TIỂU LUẬN SINH HỌC TÌM HIỂU ĐẶC ĐIỂM BỘ GEN EUKARYOTE

Biến đổi cấu trúc của phân tử DNA Sự methyl hóa làm tắt gen Sự methyl hóa DNA: là sự gắn thêm 1 nhóm methyl-CH3 vào C5 của base cytosinenằm trong cặp CG, là một biến đổi hóa học tự nhiê

MỤC LỤC

A ĐẶC ĐIỂM BỘ GEN EUKARYOTE

- Kích thước bộ gen lớn

- Đa số gen có tính gián đoạn

- DNA liên kết với protein (histone và phi histone) Trong đó, protein có vai trò quan trọngtrong điều hòa biểu hiện gen

- Đa số eukaryote có cơ thể đa bào nên các tế bào không tiếp xúc trực tiếp với môi trường, sựđiều hòa ở đây không còn nhằm mục đích đối phó với các biến động ở ngoại bào mà chuyênbiệt hóa tế bào vào từng cấu trúc và chức năng riêng và vì thế không mang tính thuậnnghịch

- Bộ gen của tất cả các tế bào đều như nhau nhưng các gen khác nhau hoạt động vào các thờiđiểm khác nhau trong giai đoạn phát triển của cơ thể Trong cùng một loại mô, các gen cũnghoạt động không cùng lúc

VD Ở người, tùy giai đoạn phát triển mà cấu tạo hemoglobin có 4 mạch polypeptidgiống nhau từng đôi một

Giai đoạn Loại Hb Mạch polypeptid

α2β2 α2δ2 α2γ2 Gen α hoạt động suốt đời, các gen khác chỉ hoạt động ở

từng giai đoạn riêng

- Không có phiên mã dở

B CÁC CẤP ĐỘ ĐIỀU HÒA

Do phiên mã và dịch mã là 2 quá trình xảy ra không đồng thời nên sự điều hòa làphức tạp và trải qua nhiều giai đoạn như hình sau

1.Ở cấp phân tử DNA2.Ở cấp chất nhiễm sắc

Hình Sơ đồ tổ chức các gene điển hình ở eukaryote bậc cao

I ĐIỀU HÒA Ở CẤP PHÂN TỬ DNA

1 Lặp lại các gen tổng hợp các sản phẩm mà tế bào có nhu cầu cao

Ở một số tế bào, một số gen nhất định có thể được lặp lại nhiều lần làm tăng số lượngbản sao nhằm đảm bảo đủ số lượng cần thiết cho dịch mã khi phải tổng hợp hàng triệu phân

tử protein vào lúc cần thiết

VD: NST của Xenopus (ếch) chứa 450 bản sao của DNA mã hóa cho rRNA 18S và

28S trong mỗi nhân có 20.000 bản sao của các gen mã hóa cho rRNA 5S

Genome của người có chứa khoảng 2000 gen mã cho rRNA 5S Các gen mã hóa chohistone cũng có với nhiều bản sao được lặp lại hàng trăm lần

2 Biến đổi cấu trúc của phân tử DNA

Sự methyl hóa làm tắt gen

Sự methyl hóa DNA: là sự gắn thêm 1 nhóm methyl-CH3 vào C5 của base cytosinenằm trong cặp CG, là một biến đổi hóa học tự nhiên sau khi DNA được sao chép ở vùngđiều hòa hay promter

De novo metylase (DNA methylase) Thêm nhóm metyl

Maintenance methylase Thêm nhóm methyl vào sợi mới tổng hợp

De novo demetylase (DNA demethylase) Loại đi nhóm metyl

Hình 3: Sơ đồ tổ chức các gene điển hình ở eukaryote bậc cao

Hình 1.1: PƯ methyl hóa cytosineHình 1.2: Điều chỉnh sự metyl

hoá ADN

Tuy nhiên, enzym De novo demetylase này chưa được tìm thấy trong tế bào động vật.Kết quả nghiên cứu gần đây (2002-2005) cho thấy một số enzym sửa chữa ADN có liênquan đến việc loại bỏ cytosine mang nhóm methyl

Trình tự nhận biết cho sự metyl hoá rất ngắn, ở động vật thường là CG còn ở thực vật

là CNG (N=A,T,C)

Vùng methyl hóa xảy ra gần các vị trípromoter/operator nên làm cản trở việc gắnprotein ức chế và làm bất hoạt gen tương tựnhư sự ức chế do protein ức chế gắn vàooperator DNA bị co xoắn chặt lại và gen khi

đó không thể tiến hành phiên mã được

Vùng bị methyl hóa thường chuyển thành

vùng dị nhiễm sắc

Hợp tử hình thành do trứng được thụ tinh cóhầu hết các kiểu methyl hoá DNA đều bịxoá Trong quá trình biệt hoá mô các kiểumethyl hóa mới được hình thành Nhữnggen mà promoter của nó bị metyl hoá sẽ bịtắt hoàn toàn

Hình 1.3: Cơ chế kép làm tắt gen

Ngoài ra, để làm tắt hoàn toàn 1 gen sự methy hóa còn đồng thời với sự cải biến nucleosome Do trình tự methy hóa được nhận ra và bám vào bởi các protein (như protein bám metylcytosine MeCP2) Những protein này huy động emzym histone deacetylase (khử acetyl) và histone methylase tạo thành cơ chế kép “phanh hãm” sự phiên mã hoàn toàn của gen sự lan tỏa sự methyl hóa và hình thành vùng dị nhiễm sắc (Watson, 2004)

Hình 1.4: Cơ chế kép làm tắt gen hoàn toàn

Khi vùng NST đã bị methyl hóa thì trạng thái này được duy truyền từ tế bào này sang

tế bào khác nhờ enzyme maintenance methylase (enzyme duy trì methylase).

