Tiểu luận môn Sinh Học Phân Tử ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

Nhiệm vụ nghiên cứu -Thu thập các tài liệu giáo trình, sách chuyên khảo, sách tham khảo và các công cụ internet để tổng hợp những vấn đề nghiên cứu liên quan đến sự điều hòa hoạt động ge

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN: “ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN”

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục đích nghiên cứu

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

NỘI DUNG

I Khái quát về sự điều hòa biểu hiện của gen

I.1 Khái niệm

I.2 Ý nghĩa

I.3 Nguyên lý cơ bản của phiên mã và dịch mã

I.4 Các yếu tố điều hòa biểu hiện gen

II Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

II.1 Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ

II.1.1 Cấu trúc operon

II.1.2 Hai loại điều hòa biểu hiện âm tính: Operon cảm ứng và ức chế

II.1.2.1 Điều hòa ức chế

II.1.2.2 Điều hòa cảm ứng

II.1.3 Điều hòa biểu hiện dương tính

II.2 Điều hòa hoạt tính gen ở sinh vật nhân chuẩn

II.2.1 Điều hoà cấu trúc chất nhiễm sắc

II.2.2 Điều hoà giai đoạn phiên mã

II.2.3 Điều hoà sau phiên mã

II.2.4 Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn dịch mã và sau dịch mã

II.2 Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực

III Sự biệt hóa tế bào

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Di truyền học là lĩnh vực nghiên cứu ngày càng được phát triển mạnh mẽ,

mở ra nhiều triển vọng mới cho con người trong việc chữa bệnh và sản xuất vật nuôi cây trồng đáp ứng nhu cầu của con người Trong đó lĩnh vực sinh học phân

tử là cơ sở của mọi vấn đề liên quan đến di truyền Lĩnh vực này không chỉ giúp cho loài người hiểu được một cách rõ ràng cơ chế truyền đạt các tính trạng, biểu hiện các tính trạng v.v…mà sinh học phân tử chính là chìa khóa mở ra mọi vấn

đề di truyền, giải đáp mọi thắc mắc trong giới khoa học về các bệnh tật di truyền

và các mối quan hệ liên qua đến gen Chính vì vậy mà sinh học phân tử cũng nhưcông nghệ sinh học là các lĩnh vực mũi nhọn trong nghiên cứu khoa học ngày nay

Vào năm 2006, hình ảnh của một con hươu con bị bạch tạng đang nô đùa giữa đàn hươu nâu ở vùng núi cao miền đông nước Đức đã gây nên một làn sóngphản ứng khác nhau trong cộng đồng Một tổ chức săn bắt ở địa phương cho rằng: con hươu bạch tạng mắc bệnh “di truyền” và cần giết bỏ Một số người khác thì lại cho rằng con hươu đó cần được bảo vệ bằng cách cho lai với những con hươu khác để bảo vệ vốn gen của quần thể Trong khi, những người khác thì ủng hộ quan điểm cần chuyển con hươu đó vào vườn quốc gia để bảo vệ, vì trong môi trường sống hoang dại con hươu này dễ bị các loài động vật ăn thịt phát hiện… Ví dụ về bạch tạng trên chính là hình ảnh minh họa về mối quan hệ trong dòng thông tin di truyền Nói cách khác protein là cầu nối giữa kiểu gen vàkiểu hình Quá trình truyền thông tin di truyền từ gen đến protein như thế nào và tại sao các đột biến di truyền có thể ảnh hưởng đến cơ thể sinh vật thông qua các

protein của chúng Điều này phụ thuộc vào cơ chế điều hòa biểu hiện của gen

Đó chính là lí do tôi chọn đề tài tiểu luận: “điều hòa sự biểu hiện của gen”

2 Mục đích nghiên cứu

Phân tích cơ chế quá trình điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

-Thu thập các tài liệu giáo trình, sách chuyên khảo, sách tham khảo và các công cụ internet để tổng hợp những vấn đề nghiên cứu liên quan đến sự điều hòa hoạt động gen

