Giáo trình các chất điều hòa sinh trưởng thực vật nguyễn như khanh, nguyễn văn đính pdf

NHẬP MÔN Trong cơ thể đa bào luôn tồn tại, phát triển và hoàn thiện theo tiến trình tiến hoá các hệ thống điều hoà, đảm bảo thực hiện sự tương tác giữa các quá trình phát sinh hình thái

NGUYỄN NHƯ KHANH (Chủ biên)

NGUYÊN VĂN ĐÍNH

GIAO TRINH

HE TUN

THỰP VÑT

PGS TS NGUYEN NHU KHANH (Chi bién)

TS NGUYEN VAN DINH

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình Các chất điều hoà sinh trưởng thực uật là giáo trình thuộc chuyên ngành Sinh lý học thực vật ở các trường Đại học Sư phạm

và các trường khác Giáo trình cập nhật những kiến thức mới nhất (đến nam 2010) vé các chất điều hoà sinh trưởng là hormon thực vật, những

chất tự nhiên khác và những chất được con người tổng hợp nên có tác động điều hoà sinh trưởng thực vật Giáo trình cập nhật kiến thức hiện

đại về cd chế sinh tổng hợp, các con đường vận chuyển trong cơ thể thực

vật và cơ chế tác động của các chất điều hoà sinh trưởng đối với các chức

năng sinh lý, trao đổi chất của cơ thể thực vật Giáo trình cũng giới

thiệu khái quát về các hệ điểu hoà khác tổn tại trong cơ thể thực vật nhằm làm sáng tỏ vai trò và vị trí của hệ điều hoà hormon giữa các hệ điều hoà khác đảm bảo cho sự hoạt động hài hoà các chức năng sống của

cơ thể thực vật Trong giáo trình cũng giới thiệu các thành tựu ứng dụng các chất điều hoà sinh trưởng vào hoạt động sản xuất của con người Ở lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trong nghề làm vườn và lâm nghiệp

Sách phục vụ cho sinh viên và học viên cao học của các khoa Sinh học, Sinh học - Kỹ thuật nông nghiệp, Sinh — Hoá học và Sinh học - Môi trường trong các trường Đại học, Cao đẳng Sư phạm, sinh viên các chuyên ngành có liên quan đến sinh học thực vật thuộc các trường Đại

Sách cũng rất bổ ích cho giáo viên trung học trong việc nâng cao kiến thức sinh học thực vật nói chung, đặc biệt, sinh học cơ thể thực vật liên quan đến những kiến thức về hormon thực vật, cảm ứng, sinh trưởng phát triển và sinh sản thực vật thuộc chương trình Sinh học lớp

11 và điều hoà hoạt động gen thuộc chương trình Sinh học lớp 12 é trường THPT, cũng như chương trinh Sinh hoc 6 va chương trinh Sinh

Phân công biên soạn:

GSTS Nguyễn Như Khanh, chủ biên và tham gia viết các chương 1, 2,3,4,6, 7, 8

TS Nguyễn Văn Đính tham gia viết chương 3 và chương 9

Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn nhưng sách cũng không thể tránh khởi nhưng sai sót, các tác giả rất mong sự đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp, các sinh viên và các bạn đọc để lần tái bản sau sách được tốt hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Công ty cổ phần sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam,

25 Hàn Thuyên, Hà Nội

Xin trân trong cam on

CAC TAC GIA

Chuong 1 TONG QUAN VE CAC HE DIEU HOA TRONG CO THE THUG VAT

4.1 Khai niém chung

1.2 Điều hoà nội bào

uong 2 AUXIN

Lược sử phát minh auxin reeeeoeerenterrrnrerrrerrrerregrrer

Phân bố, sinh tổng hợp, dạng tồn tại, phân giải và vận chuyển

2.2.1 Phân bố "

2.2.2 Sinh tổng hợp

2.2.3 Dạng tồn tại của AIA trong cơ thể thực vậ 2.2.4 Sự phân giải FT .aaa.a.a.aaố 88 2.2.5 Vận chuyén AIA trong cay “ 2.3 Hiệu ứng sinh lý sinh trưởng và phát triển của auxin

2.4.1 Cấu trúc chung của hợp chất có đặc tính sinh lý như auxin

2.4.2 Sự phù hợp cấu trúc giữa auxin và chất nhận nó

2.4.3 Hiện tượng đối kháng và hợp lực

Chương 3 GIBBERELLIN

3.1 Lược sử phát hiện gibberellin -.-eeeee+

3.2.1 Cấu trÚC -.- 222222 nhthtrưrrrtttretrtttrHtttHtrtrdrrttrrttttrfftrffffftfffftffttftTTf 157

3.2.2 Sinh tổng hợp 159 3.2.3 Vận chuyển gibberellin trong cay 185 3.2.4 Dang tồn tại của gibberellin trong cơ thể thực vật, 185

3.3 Hiệu ứng của gibberellin đến sinh lý sinh trưởng và phát triển của thực vật 186

iệu ứng sinh học của các xy! Kinin

4.3.1 Hiệu ứng của xytokinin ở ở cấp độ ci

4.3.2 Hiệu ứng của xytokinin Ở ở cấp độ tế bào

4.3.3 Hiệu ứng của xytokinin ở cấp độ phân tử

Chương 5 ETYLEN

5.1 Lược sử phát hiện etylen

5.2 Phân bổ, cấu trúc và tính chất, sinh tổng hợp

5.2.4 Các tác nhân ảnh hưởng đến sinh tổng hợp sulen

5.2.5 Phan gai va liên kết etylen

` 2.6 Vận chuyển của etylen

3 Hiệu ứng sinh lý \ và phát triển của etylen

5.3.1 Hiệu ứng của etylen ở cấp độ cơ thể “ 5.3.2 Hiệu ứng của etylen ở cấp độ tế bào và phân tử cehirrrrrrie 265

Chuong 6 AXIT ABXIXIC

6.1 Lược sử phát hiện axit abxiXỈC e-eeerrrerrriiiiirrrrir °Š° 274

6.2 Cấu trúc, phân bố, sinh tổng hợp, trao đổi và vận chuyển ABA ương cay

1.4 Sinh tổng hợp

7.1.5 Hiệu ứng sinh học ve 7.2 Polyamin „327

7.2.1 Sinh tổng hợp polyamin

7.2.2 Dị hoá polyamin

7.3 Axit jasmonic He

7.3.1 Lược sử nghiên cứu và cấu trúc hoá học của axit jasmonie

7.3.2 Sinh tổng hợp (—)-axit jasmonic

7.4 Axit salixylic

7.4.1 Lược sử p y “

7.4.2 Sinh tổng hợp axit Salixylic "¬

7.4.3 Hiệu ứng sinh học của axit salixylic

hương 8 TƯƠNG TÁC GIUA CAC PHYTOHORMON VA cũ CHE TAC DỤNG CUA CHUNG

1 Tương tác cạnh tranh tiền chất và phân nhánh trong sinh tổng hợp phytohormon

2 Tương quan giữa các hormon kích thích và ức chế sinh trưởng

3, Tương quan giữa các hormon kích thích

hương 9 CÁC CHAT DIEU HOA SINH TRƯỜNG TONG HOP VA UNG DUNG

1 Cac chat diéu hoà sinh trưởng tổng hợp

9.1.1 Auxin tổng hợp (nhân tạo)

9.1.2 Các đối chất của gibberellin (antigibberell

9.2.3 GibberellÏn cu Hy

9.2.4 Xytokinin

9.2.5 Etylen

9.2.6 Các chất làm cham sinh trưởng (retardant)

9.2.7 Axit salixylic (AS)

Tài liệu tham khảo

NHẬP MÔN

Trong cơ thể đa bào luôn tồn tại, phát triển và hoàn thiện theo tiến

trình tiến hoá các hệ thống điều hoà, đảm bảo thực hiện sự tương tác

giữa các quá trình phát sinh hình thái (hình thành các tế bào, mô và cơ quan của cơ thổ), đó là hệ điểu hoà dinh dưỡng, điều hoà hormon và điều hoà điện sinh lý Các hệ điểu hoà đó liên quan với nhịp nội tại (đồng hồ

sinh học) vốn là phương tiện đo đếm nhịp phát triển nội tại trong mối

tương quan thích nghỉ của cơ thể thực vật đối với ngoại cảnh (thay đổi ngày, đêm, mùa) Trong giáo trình này, chúng ta tập trung xem xét sâu

hệ điều hoà hormon (phytohormon), nhưng để có khái niệm về vị trí và

vai trò của hệ điểu hoà hormon giữa các hệ điều hoà khác, chúng ta cần

có khái quát về các hệ điểu hoà trước khi đi sâu nghiên cứu các phytohormon (các chất điều hoà sinh trưởng) trong cơ thể thực vật

4.4 PHYTOHORMON LÀ GÌ?

Phytohormon (hormon thực vật) là các phân tử tín hiệu (truyền thì)

tôn tại ở hàm lượng rất bé nhỏ (nồng độ ng, ng), được hình thành tại một

nơi nhưng gây hiệu ứng sinh học mạnh tại một nơi (mô, cơ quan) khác cách xa nguồn, do đó nó phải di chuyển Sự biến đổi nồng độ hormon và

cảm ứng của mô là trung gian của hàng loạt các quá trình diễn ra trong

cây, nhiều quá trình trong đó liên quan với các tác nhân môi trường Trong cơ thể thực vật, hormon điều hoà và phối hợp quá trình trao đổi chất, sinh trưởng và phát sinh hình thái thường phụ thuộc vào các tín

hiệu hóa học từ một phần này đến một phần khác của cơ thể Ý tưởng đó

đã bắt nguồn trong thế kỷ XIX từ nhà thực vật học người Đức Julyus

von Sachs (1832 — 1897)

Sachs đã để xuất rằng, các tín hiệu hoá học có vai trò điều hoà đối với sự hình thành và sinh trường của các cơ quan khác nhau của thực vat, Ông cũng giả định rằng, các tác nhân bên ngoài như trọng lực có

thể tác động đến sự phân bố của các hợp chất trong cây Mặc dầu Sachs chưa biết bản chất của các tín hiệu hoá học đó, ý tưởng của ông đã dẫn đến sự phát hiện ra chúng

Nhiều quan niệm của chúng ta về mối liên hệ giữa các tế bào trong

cơ thể thực vật xuất phát từ các nghiên cứu tương tự trong động vật Trong cơ thể động vật, các tín hiệu hoá học vốn là phương tiện liên kết

7

giữa các tế bào được gọi là hormon Hormon tương tác với các protein đặc hiệu của tế bào gọi là chất? nhận

Phytohormon, là những hợp chất hữu cơ, là sản phẩm tự nhiên bình thường đo cơ thể thực vật tổng hợp nên, là những phân tử tín hiệu với liều lượng rất thấp (ug hoặc thậm chí ng) gây nên hiệu ứng sinh học cao tại các mô cách xa nơi chúng được hình thành Phytohormon đóng vai trò chủ đạo trong sự điều hoà các quá trình sinh trưởng, phát triển, phan ứng thích nghỉ đối với môi trường và những quá trình sinh lý, hoá sinh khác trong cơ thể thực vật

1.2 ĐẶC TRƯNG CHUNG

Phytohormon là những hợp chất phân tử thấp Hàm lượng phytohormon trong mô rất ít (khoảng 10”! — 10° mol/l) nhung cé hiéu ứng sinh học rất cao Hệ phytohormon ít chuyên hóa hơn so với hormon động vật bậc cao, nơi có tuyến nội tiết riêng biệt Phytohormon di chuyển theo con đường chung vận chuyển vật chất trong cây, theo hệ mạch dẫn Trong cơ thể thực vật, việc điểu hoà bằng cách đóng hay ngắt các chương trình sinh lý và phát sinh hình thái đều đo cùng một số các hormon với tương quan hàm lượng khác nhau thực hiện