Hình 1.5: Kiểu methyl hóa DNA được duy trì qua phân bào (Alberts et al, 2002)

Hiện tượng in vết gen (gene imprinting)

Trạng thái methyl hóa là cơ sở cho hiện tượng in vết gen ở động vật có vú.

Biểu hiện: Ở một số gen nhất định, chỉ 1 alen có nguồn gốc từ bố hoặc từ mẹ được

biểu hiện suốt đời sống cá thể

Vd: Tế bào ở người, các gen H19 và Igf2 nằm cùng nhau trên NST số 11 Nhưng:

Bản sao gen H19 của mẹ hoạt động, bản sao của bố không biểu hiện

Bản sao gen Igf2 của bố thì hoạt động, bản sao của mẹ không biểu hiện

Trên NST từ mẹ, protein CTCF(CCCTC-binding Factor) đính kết vào trình tự cách ly

(insulator), cản trở sự tương tác giữa gen Igf2 với yếu tố hoạt hóa liên kết tại trình tự tăng

cường

Trên NST từ bố, trình tự cách ly và promoter của gen H19 bị methyl hóa + liên kết với

protein MeCP2 (huy động histone deacetylase) bộ máy phiên mã không liên kết được vớipromoter + CTCF không liên kết được với trình tự cách ly ức chế gen

Sự duy truyền các tính trạng thông qua các cơ chế không liên quan trực tiếp đến trình

tự các nucleotid như vậy được gọi là duy truyền học ngoại sinh.

Vd: Hiện tượng bất hoạt NST X

Mèo khoang Màu lông khoang chỉ thấy ở mèo cái Bởi gen qui định màu lông là trênNST X Nếu mèo cái là dị hợp tử có cả allen kiểu dại và đột biến thì sự bất hoạt ngẫu nhiêncủa NST X sẽ cho màu lông khoang

Màu trắng là bởi các tế bào ở đó có NST X bất hoạt chứa allen đột biến

II ĐIỀU HÒA Ở CẤP CHẤT NHIỄM SẮC - CẢI BIẾN HISTONE

DNA + histon  nucleosome  chất nhiễm sắc

MeCP2

Protein nonhistone: Các protein còn lại trong nhiễm sắc sau khi các protein histoneđược loại bỏ

Protein nonhistone phổ biến là: các giá đỡ protein, DNA polymerase, protein dị nhiễmsắc 1(HP1-kích thích hình thành dị NS), polycomb

Trong vùng dị nhiễm sắc (heterochrometin), nơi chất nhiễm sắc ở trạng thái kết đặccác gen thường không được biểu hiện

CM: Chuyển một gen có mức độ phiên mã cao vào vùng dị nhiễm sắc ở tế bào nấmmen gen không bao giờ được biểu hiện

Sự cải biến Histone: acetyl hóa, loại acetyl hóa, methyl hóa và phosphoryl hóa

1 Sự acetyl hóa histone  hoạt hóa gen

Acetyl hóa histone là phản ứng gắn thêm nhóm acetyl–COCH 3 từ acetyl CoA vào

các acid amin lysine đặc hiệu phân bố ở phần đuôi histone(N-terminal ) tạo thành ε-N-acetyl lysine, có tác dụnghoạt hóa gen

Thực hiện: Enzym acetyl transferase-HAT

http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch4G.htm

Hình 2.2: Acetyl hóa đuôi histone thúc đẩy việc nới lỏng cấu trúc chất nhiễm sắc, qua

đó cho phép phiên mã diễn ra

Ngoại trừ histone H2A, các histone lõi khác thường có 4 đến 5 vị trí có gắn nhómacetyl Một nucleosome có thể có tới 26 vị trí mang nhóm acetyl

phức hợp phiên mã

phức điều biến Protein histone

Histone có tính kiềm do cấu trúc của chúng có khoảng 20-30% arginine và lysine tíchđiện dương (+) Khi được acetyl hóa, điện tích dương của nó bị trung hòa Làm đuôihistone không còn liên kết chặt với acid nucleic tích điện âm quyết định bởi nhómphosphast của các nucleoxome lân cận  DNA giãn xoắn tạo điều kiện cho RNApolymerase tiếp cận được với promoter nên quá trình phiên mã được thực hiện

Khi vùng này có mang nhóm acetyl, phức tái mô hình chromatin (remodelingchromatin complexes) (điều biến) có thể phá vỡ tạm thời cấu trúc lõi histone hay dịchchuyển nucleosome trên sợi nhiễm sắc hay làm cho các histone H2A-H2B bị di chuyển rakhỏi cấu trúc lõi nucleosome Nhờ đó, các

promoter được bộc lộ, cho phép quá trình phiên

mã được bắt đầu (Võ Thị Hương Lan)

