Bài giảng lý thuyết sinh học phân tử Điều hòa gen

SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN CỦA GEN TS. Nguyễn Ngọc Lan MỤC TIÊU • Tóm lược được các phương thức điều hòa hoạt động gen ở tế bào nhân nguyên thủy. • Mô tả được cơ chế điều hòa của tế bào vi khuẩn để đáp ứng với các thay đổi trong môi trường sống. • Giải thích được cách thức tương tác giữa các protein và các trình tự ADN đặc biệt và các phân tử khác trong quá trình điều hòa hoạt động gen. • Bộ gen của con người chứa ~ 30.000 gen • Một số gen được biểu hiện ở tất cả các tế bào • Một số gen khác chỉ được biểu hiện – Ở một loài tế bào nào đó – Ở một thời điểm nào đó của quá trình sống – Dưới điều kiện đặc biệt của môi trường MỤC ĐÍCH Điều hòa trao đổi chất  Nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý hóa và môi trường, tạo số lượng và số loại cần thiết để đảm bảo nhu cầu của tế bào: phát triển và sinh sản. Cấu trúc tế bào nhân nguyên thủy và tế bào nhân thực Tế bào nhân nguyên thủy, nhân sơ (procaryote ) Tế bào nhân thực (eucaryote) ĐIỀU HÒA SINH TỔNG HỢP PROTEIN • Thời kỳ chuẩn bị sao chép bộ gen và phiên mã • Thời kỳ kết thúc – dịch mã HỌC THUYẾT TRUNG TÂM Chiều thông tin khi gen được biểu hiện QUÁ TRÌNH SAO CHÉP ADN 8 Proteins involved in E. coli replication Terms to be known Sự điều hòa biểu hiện gen ở tế bào nhân sơ • Phần lớn xảy ra ở giai đoạn phiên mã. • Cơ chế điều hòa chủ yếu được thực hiện thông qua các operon. Operon: đơn vị phiên mã. Mỗi operon gồm: Gen điều hòa Promoter Operator Gene A Gen B Gen C • Gen điều hòa: ksoát sự phiên mã của các gen khác • Promoter • Operator: trình tự DNA chuyên biệt để các protein điều hòa gắn vào dùng kiểm soát quá trình phiên mã của các gen (k/s sự gắn RNA vào promoter) • Gen cấu trúc: mã hóa protein có liên quan. Promoter • Là một trình tự đặc biệt của DNA được nhận biết bởi RNA polymerase. • Khi polymerase gắn vào  sự phiên mã xảy ra Nơi bắt đầu cho sự phiên mã • Chất cảm ứng  gen phiên mã • Chất ức chế  gen ngưng phiên mã • Các gen có thể cảm ứng: tham gia các phản ứng dị hóa. • Các gen có thể ức chế: tham gia các phản ứng đồng hóa. • Điều hòa dương tính (cảm ứng): sự hiện diện của chất cảm ứng kích thích sự biểu hiện của gen. • Điều hòa âm tính (ức chế): sự hiện diện của các hợp chất tổng hợp ức chế sự biểu hiện của gen. 4 tổ hợp tham gia kiểm soát sự phiên mã: • Kiểm soát cảm ứng âm • Kiểm soát ức chế âm • Kiểm soát cảm ứng dương • Kiểm soát ức chế dương KIỂM SOÁT CẢM ỨNG ÂM • Thực hiện bởi operon có thể cảm ứng • Hệ thống lactose của E.coli Biểu đồ sinh trưởng của vi khuẩn trong môi trường có glucose và lactose Sự hiện diện của đường Số lượng tế bào Sử dụng Glucose Thời gian Sử dụng Lactose Tại sao có một thời gian số lượng tế bào vi khuẩn không tăng? Sự hiện diện của đường Số lượng tế bào Enzymes đang được tạo thành để chuyển hóa lactose Thời gian LACTOSE hiện diện Lactose là một chất cảm ứng (một phức hợp kích thích sự tổng hợp protein) Enzymes được tạo Protein (enzymes) được tạo ra là protein cảm ứng Trong môi trường lactose cần có 3 enzyme: 1. -galactosidase permease Cần thiết cho sự vận chuyển lactose qua màng tế bào 2. -galactosidase - Phân giải lactose thành glucose + galactose - Biến đổi liên kết trong lactose  allolactose -galactosidase permease Màng plasma 3. -galactosidase transacetylase • Chuyển nhóm acetyl từ acetyl coenzyme A thành một -galactosides • Vai trò của -galactosidase transacetylase trong chuyển hóa lactose không được rõ. lac operon của E. coli Chuỗi điều hòa Promotor cho gen điều