến hành qua nhiều giai đoạn và cụng đoạn khỏc nhau

- Sinh vật tiền nhõn cú cấu tạo đơn bào cũn sinh vật nhõn thật cấu tạo đa bào, mụ vàcỏc cơ quan bộ phận trong cơ thể đợc biệt hoỏ và đảm nhận những chức phận khỏcnhau

c Cỏc thành phần tham gia vào quỏ trỡnh biểu hiện của gen

Cú 3 thành phần chớnh tham gia vào quỏ trỡnh biểu hiện của gen:

- Những tớn hiệu và chỳng phải cú khả năng gõy ra đủ mạnh để làm thay đổi và hoạthúa biểu hiện của gen

- Sự điều hũa biểu hiện của gen được tiến hành ở một trong số cỏc giai đoạn trongchuỗi cỏc phản ứng từ quá trình DNA sao chộp sinh ra mRNA chớn đến việc dịch mó

để tạo thành polypeptide chức năng

- Cơ chế phõn tử của quỏ trỡnh điều hũa biểu hiện của gen là cơ chế đề cập đến quỏtrỡnh điều hũa và tham gia của cỏc phõn tử thành phần

II m« h×nh ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë Prokaryote

1 Khái niệm

- Tín hiệu điều hòa chủ yếu là các yếu tố, là các hợp chất dinh dưỡng hay yếu tố vật lý,hãa hoc của môi trường nuôi cấy vi sinh vật Gen có thể biểu hiện hoặc ngừng biểuhiện hoặc hoạt động mạnh hay yếu nếu như sản phẩm của gen là cần thiết hay khôngcần thiết hoặc cần thiết nhiều hay cần thiết ít cho tế bào sinh trưởng trong môi trườngnhất định Như vậy nó cho phép sinh vật thích ứng một cách kỳ diệu với môi trườngngoài luôn biến đổi Các quá trình thích ứng này cần thiết phải có năng lượng

Hình 1.8 Tác động của chất

cảm ứng (a) và chất ức chế (b)

đến quá trình tổng hợp enzyme

trong vi khuẩn a) trong môi

trường không có lactose thì tế

bào tiến hành tổng hợp được

b) trong trường hợp ngược lại

đối với cơ chế điều hoà ức chế

®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh tổng hợp

trytophan thì ngược lại Khi

môi trường không có

tryptophan thì tế bào E.coli lại

tổng hợp rất mạnh enzyme để

sinh tổng hợp tryptophan, nếu

thêm tryptophan vào môi

trường thì tốc độ tổng hợp

enzyme đó giảm rất nhanh

theo thời gian sau đó dừng lại

và duy trì ổn định một lượng

nhỏ

- Cơ chế điều hòa chủ yếu được thực hiện thông qua các operon Khái niêm operon chỉtồn tại ở sinh vật tiền nhân Mỗi operon lại bao gồm những thành phần như sau: một sốgen cấu trúc là những gen mã hóa tạo thành một polypeptide, các gen cấu trúc này còn

gọi là cỏc cistron và cú nhiều cistron nằm kề cận nhau Cỏc trỡnh tự DNA khỏc nhautham gia vào hoạt động điều hũa đú là cỏc trỡnh tự điều khiển nằm ở promoter vàoperator.

- Cú 2 kiểu operon là operon cảm ứng (induction) và operon ức chế (repression) trỡnhbày ở hình 1.8 Operon cảm ứng cú đặc tớnh liờn quan đến quỏ trỡnh dị húa tức là quỏtrỡnh phõn giải cỏc hợp chất phức tạp thành cỏc hợp chất đơn giản thớ dụ như hoạt tớnhcủa các enzyme liờn quan đến việc sử dụng đường lactose, galactose hay arabinose.Khi khụng cú lactose trong mụi trường nuụi cấy thỡ enzyme -galactosidase sẽ khụnghoặc được sinh ra một lợng rất ớt Cũn nếu thờm đường lactose vào mụi trường nuụicấy thỡ quỏ trỡnh tổng hợp enzyme này tăng lờn một cỏch đột ngột đến thời điểm nào

đú (khoảng 9 phỳt) thỡ tốc độ tổng hợp enzyme này dừng lại và ổn định (hỡnh 1.8a)

- Operon ức chế, thớ dụ như enzyme tổng hợp tryptophan Khi tryptophan khụng cú

mặt trong mụi trường thỡ vi khuẩn E.coli xỳc tiến quỏ trỡnh tổng hợp enzyme rất mạnh