Hình 2.3: Phức tái mô hình chromatin (remodeling chromatin

complexes)

http://www.nhasinhhoctre.com/forum/viewtopic.php?f=29&t=322

Protein histone phức điều biến

phức hợp phiên mã phức điều biến Protein histone

2 Sự loại acetyl hóa histone Bít gen (gene blocking)

Ngược lại, sự khử acetyl: Khử acetyl là phản ứng loại bỏ nhóm –COCH3 ra khỏiprotein histone có tác dụng làm bất hoạt gen

Vd: Sự bít gen ở đầu mút NST nấm men Sacharomyces cerevisiace

Hình 2.4: Sự bít gen ở đầu mút NST nấm men Sacharomyces cerevisiace

Protein RAP1 huy động phức hệ SIR(SIR2, SIR3, SIR4) tới đầu mút Tại đây, một

phần của phức hệ này (SIR2) xúc tác phản ứng loại nhóm acetyl khỏi histone Đoạn đầu mútmang các nucleosome bị loại acetyl này sẽ liên kết SIR3 và SIR4, làm phức hệ SIR ngàycàng trở nên tập trung hơn, với tác dụng của SIR2 ở các nucleosome lân cậnNST tậptrung tạo sự bít gen lan tỏa

Rõ ràng, hai quá trình acetyl hoá và khử acetyl có tác dụng ngược nhau trong việc

làm thay đổi cấu trúc sợi nhiễm sắc và hoạt động của các gen Các enzym

deacetylase-HDAC làm giảm mức độ acetyl hoá histone, kìm hãm quá trình phiên mã Ngược lại,

enzym acetyl transferase-HAT tăng cường acetyl hoá, kích thích quá trình phiên mã Mặt

khác, cạnh tranh giữa hai phản ứng acetyl hoá và khử acetyl giúp sợi nhiễm sắc thay đổi cấutrúc linh hoạt, đáp ứng kịp thời với tăng cường hoặc kìm hãm hoạt động của gen

Một số nghiên cứu còn chỉ ra rằng : Một số enzyme acetyl hóa hoặc loại acetyl hóahuy động hoặc phối hợp chặt chẽ, thậm chí là thành phần của các yếu tố phiên mã liên kếtvào promoter

3 Sự methyl hóa đoạn đuôi của histone  bít gen (gene blocking)

Methyl hóa histone là quá trình gắn nhóm methyl (-CH 3 ) vào đoạn đuôi histone Cụ thể là tại vị trí acid amin lysine đặc thù của histone H3 và H4 thúc đẩy sự kết đặc hơn của chất nhiễm sắcgen không được biểu hiện không phiên mã.

Thực hiện : Enzyme histone methylase

Hình 2.5: Methyl hóa acid amin lysine

http://online.liebertpub.com/doi/full/10.1089/ars.2010.3492 Tuy vậy, tùy thuộc vào vị trí phản ứng mà sự methyl hóa có thể gây hiệu ứng biểu hiệngen khác nhau

Vd: Ở S.pome liên quan đến sự methyl hóa Lys ở đuôi histone H3

Lys(9) + methylase  H3K9  Huy động enzyme deacetylase + HP1 (protein dị NS

số 1-kích thích hình thành dị NS) bít gen

Lys (4) + methylase  H3K4 Huy động histone acetylase và thúc đẩy acetyl hóa các nucleosome lân cận+ CHD1(Enzyme làm suy yếu thể nhân) hoạt hóa gen

Ở nấm men S cereviseae , hoạt động của histone methylase liên quan đến sự ức chế

một số gen và ngăn cản hiệu ứng bít gen SIR2

Sự bít gen điển hình thường liên quan đến loại acetyl hóa histone và methyl hóa histone.

4 Sự Phosphoryl hóa histone

Hình 2.6: Sự phosphoryl hóa histone

http://imageshack.usphotomy-images3484381090af1127ly.jpg

Hình 2.7 L-Phosphoserine

http://en.wikipedia.org/wiki/File:L-Phosphoserine.png

Terry Orr Weaver và các cộng sự tiến hành gây đột biến thực nghiệm ruồi giấm tìm ra

đột biến ở gen nhk-1 mã hóa histone kinase-1 (NHK-1) gây bất thụ ở ruồi cái Enzyme

NKH-1 xúc tác phosphoryl hóa một acid amin đặc thù ở vùng đuôi của H2A

Thực hiện: nhuộm huỳnh quang đỏ với DNA, nhuộm huỳnh quang xanh với protein

condensin (peotein bao bọc NST cuối kì đầu 1 và giúp NST cô đặc).

Kết quả:

Hình 2.8: I Ivanovska, T Khandan,

T Ito and T.L.Orr-Weaver, A histone

code in meiosis: the histone kinase,

NHK-1, is required for proper

chromosomal architecture in

Drosophila oocytes,Gene and

Development 19: 2571 - 2582

(2005).

Ruồi kiểu dại: DNA và condensin tập trung thành 1 vùng nhỏ trong nhân

Ruồi đột biến: condensin khuếch tán khắp nhân, DNA chỉ tập trung ở vùng biên quanh

nhâncondensin không bao bọc NST và NST không cô đặc được

Kết luận: Sự phosphoryl hóa đặc thù ở đuôi N của H2A là thiết yếu để hoạt động của

NST trong giảm phân có thể diễn ra chính xác

Sự phosphoryl hóa gốc serine ở vị trí thứ 10 ở đuôi histone H3 thường xảy ra trongquá trình phân bào ở tế bào eukaryote Một khi các tế bào này đã nhân đôi DNA và bắt đầuchuẩn bị phân chia, gần như tất cả histone H3 serine vị trí 10 (H3S10) ở trong nhân dườngnhư bị phosphoryl hóa

Allis và đồng nghiệp đã đề xuất rằng sự phosphoryl hóa thuận nghịch serine hoặc threonine ở những vùng đuôi histones có thể vô hiệu hóa sự gắn protein điều hòa vào gốc lysine đã methyl hóa bên cạnh, tạo ra một công tắc điều khiển hai chiều theo kiểu bật tắt.