Có ð hormon được phát hiện trước đây là auxin, gibberellin, xytokinin, axit abxixic, etylen và mới đây đã phát hiện thêm các chất cũng có vai

trò điều hoà sự phát triển của cây là braxinosteroit, polyammn, axit

jasmonic va axit salixylic

Phytohormon không chỉ tham gia điểu hoà quá trình sinh trưởng

mà còn là tác nhân rất quan trọng trong các hiện tượng chín, già, phản ứng của cơ thể đối với môi trường, vận chuyển vật chất và nhiều chức năng khác của cơ thể

Hormon thực vật có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất, đặc biệt trong ngành trồng trọt, trong công nghệ sinh học

Ngoài hệ điều hoà hormon, trong cơ thể thực vật tổn tại một số các

hệ điều hoà khác góp phần đảm bảo sự hoạt động hài hoà các chức năng hoạt động sống của cơ thể Do đó sẽ rất bổ ich khi chúng ta tổng quan lại các hệ điều hoà khác để thấy dược vai trò của hormon trong tổng thể các

hệ điều hoà chức năng của cơ thể thực vật

Chương 1

TONG QUAN VE CAC HE DIEU HOA

TRONG CO THE THUC VAT

1.1 KHAI NIEM CHUNG

Trước khi xem xót các phytohormon, chúng ta cần khái quát về các hệ điều hoà khác tổn tại trong cơ thể thực vật, trên nền điểu hoà chung đó,

chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn và chỉ tiết hơn về vai trò của các phytohormon Thực vật với sự phân hoá thành hệ thống tổ chức phức tạp gồm các

cơ quan, các mô chứa số lượng lớn các tế bào và bào quan chuyên hoá đòi hỏi phải hình thành hệ thống kiểm tra hoàn chỉnh đảm bảo điều hoà hài hoà các hoạt động sống xảy ra bình thường trong phạm vì của tế bào cũng như trong toàn bộ cơ thể

Trong quá trình tiến hoá, trước tiên xuất hiện các hệ thống điều hoà nội bào bao gồm sự điều hoà enzym, điều hoà hoạt động của màng và sự

điều hoà gen được thể hiện ở sự biểu hiện gen và truyển tín hiệu

Từ khi xuất hiện các cơ thể đa bào, hình thành các hệ điều hoà giữa các tế bào trong mô và giữa các mô trong cơ quan và giữa các cd quan trong cơ thể Các hệ điều hoà trong cơ thể thực vật bảo đảm sự tương tác của các quá trình trao đổi chất, các chức năng sinh lý dẫn tới sự nhịp nhàng, hài hoà trong quá trình phát sinh hình thái (hình thành tế bào,

mô và các cơ quan của cơ thể) Về bản chất, đó là hệ điều hoà dĩnh dưỡng, điều hoà hormon, điều hoà điện sinh lý trong mối tương tác liên quan với nhịp nội tại (đồng hồ sinh học) Thực vật sử dụng đồng hồ sinh học trong

do đếm nhịp nội tại trong mối tương tác thích nghị đối với ngoại cảnh (biến đổi theo ngày đêm) thông qua sự điều biến của sắc tố phytocrom,

1.2 DIEU HOA NỘI BẢO

Trong các hệ điều hoà nội bào, trước tiên chúng ta nghiên cứu sự

điều hoà hoạt tính của các enzym

1.2.1 Điều hoà hoạt tính của enzym

Điều hoà hoạt tính enzym được thực hiện ở các trung tâm xúc tác

Trước hết là khả năng phản ứng và hướng hoạt động của trung tâm xúc tác phụ thuộc vào hàm lượng cơ chất, sự hiện điện của các coenzym (đối với các enzym hai thành phần), các cofactor (các lon tác động đặc hiệu),

các chất hoạt hoá và các chất ức chế tác động ở trung tâm xúc tác cũng

9

quy định cường độ hoạt động của các enzym Hoạt tính của enzym có thể liên quan với sự cạnh tranh cơ chất và coenzym chung Đó là một trong các biện pháp tương tác của các chu trình trao đổi chất khác nhau

Ngoài ra, một số enzym còn có các miền nhận (phân bố tại các vị trí

khác) để liên kết các chất điều hoà (các effector) là các chất có tác dụng

hoạt hoá hoặc ức chế tác động của các enzym Các chất điều hoà có thể là

các chất trao đổi xác định hoặc các hormon, thậm chí các phân tử của cơ

chất (hình 1.1B) Do sự liên kết của các chất điều biến tác động dương hoặc

âm lên trung tâm miền nhận, toàn bộ cấu trúc của enzym bị biến đổi cấu hình đưa enzym vào trạng thái hoặc bị ức chế, dạng bất hoạt (hình 1.1A), hoặc trạng thái hoạt động (hình 1.1A, B) Qua các điều vừa nêu, thấy rằng, điều hoà hoạt tính của enzym, ở mức độ xác định, phụ thuộc vào sự điều

hoà tính thấm của màng (cho các chất điều biến thấm qua màng)

Enzym hoạt tính _ Nơi hoạt tính Chất hoạt hoá ồn

với bên phân đơn: (một của bến) định dạng hoạt tính

Miễn điều Sa lực” &

tính của một đơn phân khoá tắt cả các don phan trong cau dang hoạt tính

Chat hoat hoa Dang hoạt tính ổn định

Dạng hoạt tính

Chất ức chế hoạt tính làm

Dao động Šn định dạng bắt hoạt

Dạng bắt hoạt ức chê Chất Dạng bắthoạt ôn định Dạng bắt hoạt _ Dạng hoạt tính ổn định ang a ang hoạt tin ` (A) Các chất hoạt hoá và ức chế hoạt tính (B) Tính hợp tác

Trong tế bảo, các chất hoạt hoá và ức chế hoạt tính Một kiểu khác của sự hoạt hoá hoạt tính phân ly khi ở các nồng độ thấp, sau đó enzym có thể

Dạng bất hoạt được chỉ ra ở bên trái dao

dao dộng trở lại động qua lại với dạng hoạt tính khi dạng

hoạt tính chứa cơ chát làm ổn định

Hình 1.1 Sự điều hòa hoạt tính của enzym

1.2.2 Điều hoà màng

Điều hoà màng được thực hiện thông qua các biến đổi trong vận

chuyển qua màng, do sự liên kết hoặc giải phóng các enzym, protein

điều hoà va bang con đường biến đổi hoạt tính của enzym màng Chẳng 10

hạn, sự truyền tín hiệu, vận chuyển các ion khoáng chất từ môi trường vào đến đích trong tế bào liên quan với các chất nhận phân bế tại màng, cũng như các kênh vận chuyển (hình 1.2) và các bơm lon (hình 1.3) là các›protein vốn là sản phẩm của sự biểu hiện gen tham gia điều hoà sự vận chuyển qua màng, còn hoạt tính phân hoá của bản thân các gen (phiên mã như trên hình 1.4 và dịch mã như hình 1.4, 1.5) lại chịu sự kiểm soát của màng (cho hoặc không cho các chất cần thiết đối với hoạt động của gen đi qua các màng vào nhân)

- Cơ sở của tất cả các dạng điều hoà nội bào là nguyên tắc cấu hình

chất nhận Đó là nguyên tắc xuất phát thống nhất Trong mọi trường hợp, phân tử protein dù đó là enzym, chất nhận hoặc chất điều hoà đều

"nhận biết" tác nhân đặc hiệu đối với nó và khi tương tác, hình thành

nên phức hệ với tác nhân đặc hiệu đó, phân tử protein biến đổi cấu hình

của mình Trong các phức hệ đa thành phần của các enzym, của gen và của màng, những biến đổi cấu hình của phân tử chất nhận được truyền

phối hợp đến toàn bộ phức hệ, ảnh hưởng đến hoạt tính chức năng của

phức hệ (hình 1.1, 1.2 và 1.3)

Phân tử tín hiệu Các ion

(a) Quá trình thông tin (b) Phối tử điều hòa sự đóng,

mở kênh vận chuyền trong

màng

(1) Hình này cho thầy sản LAE tin hi chat nhan cua kénh

Lién két tin hiéu ion cổng — phéi ter

Phân tử tin hiệu — gây nên cácbiển văn đóng cho đến khí

Bên ngoài tế bào

Ỳ liên kết - „ (2) Khi phối tử liên kết ii

pdr tin hiệu ‘ vào chất nhận và cổng

mở ra, các ion đặc hiệu

có thể trôi qua kênh và

biến đổi nhanh nồng độ

¡4 ==của ion riêng biệt bên ` °

Bén trong A” ne trực tiếp đên hoạt tính a? — của tế

tế bào của tế bào theo các oa an bao

Tin hiéu (cortisol)

Hình 1.3 Chất nhận ở trong tế bào chất Chất nhận đối với cortisol (tín hiệu) phải vượt qua màng sinh chất để được gắn vào protein chaperon trong tế bào chất Liên kết của tín hiệu giải phóng chaperon và cho phép protein

chất nhận vượt qua được màng nhân vào nhân, nơi nó hoạt động như là tác nhân phiên mã

1.2.3, Điều hoà gen và truyền tín hiệu

Trong mục này chúng ta xem xét sự biểu hiện gen và quá trình kích

thích cảm ứng sự biểu hiện gen (truyền tín hiệu)

1.2.3.1 Biểu hiện gen

Biểu hiện gen liên quan với sự thu nhận thông tin từ gen và sử dụng nó để tạo ra các sản phẩm gen, có thể là ARN hoặc protein 6 dang đơn giản nhất, giáo lý trung tâm của sinh học phân tử phát biểu rằng,

thông tin đi truyền không trực tiếp từ ADN đến protein Điều đó là sự thật đối với hầu hết các gen của tế bào Sự biểu hiện gen diễn ra qua hàng loạt các mức độ khác nhau trước khi thông tin từ gen được giải

phóng như là sản phẩm cuối cùng (Lincoln et al., 2006) Tén tại hai mức lớn của sự biểu hiện gen là phiên mã và tổng hợp protein, nhưng có nhiều giai đoạn trung gian điều hoà tỉnh tế vốn có thể sàng lọc và biến

đổi thông tin Về nguyên tắc, bất kỳ giai đoạn nào trong đó đều có thể được điều hoà Tính trội tương đối của sự điều hoà tại mỗi mức biểu hiện

gen là khác biệt giữa prokaryota và eukaryota (Richard M Twyman, 1998) Các tác nhân đi truyền, đã được Mendel phát hiện, xác định các 12

tính trạng như màu của hoa, vị trí của hoa, hình đạng quả đậu, chiều đài thân, màu của hạt và hình dạng của hạt được gọi là các gen Các gen

là trình tự của ADN mã hoá các phân tử ARN trực tiếp liên quan trong

sự tổng hợp các enzym và các protein cấu trúc của tế bào Các gen được sắp xếp thang hàng trên các nhiễm sốc thể tạo nên các nhóm liên kết, điều đó có nghĩa là các gen được đi truyền cùng nhau Tổng số lượng của ADN hoặc thông tin di truyền chứa trong tế bào, nhân hoặc bào quan được gọi là bộ gen (genome)

Kể từ phát hiện của Mendel, nguyên tắc đã được xác lập một cách khẳng định là sinh trưởng, phát triển và phản ứng đối với môi trường của sinh vật đã được quy định bởi một chương trình hoá của các gen Trong các cơ thể đa bào, sự biểu hiện gen hoặc ngắt gen làm thay đổi sự bổ sung enzym và protein cấu trúc của tế bào Điều đó cho phép tế bào phân hóa Chúng ta sẽ xem xét kiến thức cơ sở của quá trình biểu hiện gen và

truyền tín hiệu để hiểu được cơ chế tác động của các chất điều hoà sinh

trưởng thực vật ở cấp độ phân tử trong các chương tiếp theo Những tín

hiệu nội bào khác nhau là nhu cầu cần để phối hợp sự biểu hiện gen trong

quá trình phát triển và giúp cho thực vật phản ứng đối với các tín hiệu từ môi trường Các tác nhân tín hiệu bên trong (và cả bên ngoài) gây ảnh hưởng lên tế bào bằng trình tự của các phản ứng hoá sinh, được gọi là con

