Điều hòa và biểu hiện gen ở sinh vật bậc cao

Trong nhiều trường hợp, hoạt tính của gene được điều hòa ở mức độ phiên mã, cả qua những tín hiệu bắt đầu bên trong tế bào và cả phản ứng với những điều kiện bên ngoài.. - Điều hòa phiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

GV HD : PGS TS Khuất Hữu Thanh

HV : Bùi Văn Hiệu

Điều hòa và biểu hiện gen

ở sinh vật bậc cao

Đặt vấn đề

Như chúng ta đã biết cơ chế hoạt động của ba quá trình thiết yếu cho sự tồn tại của

tế bào, đó là sự sao chép, phiên mã và dịch

mã Sự trao đổi chất liên tục giữa tế bào và môi trường ngoài là một trong những đặc tính cơ bản của sự sống Đối với tế bào prokaryote, môi trường này là tập hợp các nhân tố lý hóa bao quanh tế bào, còn đối với

tế bào eukaryote, đó là tập hợp các tế bào lân cận Như vậy nảy sinh một vấn đề lớn: bằng cách nào tế bào điều chỉnh hoạt động của mình cho phù hợp với các biến đổi của môi trường ngoài để có thể tồn tại thích ứng

Tất cả các loài, dù là sinh vật nhân sơ hay sinh vật nhân thật, đều phải điều hòa biểu hiện các gen của chúng vào đúng những thời điểm nhất định Và không phải tất cả các gene đều có biểu hiện liên tục, thông tin di truyền được điều hòa theo những cách khác nhau

Trong bài tiểu luận này chúng tôi xin

được trình bày về: “Cơ chế điều hòa hoạt

động và biểu hiện gen ở sinh vật bậc cao”.

Không phải tất cả các gene đều có biểu hiện liên tục Mức độ biểu hiện của gene khác nhau giữa các tế bào khác nhau theo giai đoạn trong chu trình tế bào

Hoạt tính của gene khác nhau theo chức năng tế bào Ở động vật có xương sống như chuột, chứa khoảng 200 loại

tế bào được phân hóa chức năng khác nhau

Trong nhiều trường hợp, hoạt tính của gene được điều hòa ở mức độ phiên mã, cả qua những tín hiệu bắt đầu bên trong tế bào và cả phản ứng với những điều kiện bên ngoài Tuy nhiên thông tin di truyền được điều hòa theo những cách khác nhau

I Nguyên lý chung

Các bước điều khiển hoạt động gene bao gồm:

- Cấu trúc lại DNA, trong đó những thay đổi biểu hiện gene phụ thuộc vào vị trí trình tự DNA trong genome

- Điều hòa phiên mã trong tổng hợp bản phiên mã RNA bằng sự điều khiển, sự mở đầu và sự kết thúc

- Quá trình chế biến RNA hoặc điều hòa qua quá trình cắt-nối trên RNA (RNA splicing)

- Điều hòa dịch mã quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid

- Sự bền vững của mRNA

II Cơ chế và biểu hiện gen của sinh vật bậc cao

Có nhiều cơ chế hoạt động

và biểu hiện gen khác nhau:

1 Điều hòa và biểu hiện bằng thay

đổi cấu trúc NST hay cấu trúc

phân tử DNA

2 Điều hòa ở mức độ phiên mã

3 Cắt bỏ intron, nối exon (Splicing)

4 mARN gắn với một số protein

đặc hiệu xuyên qua lỗ nhân ra

bào tương

5 Huỷ các mARN không được

dùng để dịch mã

6 Dịch mã, tổng hợp Protein

7 Biến đổi protein

8 Điều hòa bằng cơ chế phân hủy

Protein

Các giai đoạn biểu hiện của gen có thể được điều hòa

ở sinh vật nhân thật

• Sự biến đổi hóa học của các histone và DNA của chromatin có ảnh hưởng đến cấu trúc của chromatin và sự biểu hiện của gen

1 Điều hòa và biểu hiện gen bằng thay đổi cấu trúc

NST hay cấu trúc phân tử DNA

a Sự Acetyl hóa histone

Nhóm acetyl được gắn vào lysine tích điện dương trong đuôi histone → chromatin tháo xoắn → phiên mã

Sự acetyl hóa histon

Có thể tóm tắt các bước chung của quá trình hoạt hoá một gen ở Eukaryote như sau:

1 Một yếu tố phiên mã nào đó gắn vào DNA

2 Enzym histone acetyl transferase gắn vào yếu tố phiên mã.

3 HAT (enzyme histon acetyl transferase) acetyl hoá các histon kế cận nhau làm cho các mối liên kết của histon bị nới lỏng.