hòa Promoter cho cấu trúc gen Gen điều hòa (i) mã hóa cho protein kìm hãm Promoter (plac) –nơi gắn kết với RNA polymerase Gen cấu trúc Gen cấu trúc cho β-galactosidase Gen cấu trúc cho β-galactoside transacetylase Gen cấu trúc cho β-galactoside permease Operator (o) – nơi gắn kết chất ức chế Không có đường lactose RNA polymerase không thể gắn kết với promoter Chất kìm hãm Không phiên mã Trong môi trường có lactose -galactosidase permease Màng plasma Lactose hiện diện Chất cảm ứng (allolactose) Chất ức chế bị bất hoạt Chiều phiên mã binds to itspromotor promoter Gắn vào mRNA phiên mã Dịch mã Các enzym của con đường chuyển hóa lactose TÓM TẮT RNA polymerase không gắn kết, phiên mã không xảy ra Chất ức chế gắn vào operator Chất ức chế RNA polymerase được gắn kết Quá trình phiên mã LACTOSE không hiện diện Chất cảm ứng Chất cảm ứng gắn vào chất ức chế mRNA phiên mã LACTOSE hiện diện KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM • Ức chế âm quá trình tổng hợp enzyme • Ức chế bởi chính sản phẩm mà nó xúc tác • Tổng hợp acide amin tryptophan và histidin Operon Tryptophan • Operon có 5 gene cho việc tổng hợp tryptophan dưới sự kiểm soát của một promoter • Khi không có tryptophan operon trytophan hoạt động • Protein ức chế tryptophan hay chất ức chế gốc gắn vào operator chỉ khi có sự hiện diện của tryptophan. Tryptophan (chất đồng ức chế) gắn vào protein ức chế tryptophan:  Thay đổi cấu trúc và cho phép gắn vào operator  Quá trình phiên mã không xảy ra • Khi nồng độ tryptophan giảm xuống:  Tryptophan tách khỏi chất ức chế gốc  Chất ức chế gốc rời khỏi operator  ARN polymerase gắn kết  q/trình dịch mã và t/hợp tryptophan xảy ra. Sự điều hòa của operon tryptophan Chất ức chế bất hoạt Không có Gen mở Tryptophan được tổng hợp hiện diện Chất ức chế hoạt động không gắn kết Gen đóng Tryptophan không t/hợp Kiểm soát ức chế âm trong hệ tryptophan của E.coli Gen điều hòa Tryptophan Thừa Chất đồng ức chế Chất ức chế gốc Các chất chuyển hóa Repressor Các enzyme Các gen e5 g5 e4 g4 4 e1 1 e3 g1 g3 : chất đồng ức chế hiện diện Sự phiên mã bị ức chế Sự gắn kết của chất đồng ức chế làm thay đổi cấu trúc cho phép gắn kết vào operator (chất đồng ức chế) (ư/chế gốc) không hiện diện Phiên mã Chất ức chế không gắn kết, phiên mã xảy ra CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA SUY GIẢM • Được phát hiện ở hệ tryptophan • Tại đầu 3’ của operon phiên mã mARN đa cistron: trình tự dẫn gồm 162 base, phân bố giữa operator và gen cấu trúc thứ nhất • Trình tự dẫn: đóng vai trò bộ suy giảm Trình tự dẫn có thể gấp lại ở hai hình dáng bền vững khác nhau o Khi có sự hiện diện của tryptophan– ribosome di chuyển nhanh qua các codon cho phép tạo nút kẹp tóc ngừng phiên mã o Khi không có sự hiện của tryptophan – ribosome dừng lại ở codon trytophan cho phép tạo nút kẹp tóc bình thường, quá trình phiên mã xảy ra bình thường Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn Phần mã hóa 7-uracyl 3’ A XX B C D Mã hóa cho vị trí gắn ribosom Vị trí tạm ngừng phiên mã Bộ suy giảm Trình tự kết thúc Trình tự dẫn Tryp operon Cơ chế điều hòa suy giảm: operon tryptophan Bắt cặp vùng B và vùng C Ngưng phiên mã A B C Khi xuất hiện nút kẹp tóc C/D D Trytophan hiện diện Ribosome di chuyển nhanh qua B tryp codon A B C Phiên mã xảy ra Không có tryptophan Tiếp tục phiên mã Ribosome dừng tại codon tryp B C D Sự tạo thành nút kẹp tóc C/D: kết thúc phiên mã C D Tạo thành nút kẹp tóc B/C, ngăn chặn tạo nút kẹp tóc C/D KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƯƠNG • Quá trình