Cơ chế bật tắt methyl-phospho

“Một histone methylase và một protein phosphatase có liên quan đến sự kiểm soát quá

trình hình thành chất dị nhiễm sắc ở ruồi giấm” (Nature số 438/22 December 2005). Cơ

chế bật tắt methyl-phospho

Nhóm Fischle và nhóm Hirota

Sự methyl hóa ở H3K9 + HP1(bít gen) sự phosphoryl hóa H3S10 buộc HP1 phải rời

vị trí hoạt hóa gen Tuy nhiên, vẫn còn nhóm methyl ở H3K9 Vì thế nếu nhóm phosphatecủa H3S10 bị loại bỏ (bằng protein phosphatase)  methyl H3K9 không bị cạnh tranh sẽphục hồi sự gắn kết của HP1 và tái thiết lại chất dị nhiễm sắc

Đẩy thể nhân ra khỏi vị trí Của nó bởi RNA polymerase

Khử gốc methyl ở lysine

Sự phosphoryl hóa các amino acid kề bên

Bằng cách không can thiệp đến các gốc methyl và thải loại các yếu tố liên kết lysine qua sự phosphoryl hóa các amino acid kề bên, tế bào có thể nhanh chóng tái tổ chứccấu trúc NST trên quy mô lớn trong khi vẫn giữ nguyên hệ gốc methyl thiết yếu, điều nàycho phép cấu trúc ban đầu được phục hồi dựa trên quá trình khử gốc phospho

methyl-III SỰ ĐIỀU HÒA PHIÊN MÃ

Các tế bào ở sinh vật nhân chuẩn có thể điều hòa sự biểu hiện của gen thông qua sự thay đổitốc độ phiên mã

Sự điều hòa này có thể thực hiện do:

ức chế Dpn Dpn được mã hóa bởi một gen nằm trên NST số 2 Như vậy, ta thấy tỉ lệprotein hoạt hóa SisA và SisB và ức chế Dpn là khác nhau ở hai giới Điều này dẫn đến genSxI được tăng cường ở con cái và ức chế ở con đực

Gen SxI được biểu hiện từ hai promoter khác nhau gọi là Pm và Pe Trong dó, Pe được điềukhiển bởi SisA và SisB (như vậy, Pe chỉ hoạt động ở con cái)

Trong các giai đoạn sau của quá trình phát triển, Pe không hoạt động; sự duy trì hoạt độngcủa gen SxI là nhờ Pm Pm hoạt động theo kiểu mặc định ở cả con đực và cái, nhưng sảnphẩm mRNA của gen SxI được phiên mã từ Pm nhiều hơn sản phẩm phiên mã từ Pe mộtexon Nếu mRNA hoàn thiện có exon này, thì protein tạo ra không có hoạt tính (điều nàyxảy ra ở con đực) Nếu mRNA được cắt bỏ exon này, protein SxI hoạt động và duy trì kiểuhình con cái Như vây, trong giai đoạn phôi sớm, Pe hoạt động ở con cái dẫn tới việc protein

SxI có ở con cái mà không có ở con đực Protein này trực tiếp điều khiển cắt exon trên phân

tử tiền mRNA được phiên mã từ promoter Pm Nên ở con cái, exon ức chế này bị cắt bỏ

Hình 3.1 Sự lựa chọn promoter ở gen SxI

2 Tác động của các nhân tố phiên mã

2.1 Khái niệm nhân tố phiên mã

Nhân tố phiên mã ( TF = TRANSCRIPTION FACTOR) là một họ protein lớn có vaitrò diều hòa sự biểu hiện của các gen

Có 2 loại nhân tố phiên mã: nhân tố phiên mã chung và nhân tố phiên mã các gen đặchiệu

2.2 Tác động điều hòa của các nhân tố phiên mã chung

Như chúng ta biết, ARN polymerase xúc tác cho quá trình phiên mã Tuy nhiên, bảnthân sự hoạt động của enzyme này lại chịu sự tác động của các nhân tố phiên mã

− Các nhân tố phiên mã cũng có thể tương tác với các trình tự tăng cường và trình tự kìm hãm

− Tác động điều hòa của các nhân tố phiên mã đến hoạt động của ARN- polymerase:

− Có thể coi tác động của các TF đến hoạt động của ARN polymerase là khâu đầu tiên trong quá trình điều hòa phiên mã

− Các nhân tố phiên mã điều hòa hoạt động của ARN polymerase bằng cách tương tác với vùng promoter Có một số loại TF khi tương tác với promoter thì đóng vai trò thúc đẩy, một số khác thì có tác dụng kìm hãm sự hoạt động của polymerase

Vì ở sinh vật nhân chuẩn có tới 3 loại ARN polymerase nên ta sẽ lần lượt xét tác độngcủa các TF đến từng loại emzyme đó.

a) Các nhân tố phiên mã liên quan đến hoạt động của ARN polymerase II:

Các nghiên cứu ở sinh vật nhân chuẩn bậc cao, bao gồm cả động vật có vú cho thấy:ARN pol II hoạt động được là nhờ vào sự trợ giúp của ít nhất 6 nhân tố phiên mã chungđược ký hiệu là TF II A, B, D, E, F và H trong đó TF II D được nghiên cứu kỹ nhất Nógồm nhiều tiểu phần polypeptit, mà quan trọng nhất là loại protein có khả năng bám vào hộpTATA, viết tắt là TBP

Trật tự bám vào promoter của các nhân tố trên như sau: D, B, F + pol II, E và H còn TF II

A có thể bám vào bên ngoài TF II D bất kỳ lúc nào Pol II và TF II F được bám vào đồngthời với nhau TBP bám vào hộp TATA và kéo theo các phần còn lại theo nó

ARN pol II cùng với toàn bộ nhân tố phiên mã chung nói trên tạo thành phức hợp tiềnkhởi đầu phiên mã

Hình 3.2 Nhân tố phiên mã của RNA Pol II

b) Các nhân tố phiên mã liên quan đến hoạt động của ARN pol I :

Phức hợp tiền khởi đầu phiên mã ở các promoter của ARN pol I bao gồm pol I và hainhân tố phiên mã có tên là SL1 và UBF có chức năng bám ở phía trước bản than pol I và

ngay cả SL1 cũng không thể tự bám vào promoter được đầu tiên là nhân tố UBF bám vàomột nhân tố kiểm soát nằm ở phía trước là UCE của promoterrARN Nhờ vậy, nhân tố SL1

có thể gắn được vào phức hệ, làm cho pol I bám được chặt hơn và tạo ra phức hệ tiền khởiđấu phiên mã

Hình 3.3 Nhân tố phiên mã của RNA Pol I

c) Các nhân tố phiên mã lien quan đến hoạt dộng của ARN polymerase III:

ARN pol III xúc tác cho quá trình phiên mã của các gen tARN và các gen rARN-5S

Có 3 loại TF tham gia vào quá trình phiên mã rARN-5S là: TFIIIA, TF IIIB và TF IIIC: và

2 loại TF tham gia vào quá trình phiên mã tARN là TF IIIB và TF IIIC Trong đó TF IIIB lànhân tố khởi đấu phiên mả cho ARN pol III, còn lại hai TF kia đóng vai trò tạo điều kiệncho TF IIIB bám vào ở vị trí phía trước điểm khởi đấu phiên mã Nhờ có TF IIIB mà pol IIIbám được vào vị trí khởi đầu phiên mã của gen

Hình 3.4 Nhân tố phiên mã của RNA Pol III

2.3 Tác động điều hòa của các nhân tố phiên mã gen đặc hiệu:

a) Motif xoắn-vòng-xoắn HLH (helix-loop-helix)

Gồm 2 chuỗi polypeptide (có thể dị phức kép hoặc nguyên phức kép) gồm các vòngxoắn α cái vào khe chính và có vai trò nhận biết DNA Giữa hai vòng xoắn α là một “vòngthắt” linh hoạt giữ chúng với nhau (vì vậy được gọi là xoắn-vóng-xoắn) do vùng liên kếtDNA mang các axit amin kiềm, nên các protein có motif này còn được gọi là các HLHkiềm

Hình 3.5 Motif xoắn vòng xoắn

Một số nhân tố điều hòa có cấu trúc HLH

• MyoD

• Achaete-Scute

• Tal/Twist/Atonal/Hen

b) Motif ngón tay kẽm (zinc-finger)

Kiểu motif này tồn tại ở 2 dạng là C2H2 và C4

- Dạng C2H2 hình thành một cấu trúc thòng lọng gồm 12 amino acid định vị vào một đế gồm

2 cystein và 2 histidin cùng được điều hoà xung quanh một ion kẽm Cấu trúc motif này cóhình dạng giống như ngón tay (vì vậy, gọi là ngón tay kẽm) Dạng motif này tạo nên một

cấu trúc vững chắc gồm 2 sợi xoắn β và 1 sợi xoắn α có chứa các amino acid kiềm tương tácvới DNA thông qua khe lớn của chuỗi xoắn kép.

- Dạng C4 có cấu trúc tương tự C2H2, nhưng ở đây bốn amino acid đều là cystein liên kếtxung quanh một ion kẽm

c) Motif xoắn-uốn-xoắn (helix-turn-helix)

Motif này gồm hai vòng xoắn α tách biệt nhau bởi một mạch uốn β Một trong số 2vòng xoắn đó gọi là vòng xoắn nhân biết có vai trò gắn vào phân tử DNA thông qua tiếpxúc với khe lớn của chuỗi xoắn kép

Hình 3.8 Motif xoắn uốn xoắn

Một số nhân tố điều hòa có cấu trúc HTH:

• Oct

• Ubx

• TEAD1, TEAD2, TEAD3, TEAD4

d) Motif khóa kéo leucine (leucine-zipper)

Motif này chứa 2 chuỗi xoắn α Mỗi chuỗi cấu tạo do sự lặp lại của bộ 7 amino acid.Trong đó cứ 7 amino acid lại có amino acid leucine ( có gốc R kị nước) nhờ vậy các tiểuphần amino acid leucine nằm quay cùng về một phía và có mặt cứ 2 vùng cuộn của chuỗixoắn, tạo nên một bề mặt kỵ nước của phân tử protein Do leucine thường nằm ở vị trí thứ

tư và các nhóm R kị nước kết tụ với nhau như răng của phecmotuya nên motif cấu trúc nàyđược gọi là khóa kéo leucine