-Thu thập các ứng dụng về sự điều hòa biểu hiện gen trong lĩnh vực y học

và khoa học công nghệ

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng hợp tài liệu

PHẦN: NỘI DUNG

I Khái niệm về sự điều hòa biểu hiện của gen

I.1 Khái niệm sự điều hòa biểu hiện của gen

Sự biểu hiện của gen là quá trình ở đó AND điều khiển sự tổng hợp

protein (hoặc ARN) Sự biểu hiện của một gen mã hóa protein luôn tồn tại hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã Sự biểu hiện của gen khác nhau ở sinh vật nhân

sơ (prokaryotae) và sinh vật nhân chuẩn (Eukaryotae) Vệc điều hòa được thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau và liên quan đến từng giai đoạn phát triển Theo quan niệm operon, các gen điều hòa giữ vài trò quan trọng trong việc đóng và

mở các gen cấu trúc để có biểu hiện tổng hợp protein đúng lúc, đúng nơi và theo nhu cầu của tế bào và cơ thể

Như vậy quá trình điều chỉnh sự biểu hiện của gen thông qua quá trình điều khiển sự phiên mã và dịch mã cho phù hợp với nhu cầu là quá trình điều hòa hoạt động của gen

I.2 Ý nghĩa về sự điều hòa biểu hiện của gen

Trong tế bào, một số gen hoạt động thường xuyên cung cấp sản phẩm liên tục, một số khác có biểu hiện ở những giai đoạn nhất định trong chu trình sống

và có thể chỉ hoạt động trong điều kiện môi trường không bình thường Một số protein cần được tổng hợp với số lượng lớn, một số khác lại chỉ cần một ít phân

tử Do vậy hoạt tính của mỗi gen điều hòa bởi nhiều cơ chế khác nhau để có hiệuquả tốt nhất trong tế bào Nhờ cơ chế điều hòa, cơ thể thực hiện đều đặn và hợp

lí chương trình phát triển cá thể và thích nghi với điều kiện ngoại cảnh

I.3 Nguyên lý cơ bản của phiên mã và dịch mã

Dòng thông tin từ gen đến protein được mô tả như sự truyền tải của các dạng “ngôn ngữ” Bởi vì các Acid nuceic cũng như protein đều là các đa phân, truyền tải thông tin dựa trên cơ sở tính đặc thù của đơn phân Trong AND và ARN, các đơn phân là 4 loại nucleotid khác nhau về thành phần base Các gen điển hình có chiều dài hàng trăm đến hàng nghìn nucleotid, mỗi gen có một trình

tự base đặc thù Mỗi chuỗi protein cũng có các đơn phân xếp thành một chuỗi thẳng hàng có trình tự nhất định, nhưng các đơn phân của nó là acid amin Như vậy acid nucleic và protein mang thông tin được viết bằng hai thứ ngôn ngữ hóa học khác nhau Sự truyền tải thông tin từ AND đến protein trải qua 2 giai đoạn: phiên mã và dịch mã

Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN dưới sự chỉ dẫn của AND Đốivới gen mã hóa protein các ARN thu được là bản phiên mã “trung thực” từ gen, loại ARN đó goi là mARN (ARN thông tin) bởi vì nó mang thông điệp di truyền thông tin di truyền từ AND đến bộ máy tổng hợp protein trong tế bào

Dịch mã là quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide diễn ra dưới sự chỉdẫn của mARN Quá trình dịch mã diễn ra ở ribosome, phức hệ dạng hạt tạo điềukiện thuận lợi cho sự kết nối các acid amin theo trật tự nhất định để hình thành nên chuỗi polypeptide

Có thể thấy rằng dòng thông tin di truyền được thể hiện AND  mARN  protein Lần đầu tiên Francis Crick đưa ra nguyên lý này vào 1956 và được gọi là “nguyên lý trung tâm”

I.4 Các yếu tố điều hòa biểu hiện gen

Để thực hiện điều hoà biểu hiện gen, đầu tiên, phải có tín hiệu gây điều hoà, sau đó, thực hiện quá trình điều hoà