để tổng hợp được axit amin tryptophan cần cho nhu cầu của mỡnh Nếu khi thờm axitamin tryptophan vào mụi trường thỡ việc tổng hợp các enzyme để tổng hợp tryptophan

bị ức chế và lượng các enzyme này đều giảm dần theo thời gian đến một lỳc nào đú(khoảng 15 phỳt) thỡ ổn định như biểu diễn ở đồ thị trong hỡnh 1.8b

2 Operon cảm ứng mó hoỏ tạo ra enzyme xỳc tỏc cho quỏ trỡnh dị húa

- Quỏ trỡnh dị húa là quỏ trỡnh trong đú cỏc chất hữu cơ phức được biến đổi thành cỏcthành phần đơn giản nhờ hoạt tớnh của một số enzyme Thớ dụ như đường lactose sẽbiến thành đường glucose và galactose Đõy là kiểu operon cảm ứng, tớn hiệu điều hũa

ở đõy là đường lactose Khi khụng cú mặt đường lactose trong mụi trường nuôi cấy vikhuẩn thỡ cỏc gen mó húa cho cỏc enzyme xỳc tỏc việc chuyển húa đờng lactose khụngđược biểu hiện Khi mụi trường chỉ cú duy nhất đường lactose thỡ vi khuẩn phải thớch

ứng bằng cỏch sản sinh ra 3 loại enzyme đú là -galactosidase (gen Z) và -galactoside permease (gen Y) và -galactoside transacetylase (gen A)

- Enzyme -galactosidase là enzyme xỳc tỏc cho phản ứng phõn giải đường phứclactose thành ra hai hướng: 1/ cắt đường lactose thành 2 đường đơn là glucose vàgalactose, vi khuẩn sử dụng đường glucose; 2/ hỡnh thành lờn chất cảm ứng lac (Lacinducer) là allolactose, chất này bọc lấy protein điều hoà làm nú rời khỏi operator.Trong trường hợp này nú lại kớch thớch quỏ trỡnh phiờn mó 3 gen cấu trỳc, một trongchúng tạo ra -galactosidase (hình 3.8) Ba gen cấu trỳc này được phiờn mó một cỏchđồng thời để tạo ra một mRNA gọi là polycistronic message (hình 2.8) để phõn giảiđường lactose Cấu trỳc của operon được trỡnh bày ở hỡnh 2.8 gồm promoter (promoter

là một vị trớ mà men RNA polymerase bọc lấy để tiến hành phiờn mó), operator và cỏc

gen cấu trúc Z, Y và A Còn promoter cña gen điều hòa sù biÓu hiÖn cña Lac operonth× cã thÓ n»m ë mét vị trÝ kh¸c không cố định trong genome cña vi khuẩn (h×nh 2.8)

- Cơ chế điều hòa đầu tiên là dựa vào sự tương tác giữa protein điều hòa với một trình

tự DNA ở đầu 5’ không mã hóa của các gen cấu trúc gọi là operator

Hình 2 8 Cấu trúc và mô hình điều hoà operon biểu hiện của gen a) thành phần của Operongồm từ 1 đến nhiều gen cấu trúc thí dụ có 3 gen cÊu tróc: SG1, SG2 và SG3, operator (O),promoter (P), gen điều hoà và promoter của nó PO là nơi enzyme RNA polymerase phải bọclấy mới phiên mã các gen cấu trúc được Còn vị trí operator là nơi bäc cña protein ức chế b)

Cơ chế điều hoà lac operon, khi có mặt của chất cảm ứng (lactose) trong môi trường (®iÒu hßa

©m tÝnh)

Hình 2.8c Mô hình điều hoà operon theo cơ chế tác động của chất đồng ức chế (®iÒu

hßa d¬ng tÝnh) Cơ chế điều hoà khi có mặt cña chất đồng ức chế (tryptophan) trong

môi trường (trp operon) thì protein ức chế kết hợp với chất đồng ức chế nên có khả

năng bọc được operator (O) lµm quá trình phiên mã dừng, c¸c enzyme không tạo ra

Hỡnh 3.8 Hai hướng phản ứng xẩy ra quan trọng đối với lactose khi cú tham gia xỳctỏc bởi enzyme β-galactosidase 1) chuyển đường lactose thành chất cảm ứngallolactose 2) cắt đường lactose tạo ra 2 đường đơn là glucose và galactose