đường truyền tín hiệu, vốn phóng đại rất mạnh tín hiệu ban đầu và dẫn đến kết quả cuối cùng là hoạt hoá hoặc ức chế các gen

Trong những năm gần đây đã có nhiều tiến triển trong nghiên cứu

các con đường truyền tín hiệu trong thực vật Tuy nhiên, trước khi mô tả những điều đã biết về các con đường ấy trong cơ thể thực vật, chúng ta

khái quát ngắn về thông tin cơ sở của sự biểu hiện gen và truyền tín

hiệu trong các cơ thể khác như vì khuẩn, nấm men và động vật để tham

khảo, cung cấp kiến thức để hiểu các tác động của các phytohormon đối với cơ thể thực vật, vốn là nội dung chính của giáo trình này

Trước khi xem xét quá trình biểu hiện gen, chúng ta khái quát về

một số đặc trưng của bộ gen (genome)

g) Kích thước, tổ chức uà tỉnh phúc tạp của bộ gen

Kích thước của bộ gen liên quan đến tính phức tạp của cơ thể Ví dụ:

kích thước bộ gen của # coi¿ là 4.7 x 10°Cb (cap base, base pairs), cua

ruồi dấm (Drosophiia) là 2 x 10°Cb va cua con ngudi 1a 3 x 10°Cb trong mỗi tế bào đơn bội Tuy nhiên, kích thước bộ gen trong các cơ thể có nhân (eukaryota) là một chỉ số không đáng tin cậy về tính phức tạp vì

không phải toàn bộ ADN mã hoá các gen

13

Trong các cơ thể tiền nhân (prokaryota), hầu như tất cả ADN gồm

từ các trình tự duy nhất (unique sequences) vốn mã hoá protein và các phân tử ARN chức năng Tuy nhiên, nhiễm sắc thể của cơ thể có nhân (eukaryota) chứa số lượng lớn ADN không mã hoá vốn có chức năng chính đối với cấu trúc và tổ chức nhiễm sắc thể Nhiều ADN không mã hoá chứa các trình tự có nhiều bản sao, được gọi là ADN lặp lại (repetitive DNA) Phần còn lại của ADN không mã hoá bao gầm từ các trình tự sao chép đơn được gọi là ADN chêm (spaser DNA) Phối hợp lại, ADN lặp lại và ADN chêm tạo nên phần lón của tổng thể bộ gen trong một số cơ thể có nhân Ví dụ: trong con người chỉ có khoảng 5% của tổng ADN chứa các gen, các trình tự duy nhất ghi mã đối với ARN

và tổng hợp protein (hình 1.4)

Kích thước bộ gen thực vật biến động nhiều hơn so với bất kỳ nhóm

cơ thể có nhân nào khac (Lincoln et al., 2006) Trong thực vật hạt kín, bộ

gen đơn bội giới hạn từ khoảng 1,ð x 10°Cb đối với Arabidopsis thalyana (bé hơn bộ gen của ruổi dấm) đến 1 x 10”Cb đối với thực vật Một lá mầm Trilium, vốn lớn hơn đáng kể so với bộ gen của con người Ngay cả

các giống đậu có quan hệ thân thuộc của chi V¡ic¿bø chứa ADN của bộ

gen biến đổi trong phạm vi hơn 20 lần Vậy vì sao kích thước của các bộ gen thực vật biến đổi nhiều như thế?

Các nghiên cứu về sinh học phân tử thực vật đã chỉ ra rằng, hầu hết

ADN trong tế bào thực vật với bộ gen lớn là ADN lặp lại Arabidopsis có

bộ gen bé nhất trong thực vật vì chỉ có 10% của ADN nhân của nó là ADN lặp lại

Kích thước của bộ gen cây lúa đã được xác định bằng khoảng 5ð lần của Arabidopsis Như vậy sự khác biệt của kích thước bộ gen giữa Arabidopsis va lúa (Oryzơ) chủ yếu là do ADN lặp lại và ADN chêm

Cho đến thời gian gần đây, tổng lượng của các gen trong một bộ gen của cơ thể còn khó biết được Nhờ các thành tựu của nhiều dự án xác dịnh trình tự bộ gen, các số liệu về số lượng gen của cơ thể đã trở nên phố biến, mặc dầu còn thiếu các giá trị chuẩn xác (Lincoln et al., 2006)

Theo Milklos va Rubin (1996), số lượng các gen trong vi khuẩn biến động tit 500 dén 8.000 va trùng lặp một phần số lượng gen trong nhiều

các cơ thể đơn bào đơn giản Ví dụ: bộ gen của nấm men chứa khoảng 6.000 gen Các cơ thể có nhân phức tạp hơn, chẳng hạn như động vật

nguyên sinh, giun và ruổi, tất cả hình như có bộ gen với số lượng gen trong khoảng từ 12.000 đến 14.000 Bộ gen của Drosophila (ruồi dấm)

chứa khoảng 12.000 gen Như vậy, quan điểm hiện nay là cần khoảng 14

19.000 các kiểu gen cơ bản để tạo nên một cơ thể có nhân, mặc đầu có

thể đến 43.000 gen là chung, như là kết quả sao chép nhiều lần của các

gen xác định, hoặc các họ đa gen

Bộ gen thực vật được nghiên cứu tốt nhất là của Arzbidopsis thalyana Chris Somerville và các cộng sự ở trudng Dai hoc Stanford da xác định bộ gen của Arabidopsis và thấy nó chứa khoảng 20.000 gen (Rounsley et al., 1996) Việc xác định ấy đã dựa vào nhiều phương pháp

Ví dụ: từ các miển lớn của của bộ gen đã được xác định trình tự, chúng

ta biết có một gen cho mỗi ðkb (kilobase) của ADN Từ đó, một bộ gen nguyên vẹn có khoảng 100.000kb, cần phải chứa khoảng 20.000 gen Tuy nhién, 6% cua bé gen mã hoá ARN ribosom và 2% bao gồm các trình

tự lặp lại cao, do vậy số lượng có thể thấp hơn Có khả năng các giá trị tương tự cũng sẽ được tìm thấy đối với các bộ gen của các loài cây khác Hiện nay các nhà khoa học đã thống nhất rằng, các bộ gen của hầu

hết thực vật sẽ được phát hiện chứa từ 20.000 đến 30.000 gen

Một số trong các gen ấy mã hoá protein, vốn thực hiện các chức năng giữ nhà, các quá trình tế bào cơ bản, mà rồi chúng sẽ tiếp tục hoạt động

trong tất cả các kiểu phân hoá của tế bào Các gen ấy thường xuyên hoạt động; như vậy, chúng được biểu hiện một cách cơ định Các gen khác được điều hoà mạnh, hoạt động hoặc ngắt tại các giai đoạn phát triển đặc hiệu,

hoặc trong các phản ứng đối với kích thích của ngoại cảnh

Đơn vị mã hoá ARN được lặp lại nhiều lần (280 lần trong bộ gen người)

>¬~.m.i 5Ý ÔN NMEỐN NSP ÉÔ 8 SN MEN 3š 8Ð ÃÝWÝ N ADN teeueene 2.8 8-8 88S ee EE Eee ee EP Eee

Hinh 1.4 Các mã trình tự lặp lại với mức vừa phải đối với rARN

Gen rARN ấy, dọc theo miền đệm không được phiên mã, lặp lại 280 lần trong bộ gen người, cùng với các cụm trên năm nhiễm sắc thể Một khi gen ấy đã được phiên mã, quá trình xử lý sau phiên mã cắt bỏ các vùng đệm bên trong miền được phiên mã và tách bản phiên mã sơ khai ra thành ba sản phẩm rARN cuối cùng (Theo W.K Purve, David Sandava, Gordon H

Orians, Craig Heller, 2008)

15

b) Sự biểu hiện gen ở các cơ thể tiền nhân (prokaryotg)

Sự biểu hiện gen được thể hiện trong hai bước: Bước thứ nhất là phiên mã (transcription), đó là sự tổng hợp bản sao mARN của khuôn mẫu ADN vốn mã hoá protein (AIberts et al 1994 và Lodish et al., 1995) Bước thứ hai được kế tiếp sau bước 1 và được gọi là địch mã (translation), đó là sự tổng hợp protein trên ribosom Các nghiên cứu

phát triển đã cho thấy rằng, mỗi cơ quan thực vật chứa số lượng lớn các

mARN đặc hiệu — cơ quan Sự phiên mã được kiểm tra với các protein

vốn được liên kết với ADN và các protein liên kết ADN ấy tự bản thân chúng là đối tượng cho các kiểu điều biến khác nhau

Nhiều hiểu biết của chúng ta về các thành tố cơ bản của sự phiên mã

là từ các công trình trước đây về các hệ thống vi khuẩn Vì vậy trước khi thảo luận về sự biểu hiện gen ở cơ thể có nhân (eukaryota), chúng ta khái quát ngắn về sự điểu hoà phiên mã trong các cơ thể prokaryota Tuy nhiên, hiện nay đã rõ rằng, sự điều hóà trong các.cơ thể eukaryota phức tạp hơn nhiều so với prokaryota Sự phức tạp trong sự biểu hiện gen ở các

cơ thể có nhân (eukaryota) cho phép các tế bào, các mô phân hoá và tạo khả năng cho sự đa đạng các chu trình sống của thực vật và động vật

Protein (chất ức chế) liên kết ADN điều hoà quá trình phiên

mã trong cơ thể tiền nhân (Prokaryota)

Trong vi khuẩn (cơ thể tiền nhân), các gen xếp thành các operon

Operon /è dãy các gen hế tiếp gồm các gen cấu trúc uò các trình tự điều

hoà Ví dụ nổi tiếng nhất 1A operon lactose (œc operon), được Francois Jacob vA Jacques Monod cua Vién Pasteur ở Paris mô tả lần đầu trong nam 1961 Lac operon 1A mét vi du cua operon cam wWng (inducible operon), d6 14 một trong các chất trung gian trao đổi chìa khoá cảm ứng

sự phiên mã của các gen

Lac operon chịu trách nhiệm sản xuất ra ba protein liên quan trong việc sử dụng đisaccharit lactose Operon này gồm ba gen cấu trúc và ba trình tự điều hoà Các gen cấu trúc (z, y và a) ghi mã đối với trình tự của các axit amin trong ba protein: œ-galactosidase, enzym xúc tác sự thuỷ phân lactose thanh glucose va galactose; permease, d6 là protein chat mang để vận chuyển lactose qua màng vào trong tế bào; và transacetylase

mà vai trò của nó còn chưa biết

Ba trình tự gồm gen điều hoà ¿, trình tự khởi động p (miền khởi đầu,

miền khởi động p) và trình tự vận hành (trình tự chỉ huy, miền vận hành)

o kiểm tra sự phiên mã của mARN trong quá trình tổng hợp các protein

ấy (hình 1.5) Gen điều hoà ¿ mã hoá protein ức chế (repressor protein), protein ức chế này nhận biết và liên kết với một trình tu nucleotit đặc

hiệu, được gọi là miền vận hành o (operator 0) Mién van hành o, định

16

cư xuôi dòng (có nghĩa là tại đầu 3) của trình tự khởi động, p (promoter, p) nơi ARN — polymerase gắn vào operon để khởi động sự phiên mã và ngược dòng trực tiếp (có nghĩa là tại đầu 5) của vị trí khởi động phiên mã, nơi sự phiên mã bắt đầu (Vị trí khởi động được cho rằng phải là tại đầu B'

của gen dù rằng ARN — polymerase phiên mã từ đầu 3 đến đầu 5' dọc

theo sợi đối diện Sự quy ước ấy đã được chấp nhận, do vậy trình tự của mARN sẽ cặp đôi với trình tự ADN của gen)

