Điều hòa hoạt động gen

Tổng hợp về điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ, nhân thực, cơ chế ung thư,... với đầy đủ hình ảnh minh họa, rõ nét. Chuyên về các quá trình điều hòa ở cả nhân sơ và nhân thực như điều hòa dương tính, âm tính (Lactose và Tryptophan), điều hòa trước sau dịch phiên mã

Điều hòa biểu gene MỞ ĐẦU Điều hòa hoạt động gene: điều hòa lượng sản phẩm gene tạo hay điều hòa trình nhân đôi DNA , phiên mã tạo ARN trình tổng hợp protein Ý nghĩa việc điều hòa hoạt động gene: Giúp cho tế bào thể đóng hay mở gene định vào thời điểm định để đáp ứng với điều kiện môi trường thay đổi phát triển bình thường thể Giúp thể điều khiển lượng sản phẩm gene tạo nhiều hay phù hợp với nhu cầu Mục đích điều hoà biểu gene nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý hóa môi trường, tạo số lượng số loại cần thiết để đảm bảo nhu cầu tế bào phát triển sinh sản (Ví dụ trình phát triển cá thể giai đoạn giai đoạn khác lại biểu tính trạng khác nhau) Tổng quát trình điều hòa hệ gene nhân sơ nhân thực Quá trình điều hòa hoạt động gene sinh vật phức tạp, xảy nhiều mức độ khác : Điều hòa phiên mã (điều hòa số lượng mARN tổng hợp tế bào) Điều hòa dịch mã (điều hòa lượng protein tạo ra) Điều hòa sau dịch mã (làm biến dổi protein sau tổng hợp để thực chức định) Ở nhân sơ, mục đích điều hòa biểu gene nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với tác nhân dinh dưỡng lý hóa môi trường, đảm bảo hai yêu cầu tế bào sinh trưởng sinh sản Sự điều hòa linh động có tính thuận nghịch Ở nhân thực, tế bào không tiếp xúc trực tiếp với môi trường, nên điều hòa không nhằm mục đích đối phó với biến động ngoại bào Sự điều hòa nhân thực hướng đến việc chuyên biệt hóa loại tế bào vào cấu trúc chức riêng không mang tính thuận nghịch Ba giai đoạn điều hòa biểu gene là: Tín hiệu gây đáp ứng làm thay đổi biểu gene, giai đoạn thực điều hòa trình từ tái đến dịch mã chế phân tử điều hòa biểu gene Điều hòa hệ gene sinh vật nhân sơ: 1.1 Giới thiệu Các tế bào vi khuẩn có khả bảo tồn nguồn dinh dưỡng sơ cấp lượng có ưu chọn lọc cao so với tế bào khả Vậy chọn lọc tự nhiên ủng hộ cho vi khuẩn biểu gene mà chúng cần Quá trình điều hòa hoạt động gene sinh vật nhân sơ tiến hành chủ yếu mức độ phiên mã, tức điều hòa lượng mARN tổng hợp nhiều hay qua điều hòa lượng sản phẩm gene 1.2.1 Operon Lac chế điều hòa âm tính (negative control) 1.2.1.1 Cấu trúc operon lac (khái niệm bản): Các gene cấu trúc opera lac bao gồm gene quy định loại protein màng permeaza (gene Y) làm nhiệm vụ vận chuyển đường lactose vào tế bào gene β-galactozidaza (kí hiệu Z) quy định tổng hợp enzim β-galactozidaza có chức phân giải đường lactose thành glucose galactose Còn gene thứ transcetylaza (kí hiệu A) quy định enzim transacetylaza Tuy nhiên, người ta chưa rõ chức enzim việc chuyển hóa lactose Tất gene cấu trúc phiên mã lúc nằm phân tử mARN nhất, trình tự khởi động (promoter) dùng chung cho tất gene Vì vậy, gene cấu trúc operon phiên mã không phiên mã Ưu điểm việc ghép nhóm gên có liên quan chức vào đơn vị phiên mã tế bào dùng “công tắc bật-tắt” để điều khiển toàn cụm gene có quan hệ hoạt động với nhau, nói cách khác, gene điều khiển phối hợp Khi tế bào e.coli cần phân giải đường lactose