- Protein điều hũa gọi là nhõn tố kỡm hóm (repressor) Bỡnh thường tế bào vi khuẩnluôn sản sinh ra protein này một cỏch đều đặn nhng với một lượng nhỏ Protein điềuhũa được tạo ra từ gen điều hũa, gen này cú thể nằm ở bất kỳ vị trớ nào trong genomecủa vi khuẩn

- Lac promoter chứa 2 vị trí bọc đặc thù: vị trớ đầu cho phộp RNA polymerase bọcvào, còn vị trớ kia tiếp sau cho phộp phức hợp (CAP-cAMP), l phà ph ức hc hợp giữa proteinhoạt tớnh dị húa (CAP, catabolite activator protein) và một phân tử hiệu ứng nhỏ(cyclic AMP, adenosine 3’,5’-phosphate có nguồn gốc từ ATP nhờ enzymeadenylcyclase), bọc vào CAP chỉ bọc đợc vào promoter khi có mặt của cAMP, nồng

độ của cAMP phụ thuộc vào sự có mặt hay không của đờng glucose, đờng glucose tăngthì cAMP giảm và ngợc lại

- Phức hợp CAP-cAMP bọc vào promoter sẽ làm tăng hiệu quả bọc của RNApolymerase vào promoter

- Khi protein điều hũa bọc lấy operator sẽ chiếm lấy khoảng khụng gian khụng chophép RNA polymerase bọc lấy promoter và kết quả là quỏ trỡnh phiờn mó khụng thựchiện được

- Việc protein điều hũa cú bọc được hay khụng vào operator còn phụ thuộc vào sự cúmặt hay khụng có mặt của một phõn tử hiệu ứng (effector molecule) hay cũn gọi làchất cảm ứng (inducer) Trong trường hợp lac operon, chất cảm ứng là đường lactose.Khi cú mặt của đường lactose, chất này kết hợp với protein điều hũa gây biến hỡnhprotein điều hũa, làm cho nú khụng cú khả năng bọc vào operator buộc nó phải rời ra,

nhờ đó mà RNA polymerase có thể bọc được vào promoter và quá trình phiên mã 3gen cấu trúc bắt đầu Enzyme -galactosidase được sinh ra, đây được gọi là cơ chếđiều hòa âm tính.

- Hình 2.8c trình bầy mô hình điều hoà operon cảm ứng ức chế (repressible operon)

Cơ chế điều hoà kiểu này như sau: protein điều hoà có thể bọc được operator chỉ trongtrường hợp khi có mặt và kết hợp được với phân tử hiÖu ứng, chất này gọi là chất đồng

ức chế (co-repressor) Khi không có mặt của phân tử hiÖu ứng kết hợp thì protein điềuhoà không thể bọc được vào operator và làm cho operator được tự do, đã cho phépRNA polymerase bọc lấy được promoter, kết quả làm quá trình phiên mã được tiếnhành, và tạo ra được c¸c enzyme Khi có mặt của phân tử hiÖu ứng thêm vào, phân tửphản ứng kết hợp với protein điều hoà, tạo thành phức hợp protein điều hoà-chất đồng

ức chế (repressor-co-repressor) Phức hợp này có khả năng bọc lấy operator, làmenzyme RNA polymerase không thể bọc được promoter, kết quả quá trình phiên mãkhông xẩy ra, không sinh ra c¸c enzyme Quá trình điều hoà như thế gọi là cơ chế điềuhoà dương tính

3 Operon kìm hãm trp (Repressible operon)

- Hệ thống điều hoà này thường liên quan đến quá trình đồng hoá tổng hợp mét chấth÷u c¬ Thí dụ như quá trình sinh tổng hợp tryptophan phức tạp từ các thành phần đơngiản Tryptophan operon có cấu tạo gồm 5 gen cấu trúc (tính từ đầu 5’ thứ tự là trp E,

D, C, B và A) kèm theo những trình tự điều hoà phụ cận (h×nh 4.8)