Ở tế bào procaryote, tín hiệu gây điều hoà thường là những yếu tố dinh dưỡng hay những yếu tố vật lý của môi trường Sự thay đổi các yếu tố dinh dưỡng hay yếu tố vật lý của môi trường có tác động làm thay đổi hoạt động của

cơ thể sống, nhằm thích nghi với điều kiện mới để phát triển

Ở tế bào eucaryote, tín hiệu điều hoà là những phần tử do tế bào chuyên biệt phát sinh Ví dụ như các hormone được tổng hợp ở các bộ phận chuyên biệt như tuyến yên, tuyến giáp, đi vào trong máu, đem tín hiệu đến các mô thực hiện điều hoà biểu hiện gen

Điều hoà biểu hiện gen có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau như thay đổi cấu trúc của DNA, tác động trực tiếp đến các giai đoạn tổng hợp proteinnhư phiên mã, dịch mã, , quá trình xảy ra rất phức tạp

Phần lớn sinh vật procaryote đều ở dạng đơn bào, tế bào chưa có màng nhân, quá trình phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời trong tế bào chất, nên sự điều hoà biểu hiện gen được tiến hành chủ yếu ở giai đoạn phiên mã Đối với cácsinh vật đơn bào, sự điều hoà là nhanh và nhạy, vì các tín hiệu điều hoà tác động trực tiếp ngay tế bào Ngược lại, sinh vật eucaryote là những cơ thể đa bào: Mỗi

tế bào là một thành phần của cơ thể sống, nên phải tuân thủ nghiêm ngặt theo một chương trình phát triển chung của cơ thể, mỗi bộ phận có một chức năng riêng biệt, sự điều hoà ở đây mang tính thống nhất cho toàn bộ cơ thể Thêm vào

đó, tế bào eucaryote có cấu tạo hoàn chỉnh, sự phiên mã xảy ra trong nhân tế bào, còn sự dịch mã thực hiện ở ngoài tế bào chất, do vậy, sự điều hoà biểu hiện gen phức tạp hơn nhiều và được tiến hành ở nhiều giai đoạn

II Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực II.1 Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ

Bộ máy di truyền ở sinh vật nhân sơ là một AND vòng tròn chứa một số

lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bàochất Mặt khác do chu kì tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào Do đó hoạt động của các gen được điều hòa bởi nhu cầu của tế bào khi cần thiết Tác động của các nhân tố môi trường làm những gan tương ứng được mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu quả ngược làm dừng lại

II.1.1 Cấu trúc operon

Bộ gen của vi khuẩn được tổ chức theo operon Một operon có một vùng điều khiển và vùng mã hóa Vùng điều khiển bao gồm gen điều hoà, promoter vàđiểm điều hành (operator) Vùng mã hóa bao gồm một số gen cấu trúc nằm kề nhau, mỗi gen cấu trúc mã hóa cho một polypeptide Các protein được mã hóa trong một operon thường có quan hệ mật thiết với nhau trong một quá trình chuyển hóa sinh hóa nào đó trong tế bào

Một operon có ít nhất một promoter, tuy nhiên, operon có thể có nhiều hơn một promoter và ái lực của các promoter này đối với RNA-polymerase là khác nhau Operator là trình tự DNA, nơi mà protein ức chế (repressor protein) gắn vào

Khái niệm về operon được F Jacob và các cộng sự của ông nêu ra năm

1961 khi nghiên cứu sự kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose ở E Coli Với

sự khám phá ra cơ chế điều hoà biểu hiện gen, ông đã nhận được giải thưởng Nobel 1965

II.1.2 Hai loại điều hòa biểu hiện âm tính: Operon cảm ứng và ức chế

II.1.2.1 Điều hòa ức chế

Hình ảnh minh họa trên mô tả operon try ở E.coli- Điều hòa tổng hợp các enzym ức chế Sự phiên mã thường diễn ra một cách mặc định

