Kiểm soát biểu gen Gs Bùi Tấn Anh - Phạm Thị Nga I II III KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN GEN Ở VI KHUẨN Kiểm soát âm tính Sự kiểm soát dương tính KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN Ở TẾ BÀO CHÂN HẠCH Tổ chức nhiễm sắc thể nhóm chân hạch Bằng chứng việc kiểm soát phiên mã gen Sự ghi dấu: cách trì hoạt động gen Cơ chế kiểm soát phiên mã Sự kiểm soát sau phiên mã UNG THƯ Ðặc điểm tế bào ung thư Giả thuyết nhiều bước Gen gây ung thư (Oncogen) Nguyên nhân môi trường ung thư CHƯƠNG V KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN Mỗi tế bào thể sinh vật đa bào nhận trọn vẹn nhiễm sắc thể, ADN tế bào ban đầu mà từ sinh vật phát triển Các trình tự nucleotid ADN nầy chứa đựng toàn b tin di truyền, sở tiến hóa tế bào Dù cho tế bào thể nhận thông t tế bào nầy khác với tế bào tế bào hoạt động theo phương thức hoàn to Thật vậy, có số gen gen tế bào sản xuất protein thời điểm có v trăm ADN nầy hoạt động Chúng ta thấy nhiều điều chỉnh nhỏ hóa học tế bào thay đổi tro động enzim, điều chỉnh lớn đòi hỏi thay đổi biểu gen tế bào Trong chương khảo sát tính logic chế kiểm soát gen, trình mà n biết có chất hóa học liên kết trực tiếp gián tiếp với ADN mARN I KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN GEN Ở VI KHUẨN Trước nhà nghiên cứu biểu gen vi khuẩn đưa nhiều giả định trìn tìm hiểu Thứ nhất, gen mà sản phẩm chúng cần thiết thời điểm biểu Th hầu hết gen mã hóa cho enzim mà enzim kiểm soát bước trình sinh hóa, nên hóa cho nhiều enzim trình phải kiểm soát thành nhóm Những giả định chứng minh nhiều trường hợp phiên mã vi khuẩn Mô h tiên kiểm soát gen hình thành từ nghiên cứu vi khuẩn đường ruột E coli 1.Sự kiểm soát âm tính a Sự cảm ứng gen: mô hình Jacob Monod Trong công trình nghiên cứu kéo dài tổng hợp protein E coli, từ cuối năm 1940, sinh hóa người Pháp François Jacob Jacques Monod xây dựng mô hình gen điều hòa tế khuẩn Họ tập trung vào (-galactosidaz loại enzim xúc tác phân giải lactoz thành glucoz galactoz Lactoz lúc có sẵn cho E coli Vì gen qui định (-galactosidaz thường p với tỉ lệ thấp Jacob Monod nhận thấy sản xuất thêm loại enzim tiêu hóa thường có mặt chất gọi chất cảm ứng (inducer), trường hợp allolactoz, dẫn xuất củ sản xuất tự động tế bào có lactoz Như (-galactosidaz enzim cảm ứng (inducible enz Jacob Monod chứng minh tham gia gen việc sản xuất (- galactosidaz khác tham gia vào phân giải lactoz: có gen gọi gen cấu trúc (structure gen), gen chuyên biệt ch tự acid amin loại enzim, gen điều hòa (regulator gen) kiểm soát hoạt động gen cấu t giả định gen điều hòa nằm gen cấu trúc, điều khiển tổng hợp chất ức chế (repressor) m protein ngăn cản phiên mã gen cấu trúc Jacob Monod khám phá có vùng đặc biệt ADN, nằm vùng khởi động (pr gen cấu trúc (- galactosidaz xác định phiên mã gen tiến hành Họ gọi vùng vùng huy (operator) tập hợp vùng huy ba gen cấu trúc gọi operon Khi chấ gắn vào vùng huy, ARN polymeraz không bám vào vùng khởi động ADN phiên mã bị n (Hình A) Hình Một thí dụ operon cảm ứng: Lac operon Nếu có mặt chất cảm ứng, liên kết với chất ức chế gây thay đổi hình thể chất ức chúng gắn vào vùng huy Nói cách khác, chất cảm ứng làm bất hoạt chất ức chế (Hình B) tự liên kết với vùng khởi động, ARN polymeraz mở đầu phiên mã gen cấu trúc hợp mARN (Hình 1C) Phân tử mARN có mang thông tin ba gen cấu trúc, chúng bám vào ribô thể bào chất, thông tin chúng giải mã ba enzim cần thiết cho biến dưỡng lactoz tổng h b Sự ức chế gen Hình Operon ức chế Không phải tất operon điều hòa theo cách thức giống lac operon (một loại ope ứng), nghĩa bất hoạt bật lên chất cảm ứng Nhiều operon hoạt động liên tục tr đóng lại chất đồng ức chế (corepressor) Một thí dụ operon mà gen cấu trúc mã hóa enzim cần thiết để tổng hợp acid amin tryptophan Bình thường operon hoạt động E coli đư cấy môi trường có tryptophan operon đóng lại Các enzim mã hóa gen mà bình thường động bị ức chế gọi enzim ức chế (repressible enzim) Trong trường hợp này, protein mã hóa gen điều hòa không hoạt động lúc tổng hợp Chỉ có chất đồng ức chế hoạt hóa làm gắn vào operon, cản trở bám ARN polymeraz (Hình 2) Không g enzim cảm ứng tổng hợp operon chúng kích hoạt chất cảm ứng, enzim tổng hợp tự động operon chúng bị đóng chất đồng ức chế Trong tổng hợp tryp tryptophan hoạt hóa protein ức chế, làm cho gắn vào vùng huy Một chất cảm ứng thường chất trình sinh hóa số chất có quan thiết với chất Ngược lại chất đồng ức chế thường sản phẩm cuối trình sinh hóa chất có quan hệ mật thiết với trình Sự kiểm soát dương tính Cả hai trường hợp vừa thảo luận thí dụ kiểm soát âm tính: chất ức chế vùng huy làm đóng phiên mã Trong trường hợp kiểm soát khử hoạt tính chấ chất cảm ứng trường hợp khác hoạt hóa chất đồng ức chế Sự kiểm tính dù loại loại cách phổ biến điều hòa biểu gen nhóm sơ hạch Tu vài hệ thống điều hòa kiểm soát dương tính: protein kiểm soát gắn trực tiếp vào A hoạt hóa operon Bây xem hệ thống kiểm soát dương tính làm việc nào? Chúng ta thấy ARN polymeraz nhận biết gắn vào trình tự vùng khởi động kế cận vùng huy khởi động nhiều gen thường có trình tự nucleotid giống hệt (trình tự phổ biến) Các gen mà vù động có trình tự khác với trình tự phổ biến thường phiên mã ARN polymeraz gắn vào chúng m lỏng lẽo Trong kiểm soát dương tính gen vậy, protein kiểm soát gọi yếu tố p (transcription factor-TF) gắn vào vùnghoạt hóa (activator) phía trước vùng khởi động củng cố trình vùng nầy, giúp cho polymeraz gắn vào làm cho phiên mã thuận lợi Có kiểu kiểm soát dương tính biết: Trong kiểu thứ nhất, chất hóa học gắn vào TF, gây biến dạng hoạt hóa TF, giúp gắn v làm thuận lợi cho phiên mã Thí dụ TF thường gặp CAP (catabolic gene activator protein: prot động gen biến dưỡng) E coli Khi glucoz, thức ăn (ưa thích( vi khuẩn (nghĩa biế nhanh chóng hiệu nhất), trở nên khan hiếm, chất liên lạc AMP vòng sản xuất AMP vòng hoạt hóa CAP, phiên mã operon biến dưỡng chất dinh dưỡng tăng lên nhanh chóng (Hình 3) Trong kiểu thứ hai, protein kiểm soát bình thường hoạt động bị bất hoạt có phân gắn vào Khi bị bất hoạt, protein giúp ARN polymeraz gắn vào trình tự vùng khởi động v phiên mã bị giảm đến tối thiểu Thí dụ tín hiệu AMP vòng, thông qua CAP, hoạt hóa operon nh tiêu hóa chất dinh dưỡng, đồng thời làm bất hoạt protein TF Lúc hệ thống biến dưỡng nguồn thự hoạt hóa hệ thống biến dưỡng glucoz tạm thời bị ngưng hoạt động Hình Sự cảm ứng phiên mã CAP II KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN Ở TẾ BÀO CHÂN HẠCH Tổ chức nhiễm sắc thể nhóm chân hạch a Vai trò protein nhiễm sắc thể Như ta biết chương 6, nhiễm sắc thể bao gồm ADN protein Protein nhiễm sắc thể gồm histon phi histon Một số chứng cho thấy histon thành phần chủ yếu thể nhân tham gia vào biểu h vai trò chúng thụ động : với lõi thể nhân, phiên mã tiến hành duỗi xoắ thiết để ARN polymeraz gắn vào ADN Những chứng gần cho thấy protein phi histon giữ vai trò quan trọng nhiều tác nhân chọn lọc điều hòa gen Một số protein gắn trực tiếp vào ADN liên kết với lõi thể nhân Chúng biểu đa dạng chúng có tính chuyên biệt cần thiết yếu tố kiểm soát Hơn nữa, protein phi histon dường tham gia cấu trúc chất nhiễm sắc lẽ vai trò chúng điều hòa Ít vài protein phi histon liên kết với vùng kiểm soát chuyên b ADN làm nới lỏng vòng (loop) nhiễm sắc thể b ADN có trình tự lặp lại cao Tổ chức nhiễm sắc thể tế bào chân hạch phát phần lớn nhờ vào kỹ thuật lai ADN hybridization) Các kỹ thuật lai ADN cho thấy lịch sử tiến hóa nhiễm sắc thể nhóm sơ hạch chân hạch khác Có lẽ tương phản rõ gen (genome) nhóm chân hạch có trình t phiên mã, trình tự có nhiều Chẳng hạn khoảng 10% phần lớn ADN tế b hạch chứa trình tự baz tìm thấy mà hàng ngàn lần gen, nên gọi có trình tự lặp lại cao