Hình 4.8 Cấu tạo các gen trp operon của E.coli Operon trp dài ước khoảng 7000 bp, chứa 5gen cấu trúc, cùng phiên mã tạo ra một mRNA, tổng hợp nên các enzyme xúc tác cho quá

trỡnh tổng hợp tryptophan từ chất đầu tiên là acid chorismicđ anthranitic acid đ PRA đCDRP đ InGP đ Tryptophan Gen trpR mó hoỏ tạo protein ức chế quỏ trỡnh tổng hợp, khụngliờn kết (nằm gần) với operon trp Vựng operator (O) nằm gọn trong vựng promoter (P1).Ngoài ra cũn cú thờm một promoter yếu khỏc (p2) nữa nằm khỏ xa operator gần đầu cuối củagen trpD Promoter phụ này cũng cú tỏc dụng làm tăng lờn mức độ tiếp tục phiờn mó của cỏcgen trpC, B và A Cú 2 trỡnh tự kết thỳc phiờn mó (t và t’) nằm ở phần cuối gen trpA Vựnggen trpL phiờn mó đặc thự tạo ra một trỡnh tự mRNA dài 162 nu, bờn trong chứa vựng suygiảm (a), tạo ra mức độ thứ cấp, trong việc điều khiển trp operon Promoter P1 kộo dàikhoảng 18 cặp nu nằm ngay trước gen trpL Ký hiệu PRA: phosphoribosyl anthranilate,CDRP: carboxyphenylamino-deoxyribulose phosphate, InGP: indole glycerol phosphate

- Vựng Operator và promoter nằm ở đầu trờn của gen trp E, giữa promoter và operatortồn tại một vựng nhỏ gọi là vựng leader (trp L, leader region) Trong vựng trpL cúchứa vị trớ att (attenuation) Quỏ trỡnh điều hoà trp operon cũng tương tự như đó đượctrỡnh bầy ở hỡnh 2.8c Protein điều hoà của operon trp là sản phẩm của gen trp R, gennày khụng liờn kết gần với trp operon và một mỡnh nú khụng thể gắn được vàopromoter Protein điều hòa trp operon đứng một mỡnh nú là một chất ức chế khụnghoạt động (aporepressor)

- Khi khụng cú mặt tryptophan (chất này đúng vai trũ là chất đồng ức chế) thỡ enzymeRNA polymerase sẽ bọc lấy vựng promoter và quỏ trỡnh phiờn mó 5 gen cấu trỳc đượcxẩy ra Tốc độ phiờn mó của trp operon khi khụng cú mặt tryptophan sẽ tăng lờn 70 lầncao hơn so với khi cú mặt tryptophan(trạng thỏi ức chế)

- Ở thể đột biến trpR mất khả năng tạo ra protein ức chế, nếu thờm tryptophan vào

mụi trường nuụi cấy sẽ làm tốc độ tổng hợp những enzyme tổng hợp tryptophan giảm

đi từ 8 đến 10 lần

4 Điều khiển trp operon bằng cơ chế suy giảm

- Ngời ta phát hiện thấy ở thể đột biến mất một phần ở vựng leader (trp L) thỡ lại làmtăng tốc độ biểu hiện của trp operon, ở cả khi có mặt tryptophan và không cótryptophan

- Điều khiển hiện tợng này có liên quan đến một trình tự nằm ở vùng nội tại trpL, gọi

là trình tự suy giảm (att, attenuator) hình 5.8 Sự suy giảm xảy ra bằng cỏch điều khiểnlàm kết thỳc phiờn mó tại vị trớ gần với đoạn cuối của trỡnh tự mRNA leader Quỏ trỡnhdừng sớm phiờn mó này chỉ xảy ra khi cú mặt của tRNATryp, kết quả thu được một sợimRNA cú trỡnh tự đoạn leader dài 140 nu

- Vựng suy giảm cú trỡnh tự cặp bazơ cần phải tương tự với vựng mang dấu hiệu kếtthỳc phiờn mó Vựng kết thỳc phiờn mó này được phỏt hiện nằm ở đầu tận cựng củahầu hết cỏc operon vi khuẩn (hình 6.8) Dấu hiệu kết thỳc này chứa một đoạn đọc xuụi

ngược giống nhau, giàu GC tiếp sau là cặp bazơ AT Khi phiờn mó dấu hiệu kết thỳcnày sẽ thu được một sợi RNA mới cú khả năng hỡnh thành nờn cấu trỳc hairpin và sauhairpin là trỡnh tự một số U (hỡnh 6.8a).