Operon tryptophan cũng có cấu trúc bao gồm gen điều hoà (R), promoter (P), operator (O) và 5 gen cấu trúc Mỗi gen cấu trúc mã hóa cho một enzyme, xúc tác phản ứng tổng hợp tryptophan Trong tế bào, tryptophan được tổng hợp bằng một chuỗi 5 phản ứng, mỗi phản ứng được xúc tác bằng một enzyme mã hóa trong operon Năm gen cấu trúc mã hóa cho 5 enzyme, lần lượt được ký hiệu

là trpE, trpD, trpC, trpB và trpA Gen trpE nằm ngay sau vùng điều hoà, được phiên mã đầu tiên

Ngược lại, khi môi trường dư thừa trytophan, hoạt động của operon

tryptophan bị ức chế do protein kìm hãm- là sản phẩm của gen điều hòa, kết hợp với chất đồng kìm hãm (corepressor, là các phân tử trytophan), thì sẽ có ái lực với operator nên dễ dàng gắn vào đó, làm operon đóng (trạng thái ức chế)

Ngược lại khi thiếu trytophan, Hoạt động của operon có thể mô tả như hình trên

Như vậy, khi lượng tryptophan được tế bào tổng hợp chính là nhân tố điềuchỉnh việc operon liên kết hay không liên kết với các chất ức chế

II.1.2.2 Điều hòa cảm ứng

Vi khuẩn E Coli có khả năng sử dụng đường lactose như nguồn cacbon chính để phát triển Lactose là một disacarit, nên khi có mặt lactose trong môi trường, vi khuẩn sản sinh ra enzyme β-galactosidase để thuỷ phân lactose, tạo thành các phân tử monosacarit là glucose và galactose thuận lợi cho quá trình chuyển hóa Ngoài β-galactosidase ra, tế bào vi khuẩn còn tổng hợp enzyme permease làm nhiệm vụ vận chuyển lactose qua màng tế bào Khi nghiên cứu sự kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose, F Jacob đã phát hiện cơ chế tổng hợpcác enzyme hấp thụ đường lactose Quá trình thí nghiệm có thể mô tả như sau

- Khi nuôi vi khuẩn E Coli trên môi trường không có lactose, thì ta thấy nồng độ enzyme β-galactosidase và permease do vi khuẩn sinh ra rất thấp: khi đưa đường lactose vào môi trường nuôi thì nồng độ hai enzyme này ở tế bào vi khuẩn tăng lên rất nhiều Nhưng nếu nuôi vi khuẩn trên môi trường có đường glucose và lactose đồng thời thì nồng độ hai enzyme nêu trên trong tế bào thấp hơn so với trường hợp chỉ có đường lactose Khi phân tích tổng nồng độ mRNA

có mặt trong tế bào trước và sau khi đưa lactose vào trong môi trường nuôi, thấy rằng: Khi không có mặt lactose trong môi trường thì không xuất hiện mRNA mã

hóa cho β-galactosidase và permease Khi bổ sung lactose vào môi trường nuôi thì trong tế bào xuất hiện mRNA mã hóa cho hai enzyme nêu trên Từ kết quả thínghiệm trên, cùng với những kết quả thu được về đột biến gen, F Jacob và J Monod đã đưa ra mô hình điều khiển operon lactose như hình bên dưới

Cấu trúc của operon lactose gồm: gen điều hoà (R), promoter (P), operator(O) và ba gen cấu trúc là lacZ mã hóa cho enzyme β-galactosidase, lacY mã hóa cho enzyme permease và lacA mã hóa cho enzyme ansacetylase

- Khi không có mặt lactose trong môi trường, gen điều hoà thường xuyên tổng hợp protein ức chế Protein ức chế có ái lực với điểm điều hành (operator) nên nó gắn vào điểm điều hành, ngăn cản không cho enzyme RNA- polymerase thực hiện phiên mã, mRNA không thể tổng hợp được, operon đóng