4 Phức hệ tái cấu trúc nhiễm sắc chất làm trượt hoặc tái cấu trúc nucleosome, cho phép DNA được bộc lộ.

5 Các yếu tố phiên mã khác gắn vào DNA

6 RNA polymerase gắn vào DNA

7 Quá trình phiên mã được khởi động khi xuất hiện một tín hiệu dương tính được truyền tới thông qua phức

hệ trung gian từ một hay nhiều các yếu tố phiên mã đặc biệt.

b Sự methyl hóa DNA

Nhóm methyl được gắn vào chromatin Sự gắn thêm nhóm phosphate gần các acid amin bị methyl hóa sẽ làm cho chromatin tháo xoắn

Trong các sinh vật đa bào, metyl hoá ADN là một dấu hiệu biểu hiện gen liên quan tới sự biệt hoá của mô tế bào Trình tự nhận biết cho sự metyl hoá rất ngắn, ở động vật thường là CG còn ở thực vật

là CNG

Sự Methyl hóa ADN

Tắt gen là một thuật ngữ khá mơ hồ nó liên quan đến sự biểu hiện của một số lượng tương đối lớn các gen không theo kiểu đặc biệt nào

Sự tắt gen tương đối hạn chế đã được biết đến

ở vi khuẩn Tuy nhiên sư tắt gen là tương đối phổ biến ở sinh vật bậc cao nó liên quan tới sự thay đổi của cả DNA và histon Tắt gen ảnh hưởng đến từng gen riêng biệt, một cụm gen, một vùng của NST hoặc thậm chí toàn bộ NST

Tắt gen gây ra bởi sự metyl hóa DNA

II Điều hòa hoạt động gen bằng kiểm soát phiên mã

Trước khi xem bằng cách nào các tế bào sinh vật bậc cao có thể điều khiển quá trình phiên mã thì chúng

ta cần tìm hiểu cấu trúc của một gen điển hình ở sinh vật bậc cao và phiên bản mã của nó

Sơ đồ cấu trúc của một gen điển hình ở sinh vật bậc cao và phiên bản mã

II.1 Điều hòa biểu hiện bằng các trình tự tăng cường (Enhancer) phiên mã:

Một số yếu tố trình tự điều khiển, gọi là các yếu

tố điều khiển gần, nằm ngay gần protmoter, còn các yếu tố điều khiển xa nằm cách promoter một đoạn

xa hơn và chúng tập hợp thành một nhóm được gọi

là các trình từ tăng cường (enhancer)

Mô hình hoạt động của enhancer và các yếu tố hoạt hóa phiên mã

II.2 Phức hệ trung gian truyền tín hiệu tới RNA

polymerase:

Ở sinh vật bậc cao, thì các yếu tố phiên mã chúng đảm nhiệm cả 2 chức năng nhận diện và gắn vào promoter

• Các yếu tố hoạt hoá ở sinh vật bậc cao như là các yếu tố hỗ trợ RNA polymerase di chuyển lên phía trước kể từ vị trí promoter trong quá trình phiên mã

• Các yếu tố trung gian là các phức protein có khả năng gắn với phần phía trên của RNA polymerase

II do RNA polymerase có các vị trí đặc hiệu gắn cho các yếu tố này đặcbiệt đối với các yếu tố có khả năng liên kết với các enhancer

Ví dụ, các yếu tố trung gian hoạt động theo kiểu điều hòa dương tính:

Các protein hoạt hoá và các yếu tố trung gian

A) Sự tạo thành cấu trúc vòng của DNA cho phép các yếu tố hoạt hoá đã gắn vào enhancer có thể tiếp cận tới bộ máy phiên mã

B) Phức hệ trung gian cho phép sự liên hệ giữa các yếu tố tăng cường và các yếu tố kìm hãm với RNA polymerase.