Các protein motiof này có thể tồn tại ở dạng dị phức kép hoặc nguyên phức kép

Hình 3.9 Homodimer

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:R%C3%A9gion%C2%ABleucine_zipper

%C2%BB.png?uselang=fr?uselang=fr

SCL , còn được gọi là Tal1 Scleraxis

M t s nhân t phiên mã c tr n g

Vùng hoạt hóa phiên mã:

Phần lớn các nhân tố phiên mã đều chứa một hoặc một số vùng này thuộc vào 3 kiểusau:

• Có tính axit: ví dụ nhân tố phiên mã GAL4 chứa 49 axit amin, trong đó có 11 axitamin có tính axit

• Giàu glutamine: ví dụ nhân tố phiên mã Sp1 có hai vùng hoạt hóa, mỗi vùng chứa

− Trực tiếp tương tác với phức hệ khởi đầu phiên mã

− Tác động một cách gián tiếp theo những hình thức sau:

• Ngăn cản sự liên kết của yếu tố thúc đẩy phiên mã vào vị trí liên kết trên phân

tử DNA

• Hình thành dimer làm bất hoạt vùng liên kết DNA.

• Gắn một protein ức chế vào vùng hoạt hóa của một yếu tố phiên mã

2.3.3 Ý nghĩa

Yếu tố phiên mã có ý nghĩa lâm sàng do: (1) đột biến có thể được liên kết với các bệnh

cụ thể, và (2) chúng có thể là mục tiêu của thuốc

AP-1, (2) STAT và (3) các thụ thể steroid

Dưới đây là một vài trong số các ví dụ nghiên cứu:

Hội chứng

Rett

Các đột biến trong MECP2 yếu tố phiên mã có liênquan với hội chứng Rett , một rối loạn phát triển thầnkinh

Xq28

Bệnh tiểu

đường

Một dạng hiếm của bệnh tiểu đường được gọi là

Mody (đáo hạn bệnh tiểu đường của trẻ) có thể đượcgây ra bởi đột biến trong các yếu tố hạt nhân tế bàogan (HNFs) hoặc insulin promoter yếu tố 1

7q31

Xp11.23-Hội chứng

3 Ảnh hưởng của các trình tự tăng cường và trình tự dặp tắt đến quá trình phiên mã:

3.1 Trình tự tăng cường (enhancer)

• Nằm cách điểm khởi đầu phiên mã của gen hàng nghìn cặp base

• Các trình tự tăng cường có kích thước khoảng 100-200 cặp base

• Trình tự tăng cường có thể nằm ngược dòng hoặc xuôi dòng so vời gen chịu ảnh hưởng của nó

Hình 3.11 Vị trí enhancer

c) Cơ chế hoạt động của enhancer trong điều hòa gen:

Sự tương tác giữa trình tự tăng cường và trình tự khởi động của một gen được thựchiện bằng cách đoạn DNA nằm giữa chúng tạo cấu trúc thong lọng để chúng tiến lại gầnnhau

hình 3.12 Cơ chế hoạt động của enhancer

- Các trình tự dặp tắt khi nằm giữa một trình tự tăng cường và promoter, các trình tự này sẽ

ức chế sự hoạt hóa gen bởi trình tự tăng cường

- Trình tự dặp tắt không ức chế sự hoạt hóa gen của trình tự tăng cường nếu nó không nằmgiữa trình tự tang cường và promoter, cũng như không ức chế trình tự tăng cường hoạt hóacác gen khác

- Về bản chất thì các trình tự dặp tắt nó không ức chế hoạt động của promoter, cũng nhưkhông kìm hãm hoạt động của trình tự tăng cường mà nó chỉ có tác dụng là ngăn cản sựtương tác của các yếu tố này.

Hình 3.13 Cơ chế hoạt động của trình tự dập tắt

4 Sự điều hòa biểu hiện của gen cần “vùng điều khiển locut” -LCR:

Gen mã hóa globin được biểu hiện trong tế bào hồng cầu của người trưởng thành vàmột số dòng tế bào gốc máu trong quá trình phát triển cá thể Hệ gen người có 5 gen mã hóaglobin khác nhau Mặc dù kết cụm, nhưng những gen này được điều khiển riêng rẽ mỗi genđược biểu hiện vào các thời kỳ khác nhau của quá trình phát triển cơ thể

Để các gen biểu hiện theo đúng trật tự, còn cần một nhóm các yếu tố điều hòa chunggọi là vùng điều khiển locut-LCR ( Locus Control Region)

Hình 3.14 Hoạt động của LCR

http://www.nature.com/embor/journal/v4/n1/fig_tab/embor701_f3.htmlhttp://www.nature.com/embor/journal/v4/n1/fig_tab/embor701_f3.html

5 Tác dụng điều hòa phiên mã của các chất hoocmon:

Các chất hoocmon là những chất điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn bậc cao.Một trong số hoocmon đó là hoocmon sinh dục (androgen, estrogen), progesterone,hoocmon buồng trứng và thành phần chủ yếu của thuốc tránh thai, glucocorticoid, nhưcortisol, vitamin D điều hòa trao đổi canxi tác động theo kiểu bật mở sự phiên mã

* Cơ chế:

Các hoocmon steroid thường là những phân tử kỵ nước (không phân cực) và tự do điqua màng tế bào Ngay khi hoocmon vào được bên trong tế bào, chúng sẽ kết hợp với mộtthụ quan nội bào (receptor-R) Sau đó hỗn hợp thụ quan hoocmon được kích hoạt sẽ chuyển

vị trí đến nhiễm sắc thể, nơi hoocmon này kết hợp với DNA-protein Sự tương tác này sẽ

“bật” một gen, nó thúc đẩy sự sao chép lại DNA tạo ra một mRNA

Ví dụ: Thụ quan glucocorticoid viết tắt là GR ( glucocorticoid receptor) thường liênkết với một loại protein đặc hiệu là hsp90 làm chon ó ở trạng thái bất hoạt nhưng một khithụ quan được gắn với hoocmon thì nó thay đổi cấu hình và tách rời khỏi hsp90 rồi dichuyển vào nhân tế bào

Hình 3.15 Cơ chế tác động của glucocorticoid

http://www.panomics.com/index.php?id=product_94

Một ví dụ khi các con gà được tiêm estrogen thì mô ống dẫn trứng phản ứng bằng cáchtổng hợp mARN ovalbumin Sự tổng hợp này tiếp tục chừng nào còn sử lý estrogen Mộtkhi hoocmon chấm dứt tốc độ tổng hợp giảm xuống Cả 2 trường hợp trước khi cung cấphoocmon và 60 giờ sau khi ngừng cung cấp hoocmon, không tấy có mARN ovalbumin Khiestrogen được đưa vào gà, chỉ có ống dẫn trứng tổng hợp mARN ovalbumin bởi những môkhác thiếu thụ quan hoocmon của tế bào chất

IV ĐIỀU HÒA Ở CẤP SAU PHIÊN MÃ

Quá trình phiên mã đơn thuần không tạo nên sự biểu hiện của gen Các nhà nghiên cứungày càng tìm ra nhiều bằng chứng về các cơ chế điều hòa hoạt động ở các giai đoạn khácnhau sau phiên mã Những cơ chế cho phép tế bào nhanh chóng điều chỉnh được sự biểuhiện của gen nhằm đáp ứng lại các thay đổi của môi trường

1 Điều hòa bằng sự ghép nối khác nhau các đoạn exon (alternative splicing )

Sự ghép nối các đoạn exon sau phiên mã theo các trật tự khác nhau có thể tạo ra nhiềumRNA khác nhau từ 1 gen Đây là cơ chế thay đổi tổ hợp các exon với các tổ hợp điểm cắtintron khác nhau Do đó, sản phẩm protein tạo ra sẽ khác nhau Như vậy, cùng một gennhưng ở tế bào này thì cho ra protein này nhưng ở tế bào khác thì protein đó không được tạo

ra mà thay vào đó là một loại protein khác thực hiện một chức năng khác

Vd 1 Cách ghép nối RNA khác nhau ở gen mã hóa protein cơ troponin T, kết quả là

tạo ra nhiều loại phân tử mRNA Trong đó, có một phân tử mRNA hoàn thiện cuối cùngchứa exon 3, còn phân tử mRNA kia chứa exon 4 Hai phân tử mRNA này tiếp tục đượcdịch mã thành hai loại protein khác nhau (nhưng có quan hệ với nhau một phần)

Hình 4.1 Các cách ghép đoạn exon ở gen troponin T.

Ở chuột, gen này có 18 exon, trong đó có 11 exon luôn được dùng, 5 exon (từ exon 4đến 8) được sử dụng trong các tổ hợp bất kì (kể cả không có exon nào), 2 exon còn lại (17

và 18) được dùng thay phiên nhau Cơ chế này giúp gen mã hóa troponin T có thể tạo ra 64loại mRNA hoàn thiện khác nhau Kết quả là mô cơ chứa rất nhiều loại protein troponin T.

Vd 2 Tuyến nước bọt của chuột tạo nhiều enzyme α-amylase hơn gan mặc dù cùngmột trình tự mã hóa được phiên mã Trong quá trình chế biến RNA, những phân tử mRNAkhác nhau được tạo ra vì sự loại bỏ những phần intron khác nhau

Ở mỗi loại tế bào (tế bào gan và tế bào tuyến nước bọt), cùng một bản phiên mã sơ cấp(primary transcript) được tổng hợp, nhưng có hai quá trình chế biến khác nhau Trình tự mãhóa bắt đầu 50 bp bên trong exon 2 được tạo thành nhờ nối với exon 3 và những exon tiếptheo Ở tuyến nước bọt bản phiên mã sơ cấp được chế biến để exon S nối với exon 2 (exon

L bị loại đi như là intron 1 và 2) Ở gan exon L nối với exon 2, exon S bị loại đi cùng vớiintron 1 Như vậy, exon S và exon L trở thành những trình tự 5' biến đổi của amylasemRNA và mRNA này được dịch mã ở những tỷ lệ khác nhau