Phiên mã _„ ———” ® y Các gen cấu trúc

ARN polymerase gan ¬ " -

mARN ⁄ vào miền khởi đầu p Nơi bắt đầu phiên mã

‘ : Phiên mã bị phong toả khi protein ức chế gắn vào

miền vận hành o; không tạo được mARN z, y, a và Chất ức chế gắn vào gen chỉ huy ø do đó không sản xuất được các enzym

ADN «.„z¬‡ Gen digu hoa i fs Mién khai dau p |Mién van hanho | Geng z | _ƒ LĨ Gene y Gene a

Phiên mã ARN Có phiên mã

⁄ polymerase mARN

mARN Proten

Hình 1.5 Lac operon của E coli sử dụng sự kiểm tra cảm ứng âm

A Khi không có lactose Gen điều hoà ¡, định vị ngược dòng của operon, được phiên mã để tạo ra

mARN vốn mã hoá protein ức chế (repressor protein) Protein ức chế liên kết vào miền vận hành o

(operator o) Miền vận hành là một đoạn ngắn của ADN định vị giữa trình tự khởi đầu p (nơi ARN ~

polymerase gắn vào ADN) và ba gen cấu trúc z, y và a, Khi áp sát vào miền vận hành, chất ức chế ngăn cản sự liên kết của ARN — polymerase vào vị trí khởi đầu phiên mã; B Khi có lactose (chất cảm

ứng) được bổ sung vào môi trường và được tế bào hấp thụ, lactose liên kết vào chất ức chế và làm bất hoạt nó Chất ức chế đã bị bất hoạt không có khả năng gắn kết với miền vận hành o, nhờ vậy phiên mã

và dịch mã được thực hiện mARN được tạo nên có tên là "đa gen" (polycitronic) Vì nó ghi mã đa gen

Nhận thấy rằng quá trình dịch mã bắt đầu trong khi phiên mã còn đang tiếp diễn

Khi khong co lactose, lac operon ngặt (hình 1.5A), chất ức chế lactose tạo phức bền chặt với trình tự vận hành ø và phong toả sự tương tác của ARN ~ polymerase với vị trí khởi động phiên mã, ngăn chặn có hiệu quả sự phiên mã

Khi c6 lactose, Jac operon đồng (hình 1.5B), lactose liên kết với protein

ức chế, hình thành phức hệ lactose — chất ức chế (protein), cấu hình của

chất ức chế bị biến đổi Với cấu hình mới, chất ức chế không có khả năng

17

liên kết với miền vận hành ø và miền này vẫn duy trì trạng thái đóng Ỏ trạng thái này, enzym ARN-polymerase có thể liên kết với miền khởi động p và từ đó nó bắt đầu trượt ngược dòng từ ð' đến 3' theo các gen của operon dẫn đến sự tổng hợp các enzym: œ-galactosidase, permease

và acetylase

Chất ức chế /œc là một ví dụ về cơ chế điều hoà (kiểm tra) âm vì chất ức chế phong toả sự phiên mã ngay sau khi liên kết vào miền vận hành ø (cồn gọi là gen chỉ huy) của operon

Lœe operon cũng được cơ chế điều hoà (kiểm tra) dương (hình 1.6)

Protein hoạt ! ERP Phức hệ

hoa chat a) PAR) CAP— cAMP

hoa ARN - polymerase

Cơ chế này được phát hiện khi nghiên cứu hiện tượng gọi là hiệu ling glucose Néu bổ sung glucose vào môi trường dinh dưỡng đã có lactose, cdc té bao E coli trao déi glucose va bé qua lactese Glucose loai

bo lactose Glucose gay ra hiéu ting dy bang cach gidm thiểu nềng độ của AMP mach vòng (eAMP) Khi mức glucose thấp, mức cAMP là cao, cAMP gắn vào một protein hoạt hoá (activator protein), protein hoạt hoá chất đị hoa (catabolyte activator protein, CAP), chat này nhận biét

và liên kết với một trình tự nucleotit đặc hiệu trực tiếp ngược dòng của lac operon va cac vi tri cua mién khởi đầu p (hình 1.6) ,

Ngược với hoạt động của protein ức chế lactose, khi CAP được tạo

phức với chất điều biến của nó, cAMP, ái lực đối với vị trí liên kết ADN

của nó gia tăng đột ngột (từ đó quy chiếu về sự điều hoà dương) Phức hệ

ba cấu tử được hình thành từ CAP, cAMP và các trình tự ADN lactose operon cảm ứng liên kết của ADN, vốn hoạt hoá sự phiên mã các gen 18

cấu trúc của lactose operon bởi sự gia tăng ái lực của AIVN — polymerase đối với vị trí của miền khởi đầu p bên cạnh Vì khuẩn tổng hợp cAMP khi glucose trong môi trường sinh trưởng của chúng đã cạn kiệt Như vậy, các gen của lactose operon chịu sự điều hoà đối nghịch bởi sự hiện diện hoặc thiếu vắng glueose (nổng độ cao của cAMP) và sự hiện diện cua lactose, vi ring glucose 1A mét chất dị hóa cua lactose Trong vi

khuẩn, các chất trao đổi cũng có vai trò như chất đồng ức chế, hoạt hoá

chất ức chế protein vốn phong toả sự phiên mã Ức chế sự tổng hợp enzym thường liên quan với sự điều hoà các con đường sinh tổng hợp mà

trong đó một hoặc nhiều enzym chỉ được tổng hợp nếu thiếu vắng sản

phẩm cuối cùng, ví dụ: một axit amin Trong trường hợp ấy, axit amin

hoạt động như là chất đồng ức chế Nó tạo phức với chất ức chế protein

và phức chất ấy gắn vào miển vận hành o, ngăn chặn sự phiên mã Tryptophan (trp) operon trong E coli là một ví dụ về một operon vốn hoạt động theo kiểu dồng ức chế (hình 1.7) Chúng ta thử áp dụng mô hình biểu hiện gen 6 vi khuẩn (prokaryota) vừa được xem xét để nghiên cứu sự biểu hiện gen ở cơ thể có nhân (eukaryota)

A Khéng co tryptophan Tryptophan operon

ADN điều hoà / “Gen | | Genkhỏiđầu p | Genvanhanho | Gene E | Gene D | Gene © ï

Phiên mã ^ œ Phiên mã diễn ra

mARN

mARN Xư 6 mARN `

Dịch má Seep KỈ 1 ARN — polymerase

Chất ức chế (bắt hoạt) | | |

Enzym để tổng hợp tryptophan

B Có tryptophan Tryptophan operon

ADN > | ,Gen Miễn khởi dau p [Mién van hanho | Gene E] Gene D| Gene C| Gene B| Gene A

] diéu hoa / “yw

— Phiên mã bị phong toả

enzym khác xúc tác Sự phiên mã của các gen chất ức chế dẫn đến kết quả là sản sinh ra

protein chất ức chế Tuy nhiên, chất ức chế bất hoạt cho đến khi nó tạo phức với các chất

đồng ức chế của nó, Trp A Khi không có Trp, xảy ra phiên mã và dịch mã., B Khi có Trp, phức hệ chất ức chế — chất-đồng ức chế (tryptophan) duge hoạt hoá dẫn đến sự phong toả

quá trình phiên mã bằng cách liên kết vao mién van hanh o (Theo Lincoln et al, 2006)

19

c) Sự biểu hiện gen ở cơ thể có nhân (eukaryotg)

Sự biểu hiện gen ở cơ thể vi khuẩn (prokaryota) có thể cung cấp mô hình để xem xét sự biểu hiện gen ở các cơ thể có nhân (eukaryota)

Tuy nhiên, chi tiết của quá trình đó ở eukaryota hoàn toàn khác biệt và phức tạp hơn nhiều Trong các cơ thể prokaryota (vi khuẩn), sự

dịch mã gắn liền với sự phiên mã Khi các chuỗi phiên mã (trong tài liệu

được gọi với các tên như tiền mARN, ARN phiên mã, mARN sơ khai) kéo dài ra, chúng gắn vào các ribosom và bắt đầu tổng hợp các protein (dịch mã) Tuy nhiên, trong eukaryota, vỏ nhân tách biệt bộ gen ra khỏi bộ

máy dịch mã Các chuỗi phiên mã trước hết cần được vận chuyển đến tế

bào chất, chịu thêm mức kiểm tra khác (mức dịch mã)

ARN - polymerase lI gắn vào miền khởi đầu p của các gen mã hoá protein Không giống với

các gen prokaryota, các gen eukaryota không tụ tập ) trong operon va mỗi gen được phân chia thành các exon và các intron Phiên mã từ thanh nhiễm sắc khuôn mẫu diễn ra trong hướng 3' đến 5' tại vị trí mở đầu phiên mã và chuỗi ARN đang lớn dài thêm một nucleotit từ một lần

phiên mã theo hướng 8' đến 3' Sự phiên mã mở đầu với AUG đầu tiên đang mã hoá metionin,

như trong prokaryota và kết thúc với codon kết thúc Phiên mã tiền mARN được chụp mũ đầu

tiên bởi cho thêm 7—metylguanilat (m’G) vào đầu 5' Đầu 3' bị rút ngắn lại một ít bởi sự phân cắt tại vị trí đặc hiệu và được gắn đuôi poly-A Tiền mARN (ARN phiên mã) được chụp mũ và

polyadenin hoá, sau đó được kết nối bởi phức hệ thể kết nối (splycesome cOMPlex) và các intron bị loại bổ mARN trưởng thành rời khỏi nhân qua các lỗ nhân và bắt đầu dịch mã trên các ribosom trong xytosol Vì mỗi ribosom tiến tới đầu 3' của mARN, các ribosom mới gắn vào đầu 5' và bắt đầu dịch mã dẫn đến sự hình thành các polysom (Theo Lincoln et al, 2006)

— Các tiền ARN (pre-mARN) của nhân eukaryota cần phải được sự

xử lý tiếp:

Eukaryota cũng có khác biệt trong tổ chức các bộ gen (genome) của ching Trong hau hết các cơ thế eukaryota, mỗi gen mã hoá một 20

polypeptit đơn Bộ gen của các cơ thể có nhân (eukaryota) không chứa các operon, trừ một ngoại lệ (khoảng 25% của các gen trong giun đất Caenrhabditis elegans được sắp xếp thành các operon) Các tiền mARMN được phân thành các mABN cá thể vốn mã hoá các polypeptit đơn, các mARN đơn gen này được phối hợp bởi sự phân cắt, polyadenin hoá (polyA) và ghép nối (Kuersten et al., 1997)) Hơn nữa, các gen eukaryota được phân chia thành các miền mã hoá gọi là các exon và các miền không

mã hoá gợi là các intron (hình 1.8) Vì vậy, chuỗi phiên mã đầu tiên, hoặc

tiền mARN (mARN sơ khai) cần được xử lý để loại bổ tác intron

Xử lý ARN liên quan đến nhiều bước Tiền —- mARN vừa mới được tổng hợp tức khắc được đóng gói vào chuỗi các cấu tử chứa protein nhỏ, được gọi là các cấu tử ribonucleo — protein dị nhân (heteronuclear ribonueleo — protein particles), hoặc các cấu ti hnRNP