II.3.Protein hoạt hóa (activator protein):

Protein hoạt hóa kết hợp với nhau, gắn với trình

tự enhancer (enhanceosome) và các nhân tố phiên

mã, enzyme RNA polymerase II kích hoạt quá trình phiên mã Các protein hoạt hóa gắn càng nhiều trình

tự enhancer, phiên mã càng mạnh, có thể cực đại

Các activator protein gắn với nhiều enhancer Cấu trúc đoạn gen ở vị trí các protein bám dính

III Sự cắt nối các intron và exon

• Cắt rời các intron và nối các exon lại với nhau nhờ

spliceosome (gồm snRNP và các protein)

• Hai Nu đầu tiên GU ở đầu 5’ và AG ở đầu 3’ của mỗi

intron là vị trí nhận biết để cắt intron ra khỏi phân tử tiền mARN

Ba bước của cơ chế cắt-nối (splicing) pre-mRNA sinh vật bậc cao (1) lắp mũ 5’ (xảy ra cùng lúc phiên mã); (2) tách bỏ và gắn đuôi poly(A); và (3) splicing (xảy ra trong nhân trước khi mRNA đi ra tế bào chất)

Cơ chế chi tiết của quá trình cắt nối các intron và exon ở sinh vật bậc cao

A.Bản chất hoá học của sự

cắt-nối mRNA gồm hai phản ứng

ester hoá chéo - trao đổi một

liên kết phosphodiester cho

một cái khác – không được xúc

tác bởi các enzyme thông

thường

B.Nối các exon và giải phóng

intron dưới dạng RNA vòng

(thòng lọng: Lariat)

C Dinucleotide GU và AG “chuẩn” ở hai

đầu mút mỗi intron cho thấy các vị trí

cho và nhận nằm bên trong các trình tự

liên ứng được bảo tồn; snRNA U1 nhận

biết vị trí cho và snRNA U2 bán vào vị

trí bên (theo kiểu tương tác cặp base)

Y = U hoặc C chỉ cho pyrimidine; N = nucleotide bất kỳ

D Sự tụ họp của bộ máy splicing

(spliceosome), với 4 bước: (1) U1và U2 bám vào các snRNP; (2) Sự bám vào của U4, U5, U6; (3) U1 được giải phóng trước và kế đó là U4; (4) U6 bám vào vị trí splice 5’ và hai phản ứng cắt-nối xảy

ra, được xúc tác bởi các snRNP U2 và U6

IV- mARN xuyên qua lỗ nhân ra bào tương

mARN gắn với 1 số protein đặc hiệu hnRNP ,nhận diện lỗ nhân nhờ các thụ thể bên trong màng nhân, xuyên màng nhân ra ngòai bào tương theo hướng 5’- 3’

V - Hủy mARN (nếu mARN không được dịch mã)

• Nếu mARN không được dịch mã, tức không có quá trình tổng hợp protein, thì dưới tác dụng của ribonuclease ,sẽ phân hủy phân tử mARN này

• Sự thoái hóa mRNA là một cơ chế kiểm soát chủ yếu trong biểu hiện gen ở sinh vật bậc cao, thời gian tồn tại của mRNA phụ thuộc vào độ dài trình tự AU ở vùng 3’ không dịch mã và sự khử đuôi poly A Hầu hết các tế bào của sinh vật đa bào tồn tại trong một môi trường khá ổn định và thực hiện một hệ những chức năng đặc trưng trong một khoảng thời gian từ vài ngày đến vài tháng, thậm chí là trong cả cuộc đời của sinh vật

Các mRNA trong tế bào chất có thể được phân hủy bởi nhiều con đường khác nhau, phụ thuộc vào sự deacetyl hóa, mức độ deacetyl hóa sẽ kiểm soát mức

độ phân hủy

Các con đường phân hủy mRNA ở sinh vật bậc cao

VI - Dịch mã, tổng hợp protein

• Dịch mã là quá trình giải mã thông tin di truyền từ mARN để tạo thành protein tương ứng

• Ngoài mARN ,thì 2 nhân

tố quan trọng khác tham gia quá trình dịch

mã là ribôxôm và ARN vận chuyển

Diễn biến chính gồm họat hóa acid amin và dịch

mã tại ribôxôm

Họat hóa acid amin và gắn nó vào tARN

+ Quá trình họat hóa diễn ra ở tế bào chất

+ Mỗi acid amin(aa) sẽ kết hợp đồng hóa trị với tARN đặc hiệu nhờ năng lượng của ATP, được xúc tác bởi aminoacyl-tARN Mỗi enzyme đặc hiệu cho 1

aa và những tARN ứng với aa đó

Dich mã tại Riboxom gồm 3 giai đọan

– Mở đầu

– Kéo dài

– Kết thúc

Giai đoạn mở đầu

1 Bán đơn vị nhỏ của ribosome gắn với mARN

và Met – tARN

2 Bán đơn vị nhỏ di chuyển dọc theo mARN

đến khi gặp mã mở đầu (AUG)