Hỡnh 5.8 Trỡnh bầy cấu tạo trỡnh tự cỏc nu mRNA đoạn leader của trp operon gồm: Codonkhởi đầu dịch mó (AUG) và trỡnh tự peptide leader (cú 14 a.amin) trong chứa 2 codon của 2a.amin Trp, codon kết thỳc peptide leader UGA, trỡnh tự attenuation chứa 2 trỡnh tự đoạn cặpđụi đối xứng (dyad symmetry), codon khởi đầu dịch mó tạo trp nằm trong gen trp E

- Khi RNA thụng tin mới được tổng hợp hỡnh thành nờn cấu trỳc hairpin, cấu trỳc nàytác động làm thay đổi hỡnh thự của RNA polymerase đang kết hợp phiên mã, dẫn đếnlàm kết thỳc phiờn mó ngay sau vựng DNA-RNA base pair (A : U)n cú liờn kết hydroyếu

* Vậy quỏ trỡnh này được điều khiển như thế nào khi cú hoặc vắng mặt tryptophan.

- Đầu tiờn chỳng ta nhớ lại ở sinh vật tiền nhõn quỏ trỡnh phiờn mó và dịch mó xảy rađồng thời, do vậy, những sự kiện xảy ra trong dịch mó cũng cú thể ảnh hưởng đến quỏtrỡnh phiờn mó

- Thứ hai là trỡnh tự leader dài 162 nucleotide nằm trong phân tử mRNA của trpoperon (hỡnh 6.8) cú 2 trỡnh tự nu cú thể ghộp cặp bổ sung để hỡnh thành nờn cấu trỳchairpin, khi không có mặt và có mặt tryptophan

- Vựng thứ nhất (hình 6.8b), khi không có mặt tryptophan, ribosome sẽ dịch mã dọctheo phân tử mRNA tạo nên peptide leader, peptide này làm ribosome dừng lại tại mộthoặc cả 2 codon trp, hairpin không kết thúc phiên mã hình thành từ nu 74 - 85 và từ nu

108 - 119, quá trình phiên mã tiếp tục kéo dài

Hỡnh 6.8 Sơ đồ điều khiển trp operon theo cơ chế suy giảm (a) : Cấu trúc trình tự kết thúc t; (b) : Hình thành hairpin không kết thúc phiên mã khi không có tryptophan; (c) : Hình thành hairpin kết thúc phiên mã tại trình tự

suy giảm khi có mặt tryptophan

- Vùng thứ 2 (hình 6.8c), khi có mặt tryptophan, ribosome dịch mã đi vợt qua codontrp đến tận codon dừng dịch mã UGA của peptide leader Trong quá trình đó nó phá

vỡ việc ghép cặp base giữa trình tự leader từ 74 – 85 với nu từ 108 – 119, thay vào

đó hairpin dừng phiên mã đợc hình thành do ghộp cặp bazơ giữa trỡnh tự đoạn leader từ

nu 114 – 121 và từ nu 126-134 Vì thế, khi có mặt tryptophan sự phiên mã thỉnhthoảng bị dừng tại vùng suy giảm, làm giảm lợng mRNA của các gen cấu trúc tạo trp

- Điều hũa phiờn mó bằng cơ chế suy giảm khụng chỉ xảy ra đối với trp operon màhiện nay người ta còn xỏc định được cú tất cả 6 operon thực hiện theo cơ chế điều hũasuy giảm đú là: trp, thr, ile, leu, phe và his Trong đú trp và cú thể là phe cũng điềuhũa theo cơ chế ức chế Đối với his operon, trước kia người ta coi là nú thuộc vào cơchế điều hũa kỡm hóm thì hiện nay nú lại được coi là theo cơ chế điều hũa hoàn toànsuy giảm Mặc dầu cú rất ớt chi tiết khỏc nhau giữa cỏc operon được khỏm phỏ nhưngđặc điểm chớnh của cơ chế suy giảm cỏc operon là giống nhau ở tất cả 6 operon.

III mô hình điều hòa gen ở Eukaryote

1 Phõn húa tế bào ở sinh vật nhõn thật

- Trong quỏ trỡnh phỏt triển của sinh vật bậc cao, từ một tế bào hợp tử ban đầu trải quaquỏ trỡnh phõn bào nguyờn nhiễm sẽ tạo ra rất nhiều kiểu nhúm tế bào khỏc nhau Thớ

dụ ở động vật đú là tế bào da, thần kinh, tủy sống và mỏu Cỏc nhúm tế bào này rấtkhỏc nhau về hỡnh thỏi, cấu trỳc, chức năng và chỳng thường cú đặc tớnh chuyờn húa