trao đổi arabinose ở E.coli • Sự kiểm soát của chất ức chế (repressor)  điều hòa dương tính và âm tính ARABINOSE • Đường • Có thể được sử dụng trong thực phẩm • E. coli tạo ra 3 enzyme cần thiết để chuyển hóa đường arabinose • Những enzymes chỉ được tạo ra khi có sự hiện diện đường arabinose. Sự điều hòa của operon Arabinose Operon AraC RNA Pol AraO AraI AraB Arabinose Ara C: protein gắn vào ADN Ara A Ara D AraC exists in two states AraC tồn tại ở 2 dạng Arabinose P1 P2 Hoạt hóa Bất hoạt Arabinose AraC mã hóa cho protein điều hòa AraO1 và AraO2 mã hóa cho operator CAP: nơi gắn kết AraI: vùng hổ trợ điều hòa (promotor) AraBAD: gen cấu trúc. Khi không có arabinose hiện diện No arabinose + arabinose Khi có sự hiện diện của arabinsose ĐA KIỂM SOÁT Khi không có arabinose hiện diện No arabinose + arabinose Khi có sự hiện diện của arabinose • cAMP hoạt hóa cho những promoter có ái lực yếu • Tự cAMP không gắn được vào promotor  cAMP + CAP  hoạt hóa ARN polymerase  gắn promotor KIỂM SOÁT SAU DỊCH MÃ • Sự biểu hiện gen có thể điều hòa sau khi protein hình thành • Sự kìm hãm ngược còn gọi là sự ức chế bởi sản phẩm cuối • A amin liên kết chặt chẽ với enzym đầu tiên được tổng hợp ra • Sự liên kết xảy ra tại vị điều hòa làm biến tính cấu trúc của enzym  bất hoạt xúc tác của enzym. KIỂM SOÁT SAU DỊCH MÃ (tt) 1 = threonin 2 = α-ketobutyrate e1 = threonin deaminase Sự dư thừa gây kìm hãm ngược e2 Tế bào sử dụng g1 g2 isoleucine 3 g5 e5 g3 e3 g4 5 4 e4 TÓM TẮT • Chất cảm ứng  gen phiên mã • Chất ức chế  gen ngưng phiên mã • Các gen có thể cảm ứng: tham gia các phản ứng dị hóa • Các gen có thể ức chế: tham gia các phản ứng đồng hóa. • Điều hòa dương tính (cảm ứng): sự hiện diện của chất cảm ứng kích thích sự biểu hiện của gen • Điều hòa âm tính (ức chế): sự hiện diện của các hợp chất tổng hợp ức chế sự biểu hiện của gen. Phương thức dị hóa: enzym chỉ được tạo ra khi có sẳn chất dinh dưỡng đặc biệt (lactose). • Các protein ức chế kìm hãm sự biểu hiện gen và tác động ức chế bị cảm ứng bởi các chất cảm ứng. • Chất cảm ứng là các phân tử dinh dưỡng hay các phân tử có nguồn gốc dinh dưỡng. Phương thức đồng hóa: enzym chỉ được tạo ra khi aa cần tổng hợp không có sẳn (tryptophan) • Chất ức chế là sản phẩm cuối cùng của quá trình. [...]...Operon: đơn vị phiên mã Mỗi operon gồm: Gen điều hòa Promoter Operator Gene A Gen B Gen C • Gen điều hòa: ksoát sự phiên mã của các gen khác • Promoter • Operator: trình tự DNA chuyên biệt để các protein điều hòa gắn vào dùng kiểm soát quá trình phiên mã của các gen (k/s sự gắn RNA vào promoter) • Gen cấu trúc: mã hóa protein có liên quan Promoter • Là một trình tự đặc... sự phiên mã • Chất cảm ứng  gen phiên mã • Chất ức chế  gen ngưng phiên mã • Các gen có thể cảm ứng: tham gia các phản ứng dị hóa • Các gen có thể ức chế: tham gia các phản ứng đồng hóa • Điều hòa dương tính (cảm ứng): sự hiện diện của chất cảm ứng kích thích sự biểu hiện của gen • Điều hòa âm tính (ức chế): sự hiện diện của các hợp chất tổng hợp ức chế sự biểu hiện của gen 4 tổ hợp tham gia kiểm... dịch mã và t/hợp tryptophan xảy ra Sự điều hòa của operon tryptophan Chất ức chế bất hoạt Không có Gen mở Tryptophan được tổng hợp hiện diện Chất ức chế hoạt động không gắn kết Gen đóng Tryptophan không t/hợp Kiểm soát ức chế âm trong hệ tryptophan của E.coli Gen điều hòa Tryptophan Thừa Chất đồng ức chế Chất ức chế gốc Các chất chuyển hóa Repressor Các enzyme Các gen e5 g5 e4 g4 4 e1 1 e3 g1 g3 : chất... lactose không được rõ lac operon của E coli Chuỗi điều hòa Promotor