môi trường dinh dưỡng chứa chất tất gene mã hóa cho enzyme cần cho đường phân giải lactose dịch mã đồng thời Công tắc bật – tắt đoạn trình tự DNA gọi trình tự vận hành, hay operator Vị trí tên gọi trình tự phản ảnh hoạt động chức nó: thường nằm promoter, nằm promoter vùng mã hóa enzyme, trình tự vận hành điều khiển khả tiếp cận gene ARN polymerase Gene điều hòa vùng điều hòa: Nằm trước gene cấu trúc Z, Y A trình tự nucleotit làm nhiệm vụ điều hòa hoạt động operon Lac Một vùng gọi vùng promoter (vùng P) nơi liên kết với enzim ARN polymerase vùng nơi gắn protein ức chế (operator-o) Khi loại protein ức chế liên kết với vùng O enzim ARN polymerase liên kết với với vùng P nên trình phiên mã gene Z, Y A không xảy Ngược lại, protein ức chế không liên kết vào O ARN polymerase liên kết với vùng P trình phiên mã bắt đầu Ngoài ra, nằm gần gene Z, Y A có gene quy định tổng hợp protein ức chế Gene thực tế có vai trò điều hòa hoạt động operon Lac nên người ta gọi gene điều hòa (R) Kết luận: trình tự vận hành, trình tự khởi đầu gene mà chúng điều khiển (tức toàn đoạn trình tự DNA cần có để sản xuất enzyme phân giải lactose) nhiều operon Đây số nhiều operon vi khuẩn Trong Campbell đề cập đến Operon trp – tryptophan operon mã hóa để tổng hợp amino acid tryptophan môi trường xung quanh vi khuẩn thiếu chất Chẳng hạn, xem tế bào vi khuẩn E coli sống trường biến động ruột kết người, để có nguồn dinh dưỡng, phải phụ thuộc vào chế độ ăn, uống thay đổi thể chủ Nếu môi trường thiếu axit amin tryptophan vốn cần thiết cho tồn vi khuẩn, tế bào vi khuẩn đáp ứng lại việc hoạt hóa đường trao đổi chất để tổng hợp tryptophan từ tiền chất khác Nhưng sau đó, thể chủ tiêu hóa loại thức ăn giàu tryptophan, tế bào vi khuẩn dừng việc sản xuất tryptophan; nhờ tránh việc lãng phí nguồn dinh dưỡng sơ cấp để tạo “sản phẩm” vốn sẵn có môi trường xung quanh dạng chế biến Đây ví dụ cho thấy cách vi khuẩn điều chỉnh trao đổi chất chúng cho phù hợp với thay đổi môi trường Quá trình điều hòa biểu tổng hợp tryptophan diễn hai cấp độ Đầu tiên, tế bào điều chỉnh hoạt độ enzym Đây kiểu đáp ứng có tốc độ tương đối nhanh, dựa tính mẫn cảm enzym với tín hiệu hóa học làm tăng hay giảm hoạt tính xúc tác chúng Hoạt tính enzym tham gia vào đường tổng hợp tryptophan bị ức chế trực tiếp tryptophan sản phẩm cuối đường chuyển hóa Vậy là, tryptophan tích lũy nhiều tế bào, làm tắt trình tổng hợp thêm tryptophan việc ức chế hoạt tính enzym Sự ức chế phản hồi vậy, vốn điển hình đường đồng hóa (sinh tổng hợp), cho phép tế bào thích nghi với biến động tức nguồn dinh dưỡng Thứ hai, tế bào điều chỉnh mức độ sản xuất enzym định; nghĩa là, chúng điều hòa biểu gene mã hóa cho enzym Trong ví dụ này, môi trường cung cấp đủ tryptophan theo nhu cầu tế bào, tế bào dừng sản xuất enzym xúc tác cho trình tổng hợp tryptophan Trong trường hợp này, việc điều khiển sản xuất enzym xuất giai đoạn phiên mã, tức giai đoạn tổng hợp ARN thông tin mã hóa cho enzym Một cách phổ biến hơn, nhiều gene hệ gene vi khuẩn “bật” hay “tắt” thay đổi trạng thái trao đổi chất tế bào A Operon tryptophan có cấu trúc tương tự operon lactose, nghĩa là, bao gồm gene điều hoà (R), promoter (P), operator (O) gene cấu trúc Mỗi gene cấu trúc mã hóa cho