3 Một proteins gọi là yếu tố mở đầu (IF =

initiation factor) mang bán đơn vị lớn đến gắnvào → phức hệ mở đầu

Giai đoạn kéo dài

• Trong giai đoạn này, các acid amin lần lượt được gắn vào acid amin trước đó

• Mỗi acid amin được gắn thêm vào nhờ có sự

hỗ trợ của các protein gọi là yếu tố kéo dài (EF

GIAI ĐOẠN KẾT THÚC (TERMINATION)

• Phiên mã sẽ kết thúc khi một stop codon trongmARN đi vào vị trí A của ribosome

• Một protein gọi là yếu tố phóng thích (RF =

release factor) đi vào vị trí A làm gắn thêm mộtphân tử nước thay vì một acid amin

• Phản ứng này làm phóng thích chuỗi

polypeptide và hai bán đơn vị của ribosome

tách nhau ra

IV.1 Một số protein điều khiển có thể là nguyên nhân kìm hãm quá trình dịch mã

• Một số protein điều khiển có thể liên kết vào những trình

tự đặc hiệu trên mRNA và điều khiển quá trình dịch mã Những phản ứng của mRNA với sắt dưới đây là một ví

dụ về sự kìm hãm quá trình dịch mã

Điều hòa sự dịch mã của ferritin mRNA bằng IRP

IV.2 Một số protein điều khiển có thể là hoạt hóa quá trình dịch mã

Điều khiển dịch mã tích cực được sử dụng để

kiểm soát sự tổng hợp protein trong lục lạp sau khi được ánh sáng kích thích Tổng hợp của nhiều protein lục lạp càng nhiều càng tốt gấp hàng trăm lần bởi ánh sáng Các mức độ của một số protein này được kiểm soát bằng sự phiên mã, một số khác bằng dịch mã

Sự hoạt hóa quá trình dịch mã mRNA lục lạp

IV.3 Ảnh hưởng của tiểu RNA

(miRNA ) đến sự dịch mã mRNA

• Từ năm 1993, một số nghiên

cứu đã phát hiện ra các phân

tử RNA mạch đơn kích thước

nhỏ, gọi tắt là tiểu - RNA

(miRNA hay microRNA) có khả

năng liên kết vào các trình tự

bổ sung với nó trên các

mRNA

Cơ chế điều hòa biểu hiện gen bởi các miRNA

VII – Biến đổi Protein

• Thông thường một mARN được gắn cùng một lúc với nhiều ribosomes, tạo thành

• Thông thường chuỗi polypeptid vừa được giải mã chưa thể thực hiện chức năng

• Sau khi được tổng hợp, chuỗi polypeptide còn phải được biến đổi: acid amin mở đầu, một số đoạn của chuỗi polypeptid bị cắt bỏ, protein biến đổi cấu hình, gắn them một số chức hóa học như acetat, photphat , lập cầu nối disulfide hoặc cắt

bỏ 1 đọan peptid ở giữa protein.

VIII – Phân hủy Protein

• Cơ hội cuối cùng cho sự điều hòa biểu hiện gen diễn

ra ở giai đoạn sau dịch mã Thông thường các chuỗi polypeptide ở sinh vật nhân thật phải trải qua giai đoạn hoàn thiện để thu được dạng phân tử protein biểu hiện chức năng Ngoài ra nhiều protein phải trải qua nhiều biến đổi hóa học mới chuyển sang dạng biểu hiện chức năng

• Các protein điều hòa thường được hoạt hóa hoặc bất hoạt một cách phổ biến tương ứng bằng việc được gắn thêm nhóm phosphate (phosphoryl hóa) hoặc loại bớt đi nhóm phosphate (loại phosphoryl hóa), trong khi đó các protein được chuyển đến bề mặt tế bào động vật thường được gắn thêm các gốc đường

• Các protein bề mặt tế bào và nhiều protein khác phải được vận chuyển đến đích ở trong tế bào là nơi chúng

có thể biểu hiện chức năng

• Sự biểu hiện của gen có thể xuất hiện trong mỗi bước liên quan đến quá trình hoàn thiện và vận chuyển protein trước đây

• Để đánh dấu một protein đặc thù cần được phân giải, theo một cơ chế phổ biến, tế bào gắn vào protein đó một phân tử protein nhỏ gọi là ubiquitin Sau đó một phức hệ protein kích thước “khổng lồ” có tên là thể phân giải protein (proteosome) sẽ nhận ra các protein được đánh dấu bằng ubiquitin và phân giải chúng.