các cơ chế điều hòa biểu hiện gen ở tế bào Prokaryote

Chương Các chế điều hòa biểu gene tế bào Prokaryote • Điều hoà biểu gene & • Điều hoà dịch mã Câu hỏi •  •  •  •  •  •  Gene gì? Tại gene lại biểu hiện? Khi gene biểu hiện? Gene biểu mức độ nào? Tế bào kiểm soát biểu hiện? Tại tế bào khác lại có mô hình biểu gene khác nhau? •  Tại gene biểu tế bào mà tế bào khác? Điều hòa biểu gene Gene RNA Protein Sự biểu hoạt động gene Các trình điều hòa Các trình điều hòa Điều hòa biểu gene Prokaryote Ở mức độ phiên mã: 1. Lac operon 2. Trp operon 3. Điều hoà tầng Ở mức độ dịch mã: 1. Khởi đầu dịch mã 2. Kéo dài dịch mã 3. Tốc độ phân rã mRNA • Quá trình điều hoà đòi hỏi đáp ứng nhanh với thay đổi môi trường • Điều hoà dương tính: hoạt hoá hoạt động gen • Điều hoà âm tính: ức chế/ kìm hãm hoạt động gen • Sự tự điều hoà: protein tự điều hoà trình phiên mã Tóm tắt điều hòa phiên mã Prokaryote •  Genome: DNA dạng vòng, trần không chứa protein histon à không hình thành cấu trúc NST •  Các gene thường tập trung thành cụm chịu kiểm soát operon (VD: gene liên quan đến trình tổng hợp amino acid định) •  RNA thường polycistronic: nhiều protein mã transcript •  Vùng điều khiển hoạt động phiên mã vùng trình tự (concensus sequence) nằm vị trí khoảng -35 -10 upstream RNA pol nhận ra, bám vào để thực phiên mã -35 (TTGACA) -10 (TATAAT / Pribnow-box) Tóm tắt điều hòa phiên mã Prokaryote •  Hoạt tính RNA pol điều hòa trình tương tác với protein khác (tăng cường giảm (activator repressor) •  Trong nhiều trường hợp, khả tiếp cận vùng promoter điều hòa tương tác protein với vùng trình tự gọi operator •  Ở hầu hết operon, vùng operator vùng nằm gần với promoter Trong hầu hết trường hợp vùng operator gắn với protein ức chế (repressor) •  Có mô hình điều hòa E.coli điển hình liên quan đến hoạt động protein ức chế •  Dạng mô hình phụ thuộc vào operon tạo sản phẩm gene cần thiết cho việc sử dụng lượng, gọi operon điều hòa trao đổi chất (VD: lac operon) •  Dạng mô hình điều hòa liên quan đến tạo sản phẩm cần thiết cho tổng hợp phân tử nhỏ (amino acid) Sự biểu gene dạng bị giảm (attennuated) trinh tư có mặt phân tử RNA phiên mã (VD: tryp operon) 10 Chức vùng điều khiển locus hoạt hóa chromatin 65 Liên hệ Methyl hóa DNA cấu trúc chromatin •  Các protein tham gia vào trình phiên mã gắn với vùng CpGs methyl hóa •  MeCP2 (methyl CP binding protein 2) Khi MeCP2 gắn với CpG methyl hóa dẫn đến ức chế phiên mã •  Khi MeCP2 bị phoshoril hóa gắn với DNA với lực thấp (lỏng lẻo) Khả gắn MeCP2 với DNA phụ thuộc vào trạng thái phosphoril hóa Khi MeCP2 bị phosphoril hóa à hoạt hóa cấu trúc chromatin à phiên mã diễn •  Thiếu protein MeCP2 dẫn đến hội chứng Rett syndrome 66 Rett syndrome thường gặp nữ •  Rối loạn phát triển thần kính •  Chậm chạp, •  Trí tuệ chậm phát triển •  Giảm khả nói, diễn đạt 67 Cải biến protein histon Sự cải biến protein histon bao gồm •  methylation •  acetylation, •  phosphorylation 68 Cải biến histon •  Acetyl hóa histon thường gặp cấu trúc chromatin hoạt động (active) phiên mã thường xuyên xảy