Một số trong các cấu tử ấy gồm từ các protein, các ARN nhân bé nhỏ và

được gọi là các ribonucleo — protein nhân bé (smalnuclearribonucleoproteins) hoặc céc snRNPs Tap hợp các snRNP khác nhau vào các phức hệ ghép

nối (splyeeosom cOMPlexes) tại các ranh giới của tiền mARN và thực hiện

phản ứng ghép nối Trong một số trường hợp, tiền mARN có thể được nối theo các cách khác nhau Quá trình đó được gọi là nối ARN thay thé, hoặc là nối ARN xen kẽ (alternative RNA splycing) Chẳng hạn, một exon vốn hiện hữu trong một biến thể của chuỗi phiên mã đã được xử lý

có thể được ghép nối với biến thể khác Bằng cách ấy, một gen có thể tạo

thành các chuỗi polypeptit khác nhau Khoảng 15% các gen của con người

dược xử lý bằng sự ghép nối thay thế (xen kẽ) Mặc dầu sự ghép nối xen

kẽ là rất hiếm trong thực vật, nó liên quan với sự tổng hợp enzym hoạt hoá rubisco (trong quang hợp), ARN — polymerase H va sản phẩm gen của gen déng hép (homeobox gene) cua cây lúa cũng như các protein khác

(Golovkin và Reddy, 1996) Trước khi nối, tiền mARN được biến đổi trong

hai con đường quan trọng: 1) Chụp mũ 7-metylguanylat (m’G cap) vào

đầu 5' của chuỗi ARN phiên mã bằng cách liên kết ð' đến 3' Tiền mARN được chụp mũ hầu như tức khắc ngay sau khi bất đầu tổng hợp mARN Một trong các chức năng của mũ ð' là bảo vệ chuỗi ARN phiên mã đang

lớn khối bị NAase (ribonuelease) phân giải 2) Nối đuôi poly-A Tại giai đoạn cuối trong sinh tổng hợp chuỗi phiên mã sơ khai, đầu 3' bị phân cắt tại vị trí đặc hiệu và đuôi poly-A (AAAn), thường bao gồm khoảng từ 100

đến 200 các gốc axit adenylie, được nối thêm bởi enzym poly-A

polymerase (hình 1.8) Đuôi poly—-A có một số các chức năng là: 1) Bảo vệ chống lại các NAase và do vậy gia tăng độ ổn định của các phân tử mARN trong tế bào chất; 2) Cả đuôi poly-A và mũ 5' 1a cần thiết để chuyển mARN qua lỗ nhân; 3) Đuôi poly-A gia tăng hiệu quả dịch mã trên các ribosom Nhu cầu của các mARN eukaryota có cả hai đầu 5' và đuôi poly-A

- đảm bảo được rằng chỉ có các chuỗi phiên mã đã được xử lý đúng thì mới

21

đến ribosom và sẽ được dịch mã Mỗi một bước trong sự biểu hiện gen của

tế bào eukaryota có tiểm năng điều hoà số lượng sản phẩm gen trong tế

bào tại mọi thời điểm (hình 1.9) Tương tự với sự khởi đầu phiên mã, quá

trình nối cũng có thể được điều biến Ví dụ: để thoát ra khỏi nhân, một mARN cần phải có mũ 5', một đuôi poly—-A và nó phải được nối đúng Các

chuỗi phiên mã được xử lý không hoàn thiện ở lại trong nhân và chúng sẽ

@ Xt ly va di chuyén ARN Khuéch dai gen (hiém)

Tái sắp xếp ADN (hiếm)

Khử ngưng tụ chất nhiễm sắc Metyl hoá ADN

ADN sẵn sàng cho sự biểu hiện gen

———— | _ _— Bản phiên ARN sơ khai

@® Xử lý tiền ARN (ARN sơ khai) Xử lý (chụp mũ 8', gắn đuôi polyA, loại intron,

và chuyên dịch nối exon với nhau) và luân chuyển

mARN trong nhân

Dịch mã có khả năng hướng đích đến LNSC (ER)

———————] Sản phẩm polypeptit trong xytosol hoặc trong LNSC

Có thể phan cat polypeptit

Có thể cải biến polypeptit

Có thể nhập các protein vào các bào quan

Hình 1.9 Điều hoà nhiều mức sự biểu hiện gen trong tế bào eukaryota

1) Điều hoà gen bởi sự khuếch đại gen, tái sắp xếp ADN, khử ngưng tụ hoặc ngưng ' tụ chất nhiễm sắc, hoặc metyl hoá ADN; 2) Điều hoà phiên mã; 3) Xử lý ARN và luận chuyển ARN trong nhân và chuyển dịch mARN ra khỏi nhân; 4) Kiểm tra dịch mã (bao gầm liên kết vào LNSC trong một số trường hợp); 5) Kiểm tra sau dịch mã bao gồm luân chuyển mARN trong xytosol và gấp nếp, tập hợp, phân cắt polypeptit, cải biến và nhập các protein vào các bào quan (Theo Becker et al., 1996)

22

Hiện đã biết được một số cơ chế điều hoà sau phiên mã khác nhau

Độ ổn định và tốc độ luân chuyển của các phân tử mARN là khác biệt

nhau và biến động giữa các mô khác nhau phụ thuộc vào các điều kiện sinh ly Vi du: trong céy dau (Vicia faba), nhiễm nấm bệnh gây ra sự phân giải nhanh mARN vốn mã hoá các protein giàu prolin PvPRP1 của vách tế bào cây đậu Có thể dẫn một ví dụ khác về sự điều hoà biểu hiện gen bằng cách phân giải mARN, là sự điều hoà quá trình biểu hiện của một trong các gen đối với phân đơn vị bé của rubisco trong các rễ của loài bèo tấm (Lemna gibba) Rễ của bèo tấm thực hiện quang hợp và do

vậy biểu hiện gen đối với phân đơn vị của rubisco, nhưng sự biểu hiện

cua mot trong cac gen (SSUSB) la rất thấp ở trong rễ so với trong các lá Peter và Silverthorne (1995) cho rằng, mức độ thấp của S5UðB trong rễ

là do tốc độ luân chuyển cao của tiền mARN SSU5B trong nhân

Thêm vào sự luân chuyển mARN, độ ổn định dịch mã (khả năng dịch mã) của các phân tử mARN cũng là biến động Chẳng hạn, các ARN xếp gấp vào trong các phân tử với các cấu trúc bậc hai và bậc ba, điểu đó có thể ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của codon khởi đầu dịch

mã (trình tự AUG đầu tiên) đến ribosom Một tác nhân khác cũng có thể

ảnh hưởng đến độ ổn định của mARN là việc sử dụng codon (mã) Sự dư thừa trong các mã bộ ba đặc hiệu của axit amin đã cho trong khi dịch

mã và mỗi tế bào có tỷ lệ đặc trưng của các tARN sẵn có đã được axIt amin hoá khác nhau được gọi là độ lệch codon (độ lệch mã, codon bias) Nếu tín hiệu (mARN) chứa số lượng lớn các mã bộ ba vốn là hiếm đối với tế bào đó, số lượng ít của các tARN đã được ấn định sẵn sàng cho các codon ấy sẽ làm chậm sự dịch mã Cuối cùng, vị trí của tế bào nơi

xảy ra sự dịch mã hình như cũng ảnh hưởng đến tốc độ biểu hiện gen

Các polysom tự do có thể dịch các mARN với các tốc độ rất khác biệt so

với tốc độ dịch mã của các polysom được gắn với lưới nội sinh chất

(LNSC): thậm chí bên trong LNSC, ở đấy tốc độ dịch mã có thể khác nhau Mặc dầu các ví dụ về sự điều hoà sau phiên mã đã được chứng

minh đối với mỗi bước đã được mô tả ö trên và đã được tóm tắt trong hình 1.9 sự biểu hiện của hầu hết các gen euharyota, tương tự các cở thể probaryota, được điều biến Ở mức phiên mã

— Su phiên mã trong các cở thể có nhân (eukaryota) được điều biến

bởi các trình tự điều hoà hoạt động dang —cis:

Trong sự tổng hợp của hầu hết các protein của eukaryota được điều

hoà ở mức phiên mã Tuy nhiên, sự phiên mã trong các cơ thể eukaryota

phức tạp hơn nhiều so với trong các cơ thể prokaryota: Đầu tiên, tổn tại

23

i

ba ARN — polymerase khaéc nhau trong cukaryota: I, II va II ARN —

polymerase I định cư trong nhân và hoạt động tổng hợp hầu hết các

ARN ribosom ARN — polymerase II, định cư trong chất nhân, chịu trách nhiệm tổng hợp các tién mARN (các ARN phiên mã, các ARN sơ khai) ARN — polymerase IT], cing dinh ew trong chat nhân, tổng hợp các ARN

bé nhỏ, chẳng hạn như tARN và rARN 5S

Sự khác biệt quan trọng thứ hai giữa sự phiên mã trong eukaryota

và trong các cơ thể prokaryota là các ARN ~ polymerase eukaryota đòi hỏi phải có các protein bổ sung, được gọi là các tác nhân phiên mã chung (general transcription factors) vào đúng vị trí tại nơi phiên mã xuất phát Trong khi đó, các ARN — polymerase prokaryota cũng đòi hỏi các polypeptit phụ trợ, được gọi là tác nhân sigma (2), những polypeptit

ấy được coi như là cdc don phan cla ARN — polymerase Ngược lai, các tác nhân phiên mã chung eukaryota được tạo nên từ phức hệ khởi động

phiên mã lớn, gồm nhiều đơn phân Ví dụ: bảy tác nhân phiên mã chung cấu thành phức hệ khởi động của ARN - polymerase II, mỗi một trong

chúng cần phải được bổ sung theo trật tự đặc hiệu trong thời gian tập hợp (hình 1.11)

Theo một mô hình hiện tại, phiên mã được khởi đầu khi tác nhân phiên mã cuối cùng, TFHH (tác nhân phiên mã đối với ARN - bolymerase II protein H), nối với phức hệ và gây nên sự phosphorin hoá ARN ~ polymerase Sau đó, ARN — polymerase II tách ra khỏi phức hệ khởi đầu và được tiến hành dọc theo sợi đối cảm (antisense strand) theo hướng từ 3' dén 5' Trong khi mét sd cc tac nhan phién mA chung tách rời khỏi phức hệ tại điểm đó, còn các tác nhân khác vẫn liên kết với phan tu ARN — polymerase khac va bắt đầu vòng phiên mã mới

Sự khác biệt thứ ba giữa sự phiên mã trong prokaryota và trong eukaryota là tính phức tạp của các trình tự khởi động (promoter), các trình tự ngược (5) của vị trí khởi động là các trình tự điều hoà sự phiên

mã Có thể chia cấu trúc của miền khởi động (promoter) eukaryota thành hai phần, lõi hoặc khởi động tối thiểu (core or minimum promoter)

gồm trình tự ngược (upstream) tối thiểu cần cho sự biểu hiện gen và các

trình tự điều hoà bổ sung, vốn kiểm tra hoạt tính của phần khởi động

16i (core promoter) (Lincoln et al., 2006)

Mỗi một trong ba ARN — polymerase có kiểu khác nhau của trình tự khởi động Một ví dụ về trình tự khởi động của ARN — polymerase II dién

hình như đã chỉ ra trong sơ đồ trên hình 1.10 Phần lõi (core promoter)

của các gen đã được phiên mã bởi ARN- polymerase IT kéo dài điển hình khoảng 100 cb (bp) ngược vị trí khởi động phiên mã và bao gồm một số các

trình tự thành phần dược coi là các trình tự gần miền khởi động

24

(proximal promoter sequences) Khoang 25 đến 35cb ngược trén (upstream)

vị trí khởi động phiên mã là một trình tự ngắn được gọi là hép TATA

(TATA box), bao gém trinh tu TATAAA (A) Hộp TATA đóng vai trò quyết

định trong phiên mã vì nó đóng vai trò như là vị trí tập hợp của phức hệ

khởi động phiên mã Khoảng 85% các gen của thực vật có trình tự như

vậy hầu như được chứa trong các hộp TATA

bdi ARN-polymerase II

1 TFIID, một phức hệ đa phân, gắn vào hộp TATA bằng con đường protein liên kết - TATA;

2) TFIIB nối phức hệ; 3) TFIIB gắn vào ARN — polymerase II liên kết với phức hệ, cùng với