enzyme, xúc tác phản ứng tổng hợp tryptophan Trong tế bào, tryptophan tổng hợp chuỗi phản ứng, phản ứng xúc tác enzyme mã hóa operon Năm gene cấu trúc mã hóa cho enzyme, ký hiệu trpE, trpD, trpC, trpB trpA Gene trpE nằm sau vùng điều hoà, phiên mã Mô hình hoạt động operon tryptophan Hoạt động operon tryptophan khác với operon lactose chỗ protein kìm hãm, thân lực với operator nên đứng riêng mình, gắn vào điểm điều hành, nên operon mở Ngược lại, protein kìm hãm kết hợp với chất đồng kìm hãm (corepressor), có lực với operator nên dễ dàng gắn vào đó, làm operon đóng Hoạt động operon mô tả hình Như vậy, lượng tryptophan dư, operon đóng, thiếu tryptophan operon mở Nhìn chung, cách điều hoà biểu gene sinh vật procaryote chủ yếu đưọc thực giai đoạn phiên mã 1.2.1.2 Cơ chế điều hòa âm tính Đối với operon Lac tín hiệu điều hòa đường allolactose (một đồng phân lactose) Khi allolactose, gene Z không biểu hiện, môi trường tế bào có allolactose gene Z biểu hiện, nghĩa phiên mã để tổng hợp enzim cần cho thủy phân lactozo Sự điều hòa biểu gene diễn hoàn toàn mức độ phiên mã Cơ chế điều hòa dựa vào tương tác protein điều hòa với gene O (vận hành) Protein điều hòa gọi yếu tố kìm hãm hay ức chế (repressor) gene điều hòa (I hay R) tổng hợp Mối tương tác chất ức chế gene O thể hai trường hợp : Khi môi trường lactose, chất ức chế gắn vào O, ngăn cản phiên mã nhóm gene cấu trúc, enzim phiên mã không hoạt động Khi môi trường có lactose, gọi nhân tố cảm ứng (inductor) operon lac, tác nhân gắn vào chất ức chế làm thay đổi cấu hình không gian repressor , không gắn vào gene O Nhờ có enzim phiên mã mARN polymerase thực trình phiên mã nhóm gene cấu trúc để tổng hợp enzim chuyển hóa lactose Trong trường hợp này, có chất gọi chất cảm ứng có khả gây bất hoạt protein ức chế Sự điều hòa biểu gene dây để tiết kiệm tối đa lượng Thông thường tế bào sử dụng nguồn đường đơn, cần lượng để “tiêu hóa” lactose Như vậy, điều hòa âm tính phiên mã bị ức chế repressor gắn vào gene O lại diễn bình thường inductor làm bất hoạt repressor Trong bối cảnh điều hòa biểu gene, enzyme tham gia vào đường chuyển hóa lactose gọi enzyme cảm ứng trình sinh học tổng hợp chúng gây cảm ứng tín hiệu hóa học (trong trường hợp allolactose) Theo nguyển tắc tương tự, enzyme operon tryptophan tổng hợp gọi enzyme ức chế, thường hoạt động đường đồng hóa, tức đường sinh tổng hợp sản phẩm thiết yếu cuối bắt nguồn từ tiền chất Bằng việc tạm ngừng tổng hợp sản phẩm cuối chúng có sẵn môi trường lượng tích lũy tế bào chúng đủ, tế bào điều phối tiền chất hữu lượng cho hoạt động sống khác Ngược lại, enzyme cảm ứng thường hoạt động đường dị hóa, tức đường phân giải chất dinh dưỡng hữu thành phân tử đơn giản cách tạo enzyme phù hợp có chất dinh dưỡng, tránh lãng phí lượng protein chuyển hóa chất dinh dưỡng vốn bình thường thiết yếu Sự điều hòa operon mà “tắt” dạng hoạt hóa protein điều hòa tương ứng chúng chế điều hòa âm tính 1.3 Điều hòa biểu gene dương tính Khi môi trường vừa có đường lactose vừa có đường glucose operon Lac hoạt động tế bào ưu tiên sử dụng đường glucose theo kiểu “hết nạc vạc đến xương” Vì enzyme phân giải glucose theo đường đường phân thường xuyên có sẵn Chỉ lactose có môi trường đồng thời với việc nguồn