vùng histon acetyl hóa •  Ngược lại, histon không acetyl hóa thường gắn với vùng heterochromatin hoạt động phiên mã không xảy 69 70 Deacetyl hóa •  Deacetyl hóa dẫn đến ức chế hoạt động gene 71 72 73 Cải biến histon •  Phosphoril hóa xảy trước tiên đáp ứng tín hiệu bên ngoài: yếu tố kích thích sinh trưởng, sốc nhiệt, stress •  Tầm quan trọng phosphoril hóa histon kiểm soát hoạt động gene thể rõ hội chứng Coffin-Lowry •  Bệnh sai hỏng gene RSK2 mã hóa cho enzyme phosphoril hóa histone Coffin-Lowry hội chứng dạng chậm phát triển trí tuệ liên kết với NST X: giảm khả nghe, chậm phát triển, nhận thức chậm chủ yếu ảnh hưởng nam giới 74 75 Tháo xoắn phiên mã •  Gene mã hóa cho β-globin người gà Gene gồm cluster, trải rộng khắp 50,000 nucleotide, phiên mã tế bào máu Mỗi gene “bật” giai đoạn phát triển khác quan khác •  Một loạt protein điều hòa cần thiết cho việc “bật” gene phải có mặt không gian thời gian Toàn cụm gene điều khiển “bật tắt” liên quan đến hoạt hóa chromatin •  Bằng chứng: Kiểm tra độ mẫn cảm gene globin với DNase I Ở tế bào gene globin không biểu hiện, DNA gene hoàn toàn kháng với DNase I à chứng tỏ chúng bao bọc chặt cấu trúc chromatin Đối với tế bào biểu globin, toàn cụm gene trở lên nhạy cảm với DNase I 76 A.  giai đoạn hoạt hóa cụm gene globin Giai đoạn 1: cấu trúc chromatin bị cải biến, giảm mức độ xoắn ! lỏng lẻo B Giai đoạn 2: protein điều hòa có mặt gắn vào vị trí cải biến 77 Chức vùng điều khiển locus hoạt hóa chromatin 78 Tài liệu tham khảo 79 [...]... (xanh) 3.  gene mã hóa cho T7 RNA polymerase (hồng) 4.  lac inducer (xanh) 5.  Genome tế bào chủ (đen) 33 pET vector •  Gene kháng kháng sinh (ampR) •  Gene lacI (xanh đậm) •  T7 transcription promoter (đỏ) •  Vùng lac operator (xanh nhạt) ở đầu 3’ của PT7 •  Vùng polylinker (đen) •  2 điểm khởi đầu sao chép: f1 origin và điểm khởi đầu sao chép truyền thống pR322 pET vector 34 Điều hòa biểu hiện gene pET... promoter, nơi các protein điều hoà bám vào •  A repressor (~proteins) bám vào một trình tự DNA nhất định để xác định vị trí gene cụ thể được hay không được phiên mã •  Gene điều hoà mã hoá cho các repressor protein • Operon được phiên mã thành polycistronic mRNA • Ba yếu tố chính tham gia điều hoà số lượng RNA được tạo ra: ü  Trình tự nucleotide nằm bên trong hoặc bên ngoài gene ü  Proteins bám vào các trình... 3 gene: lac z, lac y, và lac a •  β-galactosidase được mã hoá bởi gene lac z •  β-galactosidase thuỷ phân lactose thành glucose và galactose Gene lac z lac y lac a Chức năng β-galactosidase β-galactosidase permease transacetylase Cơ chế Lactose trong E coli •  Lactose là nguồn carbon thứ cấp •  Lactose được thuỷ phân thành monosaccharide Phản ứng thuỷ phân lactose bởi β-Galactosidase Điều hoà bởi...MÔ HÌNH ĐIỀU HOÀ CẢM ỨNG (Lac OPERON) 11 OPERON •  Operon là một nhóm các gene được phiên mã cùng một thời điểm •  Operon thường điều khiển quá trình hoá sinh quan trọng •  Operon CHỈ tìm thấy ở Prokaryote • Jacob, Monod & Lwoff • © NobelPrize.org •  Operon Vi khuẩn •  Gene cấu trúc: mã hoá cho các