TFIIE và TFIIH Tập hợp các protein được coi như là phức hệ khởi đầu phiên mã; 4) TFIIH,

một protein kinase, phosphorin hoá ARN ~ polymerase, một trong các tác nhân phiên mã

chung được giải phóng và bắt đầu phiên mã (Theo Alberts et al., 1994)

Ngoài hộp TATA, các phần lõi (các phần khởi động tối thiểu) của các

cơ thể eukaryota còn chứa hai trình tự điểu hoà bổ sung: hộp CAAT

(CAAT box) và hộp GC (GC box) như trên hình 1.11A Hai trình tự ấy

là các vị trí liên kết của các tác nhân phiên mã, đó là các protein gia

tăng tốc độ phiên mã bằng cách xúc tiến sự tập hợp của phức hệ khởi

động Bản thân các trình tự ADN được gọi là các trình tự dạng cis (cis

— acting sequences), vi rang chung 3 kế cận các đơn vị phiên mã mà

chúng điều hoà Các tác nhân phiên mã vốn gắn vào trình tự dang cis

25

được gọi là các tác nhân dạng trans (rans — acting factors), vì rằng các gen mã hoá chúng định cư ở đâu đó trong bộ gen (genome) Nhiều các trình tự dạng cis định cư ngược đòng xa hơn của các trình tự khởi động gần (proximal promoter sequences) có thể sử dụng sự kiểm tra hoặc dương, hoặc âm đối với các miền khởi động eukaryota

Các protein điều hoả gen Các tác nhân

phiên mã chung

/ \ -—— ARN polymease II

ADN

RGESCGGNEPHEEEHNMGCEE EATET RTATAA AE

GC box CAAT box TATA box a a

Miền khởi động tra gen /

gen X Sơ khai

Gen điều hoà

ap hor Tap hop Tap hop ot -

Protein vc „ma điêu hoà

chê mạnh

ARN - polymerase II và các tác nhân phiên mã chung

đầu phiên mã Hai trình tự điều hoà dang cis hoạt động làm tăng hoạt tính của ARN — polymerase II la hép CAAT và hộp GC, định cư tại khoảng 80 và 100 bp ngược dòng, một cách

tương ứng, của vị trí khởi động phiên mã Các protein ADN vốn gắn vào các thành phần ấy đã

được nhận biết; B) Điều hoà sự phiên mã bởi các trình tự điều hoà từ xa và các tác nhân dạng trans Các tác nhân dạng trans được gắn vào các trình tự điều hoà từ xa có thể hoạt động trong

quan hệ hoạt hoá phiên mã bởi sự tiếp xúc vật lý trực tiếp với phức hệ khởi động phiên mã Chỉ tiết của quá trình này chưa hoàn toàn sáng tỏ (Theo Alberts et al., 1994)

Những trình tự ấy được gọi là các trình tự điều hoà từ xa (distal

regulation sequences) và chúng thường định cư bên trong 1.000 cb của miền khởi động phiên mã Giống như với prokaryota, các tác nhân phiên

mã có tác động dương liên kết vào các vị trí ấy được gọi là các chất

hoạt hoá (activators), còn những chất ức chế sự phiên mã được gọi là cac chat te ché (repressors), Như sẽ được trình bày trong các chương

sau, các hormon thực vật điều hoà sự biểu hiện gen liên quan với trạng

26

thái bất hoạt của các protein ức chế Các trình tự dang cis lién quan véi

sự điều biến gen bởi các hormon và các chất truyền tín hiệu được gọi là

các thành tố trả lời

Như sẽ thảo luận trong các chương sau (về hormon thực vật), nhiều thành tố trả lời, vốn điều hoà sự biểu hiện gen, đã được nhận biết trong

thực vật Thêm vào các trình tự điều hoà đã có bên trong bản thân miền

khởi động, có thể chịu sự điều hoà của các thành tố kiểm tra của hàng

nghìn cặp bazơ (cb) định cư cách xa vị trí khởi động, Các trình tự điều hoà dương tính định cư từ xa được gọi là các gen tăng cường Các gen tăng cường có thể định cư hoặc ngược dòng, hoặc xuôi dòng so với trình

tự (gen) khởi động Đã chứng minh rằng, trong cơ thể thực vật, nhiều

gen thực vật quan trọng về mặt phát triển phải chịu sự điều hoà của các gen tăng cường (Sundarsan et al., 1998)

Các protein liên kết ADN trên các trình tự dang cis diéu hoa sự

phiên mã bằng cách nào? Trong khi hình thành phức hệ khởi động, ADN

giữa phần lõi của trình tự khởi động và các thành tố kiểm tra ở xa nhất

được cuộn hở theo cách cho phóp tất cả các tác nhân phiên mã gắn được vào đoạn của ADN để tạo được sự tiếp xúc vật lý với phức hệ khởi động (hình 1.118)

Thông qua sự tiếp xúc vật lý đó, tác nhân phiên mã thực hiên sự

kiểm tra của nó, hoặc là dương, hoặc là âm đối với sự phiên mã Số lượng lớn của các thành tố kiểm tra đã được nói đến có thể biến đổi hoạt tính

gen khởi động đơn, các khả năng đối với sự điều hoà gen theo cách khác nhau trong các cơ thể eukaryota là hầu như vô hạn

~ Các tác nhân phiên mã chứa các hình mẫu cấu trúc đặc hiệu:

Các tác nhân phiên mã chung có ba miển đặc trưng cấu trúc: miền

liên kết ADN, miền hoạt hoá phiên mã và miền liên kết - phối tử Để

gắn được vào các trình tự đặc hiệu của ADN, miền liên kết ADN phải có tương tác mạnh với xoắn kép thông qua sự hình thành các liên kết

hydro, liên kết ion và liên kết ghét nước Mặc đầu sự phối hợp riêng biệt

và sự phân bố không gian của các mối tương tác như vậy là độc nhất đối với mỗi trình tự, sự phân tích nhiều protein liên kết ADN dẫn đến sự nhận biết số lượng nhỏ các hình mẫu cấu trúc liên kết ADN được bảo

toàn cao Các mẫu hình đó được tóm tắt trong bảng 1.1 Hầu hết các tác nhân phiên mã được đặc trưng đến mức đó trong thực vật thuộc về lớp zipper (dạng cấu trúc kiểu khoá kéo) cơ sở (bZIP) của các protein liên kết ADN Các protein liên kết ADN chứa miền finger kẽm (zinc của các

protein liên kết ADN) là tương đối hiếm thấy trong thực vật

27

Ì Xoắn ~ vòng ~ xoắn Các tác nhân phiên |Hai xoắn œ tách biệt

ị (Helix-turn-helix) | mã điểu hoà các gen | nhau bởi vòng xoắn coon

ị

Ị vai trò cấu trúc quan

i trọng; liên kết vào ADN

hoặc là đơn phân hoặc

Xoắn — cuộn —| Protein liên kết —~|Xoắn œ ngắn được nối

| xoắn thành phân GT của các cuộn vào vòng xoắn œ

I (Helix-loop-helix)

|

Í

gen được phytocrom

điều hòa dài hơn, hoạt động như là nhị phân

Zipper leuxin

| (Zipper leucine)

Fos va Jun Một xoắn œ có khoảng

35 axit amin chứa

leuxin tại mỗi vị trí thứ bảy; sự nhị phân hoá diễn ra dọc theo bể

Sự biến đổi của mẫu

hình zipper leuxin trong

đó các axit amin ghét

nước khác thay thế leuxin và miền liên kết

ADN chứa các axit

đó hoạt động như thiết bị chuyển đổi (cầu dao đóng ngất) được phát

triển để hoạt hoá số lượng lớn các gen vốn cấu thành toàn bộ chương

trình gen dối với cấu trúc riêng biệt Các đột biến trong các các gen đồng dạng gây nên sự phát triển đồng đạng (homeosis), sự chuyển đổi của

28

một bộ phận cơ thể thành bộ phận cơ thể khác Ví dụ: sự đột biến đồng

dạng (đồng nguồn) trong gen ANTEN - NAPEDIA gây ra hiện tượng chân được hình thành tại vị trí của râu (anten) Khi so sánh các trình tự của các gen đồng dạng khác nhau trong Drosophila d& phat hién ra rằng, tất cả đều chứa đoạn gồm 60 axit amin được bảo toàn cao và được gọi là hộp đồng dạng (homeobox)

Các trình tự của hộp đồng dạng tương ứng hiện nay đã được nhận biết trong các gen quan trọng về mặt phát triển của động vật có xương sống và thực vật Không phải tất cả các gen vốn mã hoá các protein miền đồng dạng trong thực vật là các gen đồng dạng và ngược lại Như

đã biết trong sinh học phát triển thực vật, bốn gen đồng dạng trong hoa

của thực vật mã hoá các protein với mẫu hình xoắn — vòng — xoắn (helix

— turn ~ helix) liên kết ADN được gọi là miền MADS (hầu hết các gen

đồng dạng thực vật thuộc lớp các trình tự liên quan được biết như là các gen hộp MADS)

1.2.3.2 Truyền tín hiệu

Các tế bào phản ứng đối với môi trường sống bằng cách tái tổ chức cấu trúc của chúng, điều hoà hoạt tính của các protein và biến đổi hình mẫu biểu hiện gen Sự kích thích đối với các phản ứng như vậy được gọi

là tín hiệu (signal, hình 1.12) và các tín hiệu có thể là các phân tử bé, các đại phân tử, hoặc là các tác nhân vật lý, như ánh sáng

Cũng theo cách như đối với hiện tượng biểu hiện gen, trước tiên chúng ta xem xét quá trình truyền tín hiệu trong vì sinh vật và động vật

Các phân tử rơle (truyền) trong con đường

truyện tín hiệu

Hình 1.12 Tổng quan về tín hiệu tế bào

Từ phối cảnh của tế bào đang nhận tín hiệu, tín hiệu tế bào có thể được phân chia thành ba -giai đoạn: 1) Nhận tín hiệu; 2) Truyền tín hiệu và 3) Phân ứng trả lời của tế bào Khi diễn ra

sự nhận tín hiệu tại màng sinh chất, như được chỉ ra trên hình, giai đoạn truyền tín hiệu thường là con đường gồm một số bước, với mỗi phân tử trong con đường gây nên sự biến đổi trong phân tử tiếp theo Phân tử cuối cùng trong con đường kích hoạt các phản ứng của tế

bào (Theo Campbell và Reece, 2004)

29

a) Truyền tín hiệu trong prokaryota

Các tế bào prokaryota không thể tổn tại qua hàng tỷ năm tiến hoá

mà không phát triển tuyệt vời khả năng cảm ứng môi trường sống của chúng Như đã trình bày ở trên, vi khuẩn phản ứng đối với sự hiện hữu của chất dinh dưỡng bằng cách tổng hợp các protein phục vụ cho việc

hấp thụ và trao đổi chất dinh dưỡng đó Vi khuẩn cũng có thể phan ting đối với các tín hiệu không dinh dưỡng, cả vật lý và hoá học Các vi

khuẩn di động có thể điều chỉnh sự vận động của chúng phù hợp với gradient đang tồn tại của ánh sáng, oxy, thẩm thấu, nhiệt độ và các hoá chất độc trong môi trường

Các cơ chế cơ sở cho phép vi khuẩn cảm nhận và phản ứng đối với

môi trường của chúng là chung cho tất cả các hệ thống cảm thụ của tế bào, bao gồm kích thích thăm đò, khuếch đại tín hiệu và phản ứng trả lời thích hợp Nhiều con đường truyền tín hiệu vi khuẩn đã có sự tổn tại của các đơn vị điều biến được gọi là miền truyền (transmiter) và miền

nhận (receiver) Những thể điều biến ấy tạo nên cơ sở của cái gọi là các

hệ thống điều biến hai thành phần

~ Vi khuẩn sử dụng các hệ thống điều biến hai thành phần để cảm nhận các tín hiệu ngoại bào:

Vi khuẩn cảm nhận các hoá chất trong môi trường nhờ họ bé các

chất nhận bề mặt của tế bào, mỗi chất nhận liên quan với phản ứng đối với một nhóm hoá chất xác định (sau đây được coi như là các phối tử) Protein trong màng sinh chất vi khuẩn gắn trực tiếp vào phối tử hoặc

liên kết vào protein hoà tan vốn đã gắn với phối tử, trong sinh chất vùng biên giữa màng sinh chất và vách tế bào Trước khi liên kết, protein

màng chịu sự biến đổi cấu hình đã được truyền qua màng vào miển xytosol (tế bào chất) có protein chất nhận Sự biến đổi cấu hình như vậy khởi đầu con đường truyền tín hiệu dẫn đến phản ứng trả lời

Sự phản ứng nhiều mặt của vi khuẩn bao gồm điều hoà thẩm thấu,

tính hướng hoá và sự hình thành bào tử là được điều biến bởi hệ thống hai thành phần Theo Parkinson (1993), các hệ thống hai thành phần

gồm protein cảm biến và protein điểu hoà phản ứng (hình 1.13) Chức năng của protein cảm biến (sensor) là nhận tín hiệu và chuyển tín hiệu

đến miền điều hoà phản ứng gây nên phản ứng trả lời của tế bào (biểu hiện gen miền truyền), nơi truyền tín hiệu đến miền điều hoà phần ứng trả lời của tế bào gồm miền nhận, nơi nhận tín hiệu từ miền truyền của

protein cảm biến và miền ra, chẳng hạn như miền liên kết ADN, nơi gây

ra phản ứng trả lời

30

Ngay tức khắc, sau khi miền truyền trở nên được tự phosphorin hoá

trên gốc histidin, gốc phosphat được truyền đến gốc aspartat đặc hiệu cạnh điểm giữa của miển nhận trong protein điều hoà phản ứng (hình 1.14A) Kết quả là gốc aspartat đặc hiệu của protein điều hoà phản ứng

trả lời lại được phosphorin hoá (hình 1.14B) Sự phosphorin hoá gốc

aspartat làm cho protein điều hoà phản ứng chịu sự biến đổi cấu hình dẫn đến kết quả là nó (protein điều hoà phản ứng) được hoạt hoá

Bây giờ chúng ta xem vi khuẩn phát hiện tác nhân của môi trường (ví dụ: áp suất thẩm thấu trong môi trường sống của chúng) bằng cách nào?

~ Vi khuẩn phát hiện độ thẩm thấu bằng hệ thống hai thành phần:

Ví dụ về hệ thống hai thành phần tương đối đơn giản là hệ thống tín

hiệu liên quan với sự cảm nhận độ thẩm thấu trong FE colt E coli la vi khuẩn Gram âm và thực sự có hai màng tế bào, một màng trong và một

màng ngoài, tách biệt nhau bởi vách tế bào Màng trong là màng cẩn

thấm sơ cấp của tế bào Màng ngoài chứa các lỗ lớn bao gầm hai kiểu các protein 16 (porin proteins), OmpF và OmpC, cáé lỗ được cấu thành bởi OmpF lớn hơn so với các lỗ được cấu thành từ OmpC

đ1

Hình 1.14 Cơ chế tín hiệu phosphorin hoá của các hệ thống hai thành phần vi khuẩn A) Miền truyền của protein cảm biển chứa histidin được bảo toàn (H) tại N— đầu cuối của nó, trong khi miền nhận của chất điều hoà phản ứng trả lời chứa gốc aspartat bảo toàn D; B) Miền truyền tự phosphorin hoá tại gốc histidin bảo toàn của nó và truyền gốc phosphat đến aspartat của chất điều khiển phản ứng trả lời Sau đó chất điều hoà phản ứng trả lời chịu

sự biến đổi cấu hình dẫn đến trả lời (Theo Parkinson, 1993)

Khi E coli tiếp xúc với độ thẩm thấu cao trong môi trường, nó tổng hợp nhiều OmpC hơn OmpE, kết quả là tạo nên các lỗ bé hơn trên màng

ngoài Các lỗ bé đó lọc bỏ các chất tan ra khỏi tế bào chất miền biên, bảo

vệ màng trong tránh khỏi tác động của nồng độ chất tan cao trong môi trường bên ngoài Khi vì khuẩn ở trong môi trường với độ thẩm thấu

thấp, nhiều OmpF' được tổng hợp và kích thước trung bình của các lỗ

được tăng lên

Sự biểu hiện các gen, như được chỉ ra trên hinh 1.15 cho thấy rằng,

các gen mã hoá hai protein lỗ được hệ thống hai thành phần điều biến Protein cam bién, EnvZ, định cư trên màng trong Nó gồm miền vào của sinh chất vùng biên đầu cuối —N vốn phát hiện những biến đổi thẩm

thấu trong môi trường nằm giữa hai đoạn mạch protein xuyên qua

` màng và miền truyền qua tế bào chất có đầu cuối —C : Khi độ thẩm thấu của môi trường gia tăng, miền vào chịu sự biến đổi cấu hình vốn được truyền qua màng đến miền truyền Sau đó, miền truyền tự phosphorin hoá gốc histidin của nó Gốc phosphat được

truyền nhanh chóng đến gốc aspartat của miền nhận của chất điều hoà

phản ứng, OmpR N- đầu cuối của OmpR gồm miền liên kết ADN Khi được hoạt hoá bởi phosphorin hoá, miền đó tương tác với ARN - polymerase tại trình tự khởi động của các protein lỗ (porin proteins) 32

làm gia tăng sự biểu hiện của OmpC và ức chế sự biểu hiện của OmpE

Trong điều kiện độ thẩm thấu trong môi trường thấp, dạng không được

hoạt hoá của OmpR kích thích sự biểu hiện của OmpF và ức chế sự

biểu hiện của OmpC Trong con đường ấy, độ thẩm thấu kích thích được

truyền tới các gen

Độ thẩm thầu của môi trường

Y

Khi độ thẩm thấu của môi trường cao, protein cảm biến màng, EnvZ (ở dạng nhị phân), hoạt

động như là một enzym kinase histidin tự phosphorin hoá Sau đó EnvZ đã được phosphorin hoá phosphorin hoá chất điểu hòa phản ứng trả lời, OmpR, chất này đã có miền liên kết

ADN OmpR đã được phosphorin hoá gắn kết vào các gen khởi đầu của hai gen lỗ, OmpŒ

và OmpF, gia tăng sự biểu hiện gen của OmpC và ức chế sự biểu hiện gen của OmpF Khi

độ thẩm thấu của môi trường thấp, EnvZ hoạt động như là một protein phosphatase thay cho kinase và dephosphorin hoá OmpR Khi dạng không được phosphorin hoá của OmpR liên

kết vào các gen khởi đầu của hai gen sự biểu hiện cla OmpC bị ức chế và sự biểu hiện của

OmpF được kích thích (Theo Parkinson, 1993)

Hệ thống hai thành phần như vậy cũng đã được phát hiện trong các

cơ thể có nhân (eukaryota)

33

~ Mô hình của con đường truyền tín hiệu:

Mặc dầu tổn tại sự khác biệt nhất định trong con đường truyền tín hiệu giữa prokaryota và eukaryota, tổn tại những bước cơ sở chung trong tất cả các cơ thể sống Trước tiên, chúng ta tìm hiểu các cơ sở chung trong mô hình của con đường truyền tín hiệu đã được xác lập ở vi

khuẩn E coi (hình 1.16)

Môi trường Chất tan ““— Không gian

(tín hiệu) — giữa mảng

Cac chat tan thấm vào không gian

giữa hai màng qua các lỗ lớn trong

màng ngoài của E coii

Vách tế bao

Protein mảng EnvZ biến đổi hình dạng trong

phản ứng dối với nồng độ chất tan cao, dang

xúc tác sự bổ sung phosphat từ ATP

Tế bảo chất

Phosphat từ EnvZ dược truyên đến

protein OmpR ALY

_.va OmpR đã được phosphorrin Ì cmpế(

hoa biến đổi cấu hình làm cho nó liên

kết được vào ADN và kích thích sự

phiên mã của gen OmpC

Protein được gãn vào màng ngoài, ngăn

cản chất tan xắm nhập vào và giữ ap suat

thấm thấu trong môi trường bên ngoài được

Hình 1.16 Mô hình của con đường truyền tín hiệu

E coli phản ứng đối với sự gia tăng nồng độ chất tan trong môi trường sống của nó Các bước

cơ bản của con đường này diễn ra trong mọi cơ thể sống

34

b) Hệ thống hai thành phần liên quan đã được phát hiện trong eukaryota

Cách nay không lâu, các protein điều hoà phản ứng cảm nhận phối hợp liên quan đến hệ thống hai thành phần đã được phát hiện trong nấm men và trong thực vật Ví dụ: gen SLN1 của nấm men Sơccharrm,yces

cerevisae mA hoa protein 134 kDa vén có trình tự tương đồng đối với cả miền truyền và miền nhận của vi khuẩn và thể hiện chức năng điều hoà

thẩm thấu (Ota và Varshavsksy, 1993)

Đã có minh chứng rằng, một số hệ thống truyền tín hiệu thực vật có quan hệ với hệ thống hai thành phần vi khuẩn Chẳng hạn, sắc tố hấp thụ ánh sáng đổ/đỏ — xa, phytocrom, hiện nay đã được minh chứng trong khuẩn lam (Cyønobacteria) và nó xuất hiện phải có quan hệ đến protein cảm nhận vi khuẩn

Thêm vào đó, các gen vốn mã hoá các chất nhận giả định đối với hai hormon thực vật: xytokinin và etylen, cả hai chứa các miền kinase histidin tự phosphorin hoá (xem thêm chương 4 và ð), cũng như các hoạ tiết điều hoà phản ứng kế cận

c) Truyền tín hiệu trong euharyotg

Nhiều các loai vi sinh vat c6 nhan (Eukaryota) sử dụng các tín hiệu

hoá học trong sự truyền tin giữa các tế bào Chẳng hạn, trong loài mốc nhầy (Disfyosfelium), khi bị đói, một số tế bào bài tiết ra AMP mạch vòng (ceAMP) cAMP được tiết ra khuếch tán qua cơ chất và cảm ứng các

tế bào bên cạnh liên kết lại thành cụm nấm giống ốc sên Các tác nhân

kiểu giao phối của nấm men là một ví dụ khác của sự truyền tin hoá học

giữa các tế bào của các vi sinh vật đã có bước tiến lớn về độ phức tạp khi các tế bào eukaryota bắt đầu liên kết lại với nhau như là các cơ thể đa bào Tiếp sau sự tiến hoá của tính đa bào, xuất hiện xu thế luôn luôn tăng sự chuyên hoá, cũng như phát triển các mô và cơ quan để tạo thành các chức năng chuyên biệt

Trong các cơ thể đa bào, sự phối hợp của các phản ứng phát triển và môi trường đòi hỏi phải xuất hiện các cơ chế truyền tín hiệu Trong cơ

thể động vật, hình thành và phát triển hai cơ chế chủ yếu liên quan, đó

là thần kinh (hình 1.17) và nội tiết (hình 1.18) Thực vật không có hệ thần kinh, nhưng chúng phát triển hệ các hormon như là các tín hiệu hoá học Vì là các cơ thể quang hợp, thực vật cũng phát triển cơ chế thích nghỉ sự sinh trưởng và phát triển của nó đối với số lượng và phẩm chất ánh sáng