cho gen điều hòa Promoter cho cấu trúc gen Gen điều hòa (i) mã hóa cho protein kìm hãm Promoter (plac) –nơi gắn kết với RNA polymerase Gen cấu trúc Gen cấu trúc cho β-galactosidase Gen cấu trúc cho β-galactoside transacetylase Gen cấu trúc cho β-galactoside permease Operator (o) – nơi gắn kết chất ức chế Không có đường lactose RNA polymerase... - Phân giải lactose thành glucose + galactose - Biến đổi liên kết trong lactose  allolactose -galactosidase permease Màng plasma 3 -galactosidase transacetylase • Chuyển nhóm acetyl từ acetyl coenzyme A thành một -galactosides • Vai trò của -galactosidase transacetylase trong chuyển hóa lactose không được rõ lac operon của E coli Chuỗi điều hòa Promotor cho gen điều hòa Promoter cho cấu trúc gen. .. gắn kết vào operator (chất đồng ức chế) (ư/chế gốc) không hiện diện Phiên mã Chất ức chế không gắn kết, phiên mã xảy ra CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA SUY GIẢM • Được phát hiện ở hệ tryptophan • Tại đầu 3’ của operon phiên mã mARN đa cistron: trình tự dẫn gồm 162 base, phân bố giữa operator và gen cấu trúc thứ nhất • Trình tự dẫn: đóng vai trò bộ suy giảm Trình tự dẫn có thể gấp lại ở hai hình dáng bền vững khác nhau... Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn Phần mã hóa 7-uracyl 3’ A XX B C D Mã hóa cho vị trí gắn ribosom Vị trí tạm ngừng phiên mã Bộ suy giảm Trình tự kết thúc Trình tự dẫn Tryp operon Cơ chế điều hòa suy giảm: operon tryptophan Bắt cặp vùng B và vùng C Ngưng phiên mã A B C Khi xuất hiện nút kẹp tóc C/D D Trytophan hiện diện Ribosome di chuyển nhanh qua B tryp codon A B C Phiên mã xảy ra Không... kẹp tóc C/D: kết thúc phiên mã C D Tạo thành nút kẹp tóc B/C, ngăn chặn tạo nút kẹp tóc C/D KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƯƠNG • Quá trình trao đổi arabinose ở E.coli • Sự kiểm soát của chất ức chế (repressor)  điều hòa dương tính và âm tính ARABINOSE • Đường • Có thể được sử dụng trong thực phẩm • E coli tạo ra 3 enzyme cần thiết để chuyển hóa đường arabinose • Những enzymes chỉ được tạo ra khi có sự hiện diện... phiên mã: • Kiểm soát cảm ứng âm • Kiểm soát ức chế âm • Kiểm soát cảm ứng dương • Kiểm soát ức chế dương KIỂM SOÁT CẢM ỨNG ÂM • Thực hiện bởi operon có thể cảm ứng • Hệ thống lactose của E.coli Biểu đồ sinh trưởng của vi khuẩn trong môi trường có glucose và lactose Sự hiện diện của đường Số lượng tế bào Sử dụng Glucose Thời gian Sử dụng Lactose Tại sao có một thời gian số lượng tế bào vi khuẩn không... phiên mã LACTOSE hiện diện KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM • Ức chế âm quá trình tổng hợp enzyme • Ức chế bởi chính sản phẩm mà nó xúc tác • Tổng hợp acide amin tryptophan và histidin Operon Tryptophan • Operon có 5 gene cho việc tổng hợp tryptophan dưới sự kiểm soát của một promoter • Khi không có tryptophan operon trytophan hoạt động • Protein ức chế tryptophan hay chất ức chế gốc gắn vào operator chỉ khi có sự ... Promotor cho gen điều hòa Promoter cho cấu trúc gen Gen điều hòa (i) mã hóa cho protein kìm hãm Promoter (plac) –nơi gắn kết với RNA polymerase Gen cấu trúc Gen cấu trúc cho β-galactosidase Gen cấu... thông qua operon Operon: đơn vị phiên mã Mỗi operon gồm: Gen điều hòa Promoter Operator Gene A Gen B Gen C • Gen điều hòa: ksoát phiên mã gen khác • Promoter • Operator: trình tự DNA chuyên biệt... enzyme: -galactosidase permease Cần thiết cho vận chuyển lactose qua màng tế bào -galactosidase - Phân giải lactose thành glucose + galactose - Biến đổi liên kết lactose  allolactose -galactosidase