gene từ một mRNA (Polycistronic) •  Promoter – nơi RNA... origin và điểm khởi đầu sao chép truyền thống pR322 pET vector 34 Điều hòa biểu hiện gene pET vector 35 “Leak” •  Tế bào chủ: T7 polymerase được điều khiển bởi lac Operon •  Hiện tượng “leak” hoặc “residual expression” của T7 pol xảy ra •  Khắc phục với các protein “toxic” đối với tế bào •  Một gene mã hóa cho lysozyme sẽ phân giải lượng T7 pol (basal level) 36 ... bắt đầu phiên mã • Represso r protein   • DN A   • I   • Regulato r gene   • O   • Operato r site   • RNA polymerase   • Blocke d   • z   • y   • lac operon   • a   Khi có mặt Lacotose •  Một lượng nhỏ đường allolactose được tạo ra trong tế bào vi khuẩn; gắn vào vị trí repressor protein ở vị trí hoạt hoá khác (vị trí allosteric) •  Điều này làm cho repressor protein thay đổi hình dạng của nó (thay đổi... RNA polymerase có thể bám vào vị trí promoter • DNA • I   • O   • z   • y   • a   Khi có mặt Lacotose •  Một lượng nhỏ đường allolactose được tạo ra trong tế bào vi khuẩn; gắn vào vị trí repressor protein ở vị trí hoạt hoá khác (vị trí allosteric) •  Điều này làm cho repressor protein thay đổi hình dạng của nó (thay đổi cấu hình) Nó sẽ định vị trên vùng operator RNA polymerase có thể bám vào vị trí promoter... mặt Glucose •  E coli CHỈ tạo ra enzyme để chuyển hoá các đường khác trong khi vắng mặt đường glucose • Activator protein steadies the RNA polymerase   • DN A   • I   • Transcription   • O   • z   • y   • Promotor site   • a   Ảnh hưởng kết hợp Glucose và Lactose trên lac Operon •  Lactose thấp, repressor bám vào: ức chế •  Lactose cao, repressor ức chế nhưng vẫn cho phiên mã •  Glucose cao, CRP không... Bám vào vị trí operator Bị khoá bởi repressor Không phiên mã - GLUCOSE - LACTOSE Bám vào DNA Bám vào vị trí operator Bị khoá bởi repressor Không phiên mã - GLUCOSE + LACTOSE Bám vào DNA Rời khỏi vị trí operator Bám vào vị trí promoter Phiên mã Lac operon 29 30 Hiện tượng ức chế trao đổi chất (catabolite repressor) •  Glucose + lactose à lac operon không hoạt động ? •  Glucose giảm à cAMP tăng • ... receptor protein (CRP) là một protein điều hoà dương của lac operon • cAMP: cyclic adenosine monophosphate • TÓM TẮT Carbohydrates Activator protein Repressor protein RNA polymerase lac Operon + GLUCOSE + LACTOSE Không bám vào DNA Rời khỏi vị trí operator Rời khỏi vị trí promoter Không phiên mã + GLUCOSE - LACTOSE Không bám vào DNA Bám vào vị trí operator Bị khoá bởi repressor Không phiên mã - GLUCOSE ... hình biểu gene khác nhau? •  Tại gene biểu tế bào mà tế bào khác? Điều hòa biểu gene Gene RNA Protein Sự biểu hoạt động gene Các trình điều hòa Các trình điều hòa Điều hòa biểu gene Prokaryote. ..• Điều hoà biểu gene & • Điều hoà dịch mã Câu hỏi •  •  •  •  •  •  Gene gì? Tại gene lại biểu hiện? Khi gene biểu hiện? Gene biểu mức độ nào? Tế bào kiểm soát biểu... tính: hoạt hoá hoạt động gen • Điều hoà âm tính: ức chế/ kìm hãm hoạt động gen • Sự tự điều hoà: protein tự điều hoà trình phiên mã Tóm tắt điều hòa phiên mã Prokaryote •  Genome: DNA dạng vòng,