35

Trong các chương từ chương 2 đến chương 7, chúng ta sẽ làm rõ các

cơ chế truyền tín hiệu trong thực vật

Mặc dầu con đường truyền tín hiệu trong thực vật khác biệt với động vật nhưng các cơ chế cơ sở của con đường truyền tín hiệu trong cơ thể động vật và thực vật có những nét tương đồng Do vậy, để nghiên cứu quá trình truyền tín hiệu trong thực vật được thuận lợi, chúng ta xem xét khái quát một vài ví dụ về con đường truyền tín hiệu trong cơ thể động vật

Sự truyền tín hiệu qua hệ thần kinh ở động vật ở mức độ khái quát với ví dụ truyền tín hiệu khứu giác từ môi trường bên ngoài vào bộ não người được minh hoạ như trên hình 1.17

Tín hiệu đến não

hàn (1) Liên kết phân tử bốc mùi vào (2) G protein hoạt hoá sự tổng hợp (3) cAMP hoạt hoá mở các

© i chất nhận hoat hoa G protein cAMP bởi adenyl xyclase kênh ion

điểu biến cAMP

Bên trong (4) Biến đổi nổng độ ion bên

miền đặc hiệu của não, nơi tín hiệu được nhận như mùi thơm

Tin hiệu

Vào não

Hình 1.17 Con đường truyền tín hiệu dẫn đến sự mở các kênh ion

Trong con đường truyền tín hiệu đối với sự cảm nhận khứu giác, hiệu Ứng cuối cùng là mở các kênh Na" Kết quả là dòng Na' đi vào kích thích sự truyền tín hiệu mùi đến miền chuyên biệt của não

Trên cơ sở của cơ chế biểu hiện gen và truyền tín hiệu đã được xem xét, chúng ta nghiên cứu tác động của các phytohormon như là các chất

điều biến (effectors), đóng vai trò như là hệ điều hoà giữa các tế bào, các

mô và các cơ quan đối với các chức năng sinh ly và phát triển của co thể thực vật trong các chương tiếp theo,

36

(A) Các tín hiệu cục bộ (B) Các tin hiệu từ xa

Các tín hiệu tự tiết liên kết Các tín hiệu cận tiết liên kết Các tín hiệu tuần hoàn được vận chuyển theo hệ thống tuần vào các chất nhận ở trên vào các chất nhận Ở trên các hoàn và liên kết vào các chất nhận ở trên các tế bào cách xa

tẻ bảo tiết ra chúng tế bào lân cận

Các tế bào không có các chất nhận không

phản ứng đối với tín hiệu riêng biệt

2) t

Sg

(mach mau) TE bao dich

Hình 1.18 Minh hoạ các con đường truyền tín hiệu cục bộ và tín hiệu từ xa

trong cơ thể động vật

Các hệ thống tín hiệu hoá học: Phân tử tín hiệu có thể tác động lên tế bào vốn sản sinh ra

no hoặc các tế bào lân cận (A) Nhiều tín hiệu tác động lên các tế bào ở cách xa, nơi phân

tử tín hiệu được vận chuyển đến theo hệ thống tuần hoàn của cơ thể (B)

Với sự xuất hiện cơ thể đa bào, hình thành, phát triển và hoàn thiện

các hệ thống điều hoà giữa các tế bào, các mô và các cơ quan trong cơ thể Hệ thống điều hoà như vậy ít ra bao gềm hệ điều hoà dinh dưỡng, hormon (chính là nội dung của giáo trình này) và điện sinh lý Những tương tác như vậy giữa các tế bào xuất hiện tức khắc trong nuôi cấy cách ly các bộ phận hoặc cơ quan thực vật Trong mọi trường hợp, để duy trì sự sống của các bộ phận cách ly cần phải bổ sung vào môi trường nuôi cấy các tác nhân dinh đưỡng và hormon với liều lượng giống như được các cơ quan khác trong cơ thể cung cấp như khi cây nguyên vẹn

d) Tín hiệu thứ hơi

Quan niệm về tín hiệu thứ hai:

Hàng loạt tín hiệu đạt đến bể mặt tế bào đồi hỏi phải có số lượng các chất nhận tương ứng Nhiều tín hiệu làm cho tế bào hoặc phân chia,

hoặc rời khỏi chu trình tế bào, những tín hiệu khác cảm ứng sự biểu hiện các nhóm gen đặc hiệu liên quan với khả năng bảo vệ tế bào khỏi điều kiện bất lợi của môi trường Nhưng vùng phân bố của các phản ứng trả lời thì ít hơn nhiều Vì vậy, các con đường truyền tín hiệu sớm hội tụ vào một số các mạng tín hiệu nội bào thành các tín hiệu hoá sinh giản đơn trong tế bào chất Những phân tử liên quan đến quá trình đó được gọi là tín hiệu thứ hai (hình 1.19À)

— Một số đại diện tín hiệu thứ hai:

+ Hiện nay đã biết 7 tín hiệu thứ hai:

37

1) 3',5'-AMP vong (3'.5'-cAMP); 2) 3,5-GMP vòng (3,5-cGMP); 3) Ribose-ADP vong: 4) Tin hiệu thứ hai thuộc hợp chat lipit, đó là 1,2-diaxylglyxerol (DAG; 5) Inositol (1,4,5-triphosphat, viết tắt là IP3); 6) Nitơ oxit (NO); 7) lon canxi (Ca??

+ Dưới đây (hình 1.19A) là công thức cấu tạo của các tín hiệu thứ hai dé:

Hình 1.19 Các tin hiệu thứ hai và sự tham gia của chúng

vào các con đường truyén tín hiệu A) Cấu tạo của 7 tín hiệu thứ hai; B) Mô hình khái quát đối với các con đường truyền tín hiệu

có sự tham gia của các tín hiệu thứ hai (Theo Campbell et al., 2009)

38

ea

»

Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các hệ thống điều hoà trong các cơ thê đa bào

4.3 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ GIỮA CÁC TẾ BÀO, MÔ VÀ CƠ QUAN

Trong cơ thể đa bào tổn tại các hệ điều hoà sự tương tác giữa các tế

bào trong cùng một mô và giữa các mô trong một cơ quan, cũng như giữa các cơ quan trong cơ thể nguyên vẹn Điều đó đảm bảo cho các quá trình sống diễn ra một cách nhịp nhàng, hài hoà thông qua các hệ điều hoà dinh đưỡng, điện sinh lý, nhịp nội tại (đổng bổ sinh học) và hormon Trong mục này chúng ta tìm hiểu khái quát về ba hệ thống điều hoà trước khi đi sâu nghiên cứu về vai trò của hormon trong cơ thể thực vật vốn là nhiệm vụ chủ yếu của giáo trình này

1.3.1 Điều hoà dinh dưỡng

Đó là mối tương tác thông qua các chất dinh dưỡng, một phương

thức giản đơn nhất của mối liên hệ giữa các tế bào, mô và cơ quan Ỏ thực vật, rễ và các cơ quan dị dưỡng khác phụ thuộc vào sự cung cấp các chất đồng hoá được hình thành trong lá trong quá trình quang hợp Đến lượt mình, các cơ quan trên mặt đất lại cần các chất dinh dưỡng và nước

được rễ hấp thụ từ đất Rễ sử dụng các chất đồng hoá đến từ cành cho nhu cầu riêng của bản thân, còn một phần các chất hữu cơ đã được chuyển hoá tại rễ sẽ di chuyển theo hướng ngược lại Trong điều kiện vô

trùng của thực nghiệm, để phát triển bình thường, ngoài các chất dinh

dưỡng khoáng và đường còn cần một số vitamin như B,, B¿ và axit

nicotinic R6 rang rằng, vitamin xâm nhập vào rễ từ hệ cành

Sự biến động về hàm lượng các nguyên tố đỉnh dưỡng khác nhau gây ảnh hưởng đến trao đổi chất, đến các chức năng sinh lý và quá trình

phát sinh hình thái của cơ thể thực vật Chúng ta cũng đã biết rõ những biến đổi đặc trưng do thiếu hoặc thừa các nguyên tế định dưỡng nào đó trong cơ thể thực vật Khi cây bị đói, xuất hiện sự cạnh tranh của các

miền khác nhau đối với sản phẩm dinh dưỡng Điều đó ảnh hưởng đến quá trình phát sinh hình thái Trong các điều kiện không thuận lợi về

mặt dinh dưỡng, thực vật bậc thấp chuyển sang phát triển sinh sản

"Thực vật ngày dài sinh trưởng trong điều kiện ngày dài gia tăng ra hoa khi hàm lượng các hợp chất hydrat cacbon cao và hàm lượng các hợp

chất nitơ tương đối thấp; còn sự ra hoa của thực vật ngày ngắn sống ở diều kiện ngày ngắn được tăng tốc khi hàm lượng hydrat cacbon thấp và

bàm lượng các hợp chat nit cao

39

Tuy nhiên, sự điều hoà đỉnh đưỡng mang đặc trưng định lượng nhiều

hơn định tính Thường khi điều kiện dinh dưỡng hạn chế, sự phát triển của cây được tiếp tục phù hợp với quy luật nội tại, ở chúng hình thành

nên những cơ quan với kích thước bé nhỏ và giảm số lượng lá, quả và

hạt Điều lý thú là kích thước cuối cùng của hạt đã hình thành, thậm chí chỉ có một hạt, ít khác biệt với mức bình thường Tất cả điều đó chứng tỏ rằng, song song với mối tương tác về mặt đỉnh dưỡng, trong cơ thể thực

vật tồn tại các hệ điểu hoà hoàn chỉnh hoạt động, đảm bảo được mối liên

hệ của tất cả các phần của cơ thể,

1.3.2 Điều hoà điện sinh lý

Cơ thể thực vật khác biệt với cơ thể động vật là không có hệ thần kinh Tuy vậy, mối tương tác điện sinh lý giữa các tế bào, các mô và các

cơ quan đóng vai trò quan trọng trong sự phối hợp hoạt tính chức năng

và phát sinh hình thái Giữa các bộ phận khác nhau của cơ thể thực vật tổn tại một hiệu điện thế (điện trường và đòng điện) tĩnh, hay đúng hơn

là điện thế biến động chậm Chúng ta cũng đã quan sát được thế điện tác động cục bộ và lan truyền Những dạng hoạt tính điện như vậy tạo nên hệ thống điều hoà điện sinh lý

1.3.2.1 Trường điện trường và dòng điện trong cơ thể thực vật

Những chuyển dịch các đồng ion trong tế bào của mô và cơ quan khác

nhau do các nhân tố ngoại cảnh hoặc nội tại gây nên và dẫn tới sự biến đổi trị số điện thế màng trong các tế bào và làm xuất hiện, hoặc biến đổi điện thế giữa các miền ấy và tại các miền khác của cơ thể thực vật Ví dụ: dính sinh trưởng của tảo Chœrơ, nón nấm và chổi đỉnh đang phát triển

của thực vật bậc cao thường là tích điện dương so với các phần nằm gần

gốc hơn Phần lõi của thân tích điện dương so với mặt ngoài, đỉnh bao lá mầm tích điện âm so với gốc của nó (Polevôi, 1989) Tại rễ cây mạ, đầu rễ

(khoảng từ 0 đến 1,ðmm) và lông hút tích điện dương Trong số lớn trường hợp, phần trên mặt đất tích điện dương so với rễ Giữa các miền ấy của cây xuất hiện một dòng diện khoảng 0,1— 0,4uuA,

Mọi biểu hiện hoạt động sống của tế bào và mô thường kèm theo sự biến đối điện thế Ví dụ: chiếu sáng các lá đã được che bóng trước đó làm xuất hiện phản ứng điện sinh lý đặc trưng Xử lý mô bằng auxin gây nên

sự tích điện dương tạm thời tại miền cây được xử lý (đường dẫn ngoại

bào) Hiện tượng tích điện dương ở thực vật thường liên quan với sự hoạt hoá bơm hydro (H” ~ ATPase) và lạ đặc trưng đối với các mô có hoạt tính trao đối chất cao

40