Hình 4.2 Sự ghép nối các đoạn exon khác nhau ở gen quy định amylase

Vd 3 Một số gen khác còn có thể mã hóa cho nhiều sản phẩm hơn Chẳng hạn như,

các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra 1 gen ở ruồi giấm có thể ghép nối các exon theo nhữngcách khác nhau để có thể tạo nên trên 38.000 phân tử protein khác nhau, mặc dù trong thực

tế chỉ một số nhỏ protein trong số này được tổng hợp

2 Điều hòa biểu hiện gen bằng cách chọn vị trí gắn đuôi polyA khác nhau

Theo cơ chế này, các tế bào khác nhau chọn vị trí gắn đuôi polyA khác nhau Một số

tế bào chọn vị trí gắn đuôi polyA sớm dẫn đến việc phân tử mRNA trưởng thành thiếu một

số exon ở xa

Cơ chế này được dùng để sản sinh ra các kháng thể cùng nhận biết các phân tử khángnguyên lạ xâm nhập vào tế bào, nhưng có phần đuôi khác nhau Một lọai được tiết vào máu,còn loại khác được gắn lên màng tế bào

Vd Kiểu điều hòa này được tìm thấy ở gen Calcitonine Sản phẩm được tạo thành là

hai protein khác nhau:

 Calcitonine: được tìm thấy trong tế bào C của tuyến giáp.

 CGRP (Calcitonin Gene Related Peptide): là chất trung gian thần kinh được

tìm thấy trong não

Hình 4.3 Vị trí gắn đuôi polyA khác nhau sẽ tạo ra các sản phẩm khác nhau

http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt25/874.jpg

3 Điều hòa thời gian sống của một phân tử mRNA nhất định

Thời gian sống trong tế bào chất của các phân tử mRNA dài hay ngắn có vai trò quan

Các mRNA điển hình ở vi khuẩn thường bị các enzym phân giải chỉ sau vài phút kể từkhi chúng được tổng hợp, do đó vi khuẩn có thể thích ứng nhanh nhạy với những thay đổicủa môi trường Ngược lại, thời gian tồn tại của các phân tử mRNA trong tế bào eukaryotekhá bền vững, thường kéo dài nhiều giờ, nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần

Vd: Phân tử mRNA mã hóa cho các chuỗi hemoglobin (α-globin và β-globin) trong tếbào hồng cầu đang phát triển thường rất bền (thời gian bán hủy khoảng hơn 10h) và được sửdụng lại nhiều lần để tiến hành dịch mã

Tuy nhiên cũng có những loại mRNA có thời gian bán hủy chỉ 30 phút hoặc ít hơn.Thường đó là những mRNA mã cho các protein làm nhiệm vụ điều khiển hoạt động củagen

a Ảnh hưởng của đuôi polyA đến thời gian sống của mRNA

mRNA được tạo ra sau khi phiên mã có tính bền vững hay nhanh chóng bị phá hủy là

do đuôi polyA quyết định Đuôi polyA (~200 nucleotide A) được gắn vào mRNA eukaryotengay sau khi phiên mã ở trong nhân tế bào Tuy nhiên thay đổi độ dài của đuôi có thể xảy ratrong tế bào chất Một khi đã chuyển ra ngoài tế bào chất, đuôi này bị cắt ngắn dần Trongthực tế, không phát hiện được đuôi polyA nào ngắn hơn 30 nucleotide A Do đó đuôi polyAngắn nhất để phân tử RNAm không bị phân hủy có thể là 30 nucleotide A Như vậy, độ dàicủa đuôi polyA ảnh hưởng tới độ bền vững của phân tử RNAm hay nói cách khác đuôipolyA điều hòa thời gian sống của mRNA

Hình 4.4 Độ dài đuôi polyA ảnh hưởng đến độ bền vững của phân tử RNAm

b Cơ chế phân hủy phân tử mRNA

Nghiên cứu ở nấm men đã chỉ ra một con đường phân hủy mRNA phổ biến bắt đầu từviệc các enzym cắt ngắn dần đuôi polyA Một khi đuôi polyA đã bị cắt khoảng 10-20nucleotit, protein liên kết đuôi polyA (PABP) được giải phóng Việc này sau đó sẽ thúc đẩyhoạt động của các enzym loại bỏ mũ ở đầu 5’ (hai đầu 5’ và 3’ của phân tử mRNA khi tồntại được giữ lại với nhau bởi một số protein) Việc loại bỏ mũ đầu 5’ là một bước quan trọngtrong phân giải mRNA và được điều hòa bởi một trình tự các nucleotit đặc thù trên phân tửmRNA Khi đầu 5’ được loại bỏ, các nuclease sẽ nhanh chóng phân hủy mạch mRNA cònlại theo chiều 5’ ->3’

Hình 4.5 Các con đường phân hủy mRNA

http://bioweb.uwlax.edu/GenWeb/Molecular/Theory/Reg%20of%20gene%20expression/cell%20reg.htm

c Ảnh hưởng của các trình tự trong mRNA lên thời gian sống của nó

Sự bền vững của mRNA phụ thuộc vào tính ổn định của các trình tự trong phân tử.Các phân tử mRNA eukaryote kém bền (có thời gian sống ngắn) do chúng mang các trình tựnucleotide đặc biệt (khoảng 50 nucleotit giàu A-U, gọi là ARE) tại vùng đầu 3’ không đượcdịch mã (3’UTR) Các ARE thường có sự lặp lại nhiều lần của trình tự 5’-AUUUA-3’ Mộtloại protein chuyên biệt sẽ nhận biết ARE và thúc đẩy việc loại đuôi polyA khỏi phân tửmRNA, kích thích sự phân hủy mRNA

Thực nghiệm cho thấy khi đoạn nucleotide giàu A và U ở vùng 3' không dịch mã của