và thờng chỉ tiến hành đợc một số chức năng trao đổi chất nhất định Thớ dụ tế bàohồng cầu chuyờn làm nhiệm vụ tổng hợp và dự trữ protein hemoglobin và trờn 90% sốphõn tử protein có trong tế bào hồng cầu đợc tổng hợp trong thời kỳ tế bào có hoạtđộng sinh tổng hợp cao nhất Tế bào thần kinh chỉ cú khả năng tổng hợp dõy thần kinh(neurotransmitter) Vậy cơ chế nào đó biến cỏc tế bào phõn húa thành cỏc mụ và cơquan chuyờn húa khỏc nhau Bằng cơ chế nào mà gen mã hóa tạo hemoglobin lại chỉbiểu hiện được trong tế bào hồng cầu nhưng khụng thể hoạt động đợc trong cỏc tế bàocủa cỏc mụ khỏc Điều này chỉ cú thể lớ giải là do cú sự biểu hiện của gen được kiểmtra ớt nhất một phần ở mức độ hoặc trong quỏ trỡnh phiờn mó mRNA của hemoglobinn

cú mặt trong tế bào hồng cầu nhưng khụng cú mặt trong tế bào khỏc khụng tổng hợphemoglobin

- Phõn húa xảy ra nhờ quỏ trỡnh điều hũa biểu hiện của gen chứ khụng phải là do thayđổi thành phần genome Thớ dụ đối với động vật lưỡng cư khi dựng nhõn của những tếbào đó được phõn húa cấy chuyển vào tế bào trứng (tế bào trứng đó mất nhõn) thỡ kếtquả đó điều khiển một cỏch trực tiếp sự phỏt triển của phụi hoàn toàn bỡnh thường.Điều đú chứng tỏ là khụng cú một thụng tin di truyền nào bị mất đi trong quỏ trỡnhphõn húa Hơn thế nữa khi phõn tớch sinh húa DNA từ nhõn của cỏc tế bào đó phõn húakhỏc nhau thỡ thấy trong hầu hết cỏc trường hợp genome của chỳng đều chứa một bộtrỡnh tự cỏc nu giống nhau chỉ phỏt hiện thấy cú một trường hợp ngoại lệ đú là ở tế bàohồng cầu của động vật cú vỳ là có sự khác nhau chút ít

2 Đặc điểm mụ hỡnh điều hũa ở sinh vật nhõn thật

- Khỏc so với prokaryote cả về tớn hiệu cũng như cơ chế điều hũa

- Tớn hiệu điều hoà ở cơ thể đa bào là những phõn tử do những tế bào chuyờn biệt sảnsinh ra theo thể dịch rồi lưu chuyển đi khắp cơ thể

- Cỏc phõn tử tỏc động lờn nhúm tế bào đớch, điều khiển sự biểu hiện của cỏc gentrong tế bào đớch theo đỳng chương trỡnh định sẵn phự hợp với sự phỏt triển của toàn

cơ thể

- Cú hai nhúm nhõn tố điều khiển là hocmon và nhõn tố tăng trưởng (Growth factors)

- Bộ gen của sinh vật nhõn thật với đặc điểm là kớch thước lớn và phõn tử DNA lạiđược nộn chặt ở nhiễm sắc thể trong nhõn, nên điều hòa còn có liên quan đến làm biến

đổi cấu trúc nhiễm sắc thể ở các vùng khác nhau

- Cỏc enhancer, silencer điều khiển mức độ biểu hiện của những gen kề cạnh

- Sự điều hũa biểu hiện của gen thể hiện ở mọi giai đoạn như giai đoạn phiờn mó, giaiđoạn tạo tiền mRNA, giai đoạn vận chuyển mRNA, giai đoạn tạo tớnh ổn định mRNA,giai đoạn dịch mó và quỏ trỡnh sau dịch mó, thậm chớ cả quỏ trỡnh tạo khả năng ổn định

và chức năng của enzyme Tuy nhiờn, cơ chế điều hoà có ảnh hưởng lớn nhất đến kiểuhỡnh là ở mức độ phiờn mó và tỏi tạo RNA Hình 7.8 trỡnh bày đường hướng điều hòaphức tạp từ gen đến quỏ trỡnh biểu hiện kiểu hỡnh của sinh vật bậc cao Hocmon làmnhiệm vụ kớch ngũi sự biểu hiện tiếp theo của bộ gen

Hỡnh 7.8 Đường hướng tương quan tỏc động lẫn nhau, để quá trình từ một gen cú thể biểu hiện được ra kiểu

mỗi mụ nhất định ở một thời điểm nhất định sẽ cú những gen nhất định hoạt độngtrong khi đú ở những nơi khỏc thỡ khụng hoạt động Cơ chế điều hoà hoạt động củagen cú liờn quan đến quỏ trỡnh phõn húa và phỏt triển của mụ và cơ quan.

3 Hầu hết cỏc đơn vị phiờn mó của sinh vật nhõn thật là từ một gen

- Mỗi tế bào ở mỗi giai đoạn sinh trưởng phỏt triển cú một bộ gen hoạt động và ở trạngthỏi biểu hiện hoạt động khỏc nhau Mỗi mụ khỏc nhau cỏc gen được kiểm tra bởinhững protein cú hoạt tớnh điều khiển khỏc nhau (trans-acting protein)

- Những protein này được dịch mó từ những gen điều khiển hoạt động, chỳng đượctrỡnh tự hoỏ trong quỏ trỡnh phõn hoỏ, như vậy quỏ trỡnh điều hoà ở giai đoạn phiờn móđúng vai trũ rất quan trọng Tuy nhiờn chi tiết về cơ chế phõn tử của quỏ trỡnh điờukhiển này vẫn cũn đang cần phải được làm sỏng tỏ

- Ở sinh vật nhõn chuẩn, hỡnh như điều hoà theo kiểu operon khụng quan trọng, núkhụng tồn tại hoặc hiếm khi tồn tại ở sinh vật nhõn chuẩn Hầu hết cỏc mRNA của sinhvật nhõn chuẩn chứa cỏc trỡnh tự cần thiết mó hoỏ cho một gen cấu trỳc Một số ớttrường hợp cú quỏ trỡnh phiờn mó tạo ra tiền mRNA gồm nhiều gen, nhưng sau đú bịcắt rời để tạo ra từng mRNA của từng đơn gen

4 Enhancer và silencer điều khiển quỏ trỡnh phiờn mó ở sinh vật nhõn thật

- Gen của sinh vật nhõn thật được điều hoà bởi nhõn tố promoter nằm ở ngay đầu 5’của vị trớ bắt đầu phiờn mó, chức năng của promoter tương tự như của sinh vật tiềnnhõn Tuy nhiờn, promoter của sinh vật nhõn thật cú thể cú cấu trỳc phức tạp hơn, baogồm nhiều vị trớ bao bọc giành cho nhiều protein điều hoà hoạt động khỏc nhau

- Hơn nữa bờn cạnh promoter, rất nhiều gen cũn chịu sự điều hoà bởi những nhõn tốhoạt động nằm khỏ xa, đú là cỏc enhancer và silencer, cỏc nhõn tố này làm tăng haygiảm tốc độ phiờn mó Trong đú hoạt động của enhancer được nghiờn cứu nhiều nhất,

+ Enhancer là những nhân tố khá lớn, dài đến vài trăm cặp nu, thỉnh thoảng chứanhững đoạn lặp lại, có hoạt tính tăng cường một phần.

+ Hầu hết các enhancer đều có khả năng hoạt động hoàn toàn hoặc một phần đặc thùtheo mô, thỉnh thoảng chúng chỉ hoạt động giúp tăng cường quá trình phiên mã nhữnggen ở những mô nhất định, mà mô này rất cần sản phẩm của gen đó

5 Điều hòa mức phiên mã bằng methyl hóa DNA

- ở hầu hết thực, động vật bậc cao, DNA thường bị biến đổi sau tái bản do enzyme làmbiến đồi nhiều bazơ cytosine thành 5’methylcytosine (h×nh 8.8) phạm vi bị methyl hóathường biến động theo loài, ở động vật có vú biến thiên từ 2 - 7% bazơ cytosine bịmethyl hóa do enzyme DNA methylase

Hình 8.8 Cấu trúc bazơ cytosine và 5-methylcytosine do men DNA methylase xúc tác sau khi

DNA tái bản tạo thành

- Nhóm methyl ở cacbon số 5 của pyrimidine chiếm những vị trí lộ ra ngoài trongnhững rãnh chính của phân tử DNA, bởi vậy nó có thể đóng vai trò ảnh hưỏng đếntương tác giữa phân tử DNA với những phân tử protein đặc thù Khi nghiên cứu Lac

operon của E coli thấy: việc bọc của protein ức chế vào DNA lac operator nếu tại đây

có một gốc methyl đính vào hoặc bỏ gốc methyl đi, có thể sẽ làm thay đổi rõ rệt ái lựcbäc của protein ức chế đối với DNA

- ở sinh vật nhân thật, vai trò của methyl hóa đến quá trình điểu khiển hoạt hoá gentheo 3 kiểu sau đây:

+ Có mối tương quan giữa mức độ biểu hiện của gen với mức độ methyl hóa Methylhóa càng ít thì mức độ biểu hiện của gen càng mạnh và ngược lại

+ Hiện tượng methyl hóa phụ thuộc vào tính đặc thù của mô

Hình 9.8 Mô hình điều hoà biểu hiện gen bằng methyl hoá DNA ở các loại tế bào khác nhau.Mũi tên tam giác chỉ các bazơ bị methyl hoá a) Methyl hoá ở tế bào phôi chưa phân hoá b)Kiểu tế bào đã phân hóa thì methyl hoá xẩy ra đặc thù theo mô.

+ Các hợp chất (bazơ tương đồng) như 5-azacytidine, chất này không bị methyl hóasau khi nhập vào phân tử DNA, tỏ ra có tác động lên sự biểu hiện của gen trong mô,đặc tính này không có ở cytosine bình thường

- Điều quan trọng của methyl húa là cú khả năng di truyền qua nhõn dũng, trờn 90%quỏ trỡnh methyl húa xảy ra trong phõn tử DNA của sinh vật nhõn thật là ở trỡnh tự 2

nu CG, trong đó C thờng bị methyl hoỏ nhiều hơn G (hình 9.8)

- Khi tỏi bản theo nguyờn tắc bỏn bảo thủ, sẽ thu được một nửa số phõn tử cú trỡnh tự

bị methyl húa

- Kiểu điều khiển biểu hiện và phõn húa thụng qua methyl húa DNA liờn quan đếnviệc hỡnh thành kiểu methyl húa đặc thự theo mụ tế bào Giả thuyết phổ biến nhất chorằng: nếu cắt bỏ gốc methyl, gốc này được hỡnh thành trong quỏ trỡnh phỏt triển, nhờenzyme demethylase đặc thự theo mụ, như vậy sẽ loại bỏ được gốc methyl ra khỏivựng khủng hoảng của gen

6 Dạng Z-DNA đúng vai trũ điều khiển hoạt húa gen

- Một trong những phỏt hiện thỳ vị của thế kỷ qua là việc phỏt hiện ra cấu trúc phân tửDNA, cú trỡnh tự các bazơ purine và pyrimidine luõn phiờn nhau dọc theo mỗi mạch

đơn, do vậy cú thể hỡnh thành nờn sợi kộp helix quay trỏi Mụ hỡnh Watson – Crick môtả dạng -form của DNA là sợi kộp helix, quay phải (hình 10.8) Dạng DNA kộp helixquay trỏi khỏc lạ này được gọi là dạng Z (Z-DNA), cú nghĩa là trong cấu trỳc này trụcphosphate với đường tạo thành đường ziczac (hỡnh 10.8)

- Bỡnh thường dạng Z luõn phiờn purine và pyrimidine xảy ra chỉ trong điều kiện cónồng độ muối cao Khi một số bazơ trong trỡnh tự DNA ở thể Z form bị methyl húa,thì có thể bền vững trong vivo Hơn thế nữa khả năng bền vững được tăng cường bởicỏc cation bao gồm cỏc polyamine như spermin

- Nhiều bằng chứng cho thấy dạng Z-DNA tồn tại ở giữa cỏc giải băng của nhiễm sắcthể khổng lồ tuyến nước bọt ruồi dấm, có tác dụng làm tăng sự biểu hiện của nhữnggen lõn cận

- Một điều nữa cú thể liờn quan đến Z-DNA trong việc điều hũa hoạt động của gen cóliên quan đến một số protein điều hũa Nhiều protein điều hòa cú thể bọc lấy rónhchớnh của chuỗi DNA kộp xoắn trỏi, chứ khụng thể bọc được đối với chuỗi xoắn phải.D.B McKay và T.A Steitz đó cho rằng có một số protein cú hoạt tớnh dị hoỏ khi bọclấy DNA ở dạng xoắn trỏi sẽ cú tỏc dụng giữ đợc tớnh ổn định và làm tăng hoạt hóa cácgen lân cận hơn là bám vào dạng xoắn phải