cung cấp glucose cạn kiệt E.Coli có xu hướng sử dụng lactose làm nguồn lượng, tổng hợp lượng lớn enzyme phân giải lactose E.coli cảm nhận nồng độ glucose cách tế bào phân giải đường glucose sản phẩm trình dị hóa đường ức chế operon Lac làm cho hoạt động Sản phẩm trình phân giải đường glucose tác động trực tiếp đến thay đổi nồng độ chất AMP vòng (viết tắt theo tiếng Anh cAMP) Khi nồng độ glucose tế bào tăng nồng độ cAMP tế bào giảm ngược lại, nồng độ glucose tế bào giảm nồng độ cAMP tăng Nồng độ cAMP cao tế bào cần thiết để hoạt hóa operon Lac Cơ chế trình phụ thuộc vào tương tác protein điều hòa dị hình với cAMP Protein điều hòa trường hợp gọi protein hoạt hóa chất dị hóa (catabolite activator protein, hay CAP) chất hoạt hóa, nghĩa liên kết vào DNA, thúc đẩy hoạt động phiên mã gene cAMP giúp hoạt hóa operon Lac cách liên kết với protein CAP làm cho cấu hình CAP bị biến đổi liên kết với promoter Phức hợp CAP – cAMP liên kết với vùng đặc hiệu phía đầu promoter operon lac nhờ làm tăng lực ARN polymerase với promoter (liên kết với promoter thường xuyên hơn) trình phiên mã tăng cường Nói cách khác, đính kết CAP vào promoter trực tiếp thúc đẩy biểu gene Vì lý này, chế điều hòa gọi điều hòa dương tính (gene tăng cường biểu hiện) 10 Bình thường, ARN polymerase liên kết với promoter mà chúng phải liên kết với số protein gọi yếu tố phiên mã Khi có phức hợp ARN polymerase – yếu tố phiên mã liên kết với promoter trình phiên mã diễn mức độ thấp, tổng hợp số phiên ARN Người ta gọi mức độ phiên mã Ở sinh vật nhân thực, phiên mã gene đặc thù mức cao diễn vào thời điểm định (của trình phát triển cá thể) vị trí định (một mô đó) thường phụ thuộc vào mối tương tác yếu tố trình tự điều khiển với nhóm protein khác nữa, protein gọi yếu tố phiên mã đặc thù Quá trình phiên mã mức độ cao người ta gọi phiên mã kích hoạt Nằm trước vùng promoter gene thường có có trình tự Nuleotide đặc biệt gọi vùng điều hòa gần kề (proximal control elememets) trình tự nucleotide điều hòa nằm xa gene gọi vùng điều hòa tầm xa (distal control elements) Các trình tự nucleotide năm xa chí hàng nghìn cặp nucleotide gọi trình tự enhancer (trình tự tăng cường) trình tự nucleotit làm nhiệm vụ bất hoạt gene (trình tự bất hoạt – silencer) Trình tự tăng cường nằm xuôi hay ngược dòng cách gene hàng nghìn nucleotide, chí nằm vùng intron Một gene định có nhiều enhancer, enhancer hoạt động vào thời điểm định loại tế bào định, chí vị trí (mô) định thể Tuy vậy, thường enhancer liên quan đến điều hòa biểu gene mà không liên quan đến gene khác 16 Khi gene cần phiên mã với tốc độ cao tế bào sản sinh yếu tố phiên mã đặc hiệu bám vào vùng enhancer làm cho vùng bị uốn cong tiếp cận với vùng promoter làm cho tăng lực promoter với ARN polymerase Vì việc phân tử DNA bị bẻ cong số protein đặc thù (gọi protein bẻ cong DNA) giúp đưa số protein hoạt hóa dạng liên kết DNA tiếp xúc với nhóm protein khác gọi protein môi giới trung gian, protein đến lượt chúng lại liên kết với protein vùng promoter Sự tương tác nhiều protein giúp tổ hợp huy động phức hệ khởi đầu phiên mã đặc thù promoter Ngược lại, protein bất hoạt liên kết với vùng silencer ARN polymerase liên kết với promoter trình phiên mã xảy Vì protein ức chế liên kết