Khi có mặt lactose trong môi trường, nhờ enzyme permease có sẵn ở màng tế bào chuyển một lượng rất ít vào trong tế bào Khi đã vào trong tế bào, lactose chuyển thành allolactose (có chứa liên kết β-1,6) Allolactose là chất cảmứng, nó liên kết với protein kìm hãm Phức hợp này không có ái lực với operator,nên không gắn lên operator được, lúc này, operon mở RNA- polymerase thực hiện phiên mã các gen cấu trúc

Mô hình hoạt động của operon lactose như sau:

Phần lớn sự tổng hợp các enzyme hoạt động trong các quá trình phân giải

ở tế bào được sự kiểm soát theo cơ chế của operon cảm ứng

Nhìn chung, cách điều hoà biểu hiện gen ở sinh vật procaryote chủ yếu được thực hiện ở giai đoạn phiên mã.

II.1.3 Điều hòa biểu hiện dương tính

Cơ chế điều hòa dương tính được tìm thấy ở operon arabinose của E coli Arabinose là chất đường, cần ba enzyme (được mã hóa bởi các gen araB, araA

và araD) cho sự biến dưỡng Hai gen khác nằm xa operon góp phần đưa

arabinose vào tế bào Gen điều hòa araC nằm gần các gen B, A và D Sản phẩm của gen araC là protein kìm hãm của operon khi không có đường arabinose.

Tuy nhiên, khi có đường arabinose trong tế bào, nó gắn với repressor (protein araC) hình thành nên phức hợp activator (hoạt tố) tạo thuận tiện cho sự phiên mã của RNA polymerase

Trên thực tế, các nghiên cứu cho thấy cơ chế điều hòa này rất phức tạp Vídụ: cAMP và protein hoạt hóa thoái dưỡng (catabolite gene activator protein) còn được gọi là CRP (cyclic AMP receptor protein-protein thể nhận cAMP) đều tham gia vào sự điều hòa của hệ thống arabinose

Operon arabinose của E coli

Tế bào Escherichia coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3000 loại khác nhau, trung bình mổi loci có khoảng 3000 phân tử khác nhau Nhưng trên thực tế có lúc trong tế bào có loại phân tử protein đạt khoảng 500.000 còn các loại khác chỉ khoảng 10 phân tử Như vậy không phải loại protein nào cũng đượctổng hợp với số lượng bằng nhau, và tế bào phải có những cơ chế điều hoà để tổng hợp protein tiết kiệm và hợp lý nhất

Năm 1962, Monod, Tacob và Lwoff đã nêu ra quan niệm về operon để giải thích

sự điều hoà

Trong tế bào có những enzyme được tổng hợp đều đặn nên gọi là các enzyme cơ cấu (constitutif), các enzyme khác chỉ xuất hiện khi có mặt chất cần biến đổi nên gọi là enzyme cảm ứng (inducible) Tương ứng có 2 loại gen được phân biệt : gen cơ cấu và gen điều hoà (regulator) Các gen cơ cấu được phiên mã liên tục, các sản phẩm của chúng thường xuyên có mặt trong tế bào Các gen được điều hoà hoạt động tuỳ điều kiện cụ thể của môi trường

II.2 Điều hòa hoạt tính gen ở sinh vật nhân chuẩn

Cấu tạo tế bào eucaryote là hoàn chỉnh, có màng nhân ngăn cách nhân tế bào với tế bào chất Bộ máy di truyền tập trung chủ yếu trong nhân tế bào Quá trình phiên mã được thực hiện trong nhân, còn dịch mã xảy ra trong tế bào chất Hai quá trình này không xảy ra đồng thời như ở tế bào procaryote

Bộ gen của sinh vật eucaryote có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp, phần lớn các gen đều chứa các đoạn không mã hóa, xen kẽ với đoạn mã hóa Trong nhiều trường hợp, phần không mang mã lớn hơn phần mang mã Do đặc điểm cấu tạo như vậy nên việc điều hoà biểu hiện gen rất phức tạp Các gen điều hoà