vào DNA, làm ức chế đính kết DNA vào yếu tố hoạt hóa, số trường hợp, chúng “tắt” hoàn toàn phiên mã gene kể yếu tố hoạt hóa có khả liên kết vào DNA Các yếu tố ức chế khác hoạt động theo kiểu ngăn cản không cho yếu tố hoạt hóa liên kết với protein môi giới trung gian mà protein thúc đẩy chúng liên kết với DNA 17 Ở sinh vật nhân sơ, để tế bào sinh vật nhân thực đóng mở số gene lúc để thực chuỗi phản ứng sinh hóa định gene xếp operon có chung promoter Còn sinh vật nhân thực gene có promoter riêng nên việc điều phối phiên mã nhiều gene lúc thực theo nhiều cách khác vài cách điều phối phiên mã gene mà nhà khoa học biết: Các gene cần phiên mã lúc xếp gần nhiễm sắc thể Bằng cách này, vùng nhiễm sắc thể chứa nhóm gene dãn xoắn co xoắn lúc khiến ARN polymerase tiếp cận hay không tiếp cận với gene cần phiên mã Một cách phổ biến gene đồng thời biểu sinh vật nhân thật, chẳng hạn gene mã hóa cho enzym tham gia vào đường chuyển hóa, tìm thấy nằm phân tán nhiễm sắc thể khác Trong trường hợp này, điều hòa phối hợp dường phụ thuộc nhiều vào công thức tổ hợp đặc thù yếu tố điều khiển gene nhóm gene phân tán Sự có mặt yếu tố ví cờ kéo lên từ số "hòm thư" nhiều "hòm thư", báo hiệu cho người đưa thư biết cần kiểm tra "hòm thư" Các protein hoạt hóa nhận trình tự điều khiển liên kết vào chúng, thúc đẩy phiên mã đồng thời gene, chúng nằm đâu hệ gene Các gene cần phiên mã điều hòa phiên mã nhóm yếu tố phiên mã đặc hiệu (chất hoạt hóa chất ức chế đặc hiệu) Bằng cách này, gene nằm rải rác hệ gene phiên mã đồng thời vùng điều hòa chúng gắn với chất điều hòa phiên mã đặc biệt có tế bào Ví dụ, hoocmon sinh dục ostrogene vào tế bào liên kết với thụ thể đặc hiệu có tế bào chất tạo nên phức hợp ostrogene – thụ thể hoạt động chất hoạt hóa gene Những gene nằm tế bào có vùng điều hòa liên kết với phức hợp hoocmon thụ thể gene phiên mã chúng nằm đâu tế bào 18 Tương tự, phân tử tín hiệu từ bên có chất hóa học không thuộc loại steroid chúng liên kết với thụ thể màng tế bào đích chúng truyền tín hiệu vào tế bào làm hoạt hóa số chất hoạt hóa phiên mã đặc hiệu Sau đó, gene có chung vùng điều hòa có lực với chất hoạt hóa phiên mã chúng đồng thời phiên mã 2.5 Điều hòa sau phiên mã: Giai đoạn hoàn thiện ARN nhân tế bào chuyển phân tử ARN tế bào chất bổ sung thêm số bước điều hòa vốn sinh vật nhân sơ Một ví dụ kiểu điều hòa biểu gene giai đoạn hoàn thiện ARN cách ghép nối ARN thay thế; theo đó, từ phiên mã tiềnARN tạo số loại phân tử mARN hoàn thiện khác tùy thuộc vào việc lựa chọn đoạn trình tự exon và/hoặc intron Các protein điều hòa đặc thù với loại tế bào điều khiển việc lựa chọn intron exon dựa khả liên kết vào trình tự điều hòa phân tử tiền-ARN 2.5.1.Điều hòa tinh chế ARN (ARN processing) Cùng gene biểu tế bào mô mà không biểu tế bào mô khác mô khác cho sản phẩm khác nhau, điều thực cách : (1) Trong mô có chất hoạt hóa gene gene hoạt động, mô chất hoạt hóa gene bất hoạt điều hòa cách điều hòa trước phiên mã khác (2) ARN sơ cấp sau phiên mã cắt ghép nối exon lại theo cách khác tạo nên mARN khác nhau, sản phẩm protein tạo khác Như vậy, gene tế bào cho protein tế bào khác protein lại không tạo mà thay vào protein khác thực chức khác 2.5.2 Điều hòa cách phân hủy mARN cách có chọn lọc Việc mARN có tổng hợp chưa đảm bảo sản phẩm protein gene có tạo hay không tạo nhiều hay Vấn đề 19 chỗ mARN tạo lại bị nhanh chóng phân hủy trình dịch mã xảy Các phân tử mARN điển hình vi khuẩn thường bị enzym phân giải sau vài phút kể từ chúng tổng hợp Thời gian sống ngắn mARN vi khuẩn lý nhằm giải thích chúng thích nghi nhanh với môi trường Ngược lại, thời gian tồn phân tử mARN tế bào sinh vật nhân thật thường kéo dài nhiều (giờ,tuần) Nghiên cứu nấm men đường phân hủy mARN phổ biến việc enzym cắt ngắn dần đuôi polyA Việc sau thúc đẩy hoạt động enzym loại bỏ mũ đầu 5’ (hai đầu 5’ 3’ phân tử mARN tồn giữ lại với số protein) Việc loại bỏ mũ đầu 5’, bước quan trọng phân giải mARN, điều hòa trình tự nucleotit đặc thù phân tử mARN Khi đầu 5’ loại bỏ, enzym nuclease nhanh chóng phân hủy mạch mARN lại Các trình tự nucleotide ảnh hưởng đến thời gian tồn nguyên vẹn mARN thường tìm thấy vùng đầu 3’ không dịch mã (3’UTR) Trong thí nghiệm, nhà nghiên cứu tiến hành chuyển trình tự bắt nguồn từ phân tử mARN có thời gian tồn ngắn (mã hóa cho yếu tố sinh trưởng) vào vùng 3’UTR mARN mã hóa globin (bình thường tương đối bền), phân tử mARN mã hóa globin sau biến đổi nhanh chóng bị phân giải Trong vài năm qua, số chế phân giải ngăn cản dịch mã phân tử mARN làm sáng tỏ Từ năm 1993, số nghiên cứu phát phân tử ARN mạch đơn kích thước nhỏ, gọi tắt tiểu-ARN (miARN hay microARN) có khả liên kết vào trình tự bổ sung với mARN Các miARN hình thành từ phân tử ARN dài tiền thân; tự cuộn gập chứa cấu trúc “cặp tóc” (dạng sợi kép) giữ với liên kết hydro Sau cấu trúc “cặp tóc” cắt khỏi phân tử tiền thân, cắt tỉa enzym (gọi yếu tố xén - Dicer) thành đoạn ADN sợi kép ngắn khoảng 20 bp Một 20 hai mạch sau bị phân giải, mạch lại (mạch miARN) tạo phức với protein; miARN giúp phức hệ liên kết vào phân tử mARN có trình tự bổ sung với Tiếp theo, phức hệ miARN-protein tiến hành phân giải phân tử mARN đích ngăn cản phân tử dịch mã Các số liệu ước tính cho thấy khoảng 1/3 tổng số gene người điều hòa qua chế miARN; số thật đáng ngạc nhiên, hai thập kỷ trước tồn miARN Một loại miARN (micro ARN), loại ARN sợi đơn cực ngắn, tạo tế bào với dicer tạo nên phức hợp liên kết có chọn lọc với mARN để phân hủy mARN giống trường hợp siARN 2.6 Điều hòa dịch mã Điều hòa trình dịch mã thực chủ yếu giai đoạn khởi đầu dịch mã Nhiều loại mARN tổng hợp chưa dịch mã không dịch mã đầu 5’ bị số loại protein liên kết vào khiến cho riboxom tiến hành dịch mã Ngoài ra, mARN không dịch mã chuỗi poly A gắn vào đầu 3’ độ dài thích hợp Các nhà khoa học nhận thấy nhiều loại mARN sản sinh tế bào trứng dạng dự trữ cho giai đoạn sau có trình tự poly A ngắn nên dịch mã Khi tế bào cần dịch mã chúng găn thêm đoạn poly A vào phân tử mARN cho đủ kích thước cần thiết để dịch mã Tế bào hoạt hóa đồng thời tất loại mARN dự trữ tế bào cách hoạt hóa protein khởi đầu dịch mã Một protein khởi đầu dịch mã kích hoạt hàng loạt loại mARN tế bào chất dịch mã Người ta nhận thấy nhiều loại mARN thực vật tảo bị bất hoạt tối ánh sáng máy dịch mã tái kích hoạt nhiều loại mARN dịch mã 2.7 Điều hòa sau dịch mã Protein sau tổng hợp xong có chức sinh học mà nhiều chúng phải biến đổi mặt hóa học phải vận chuyển 21 đến vị trí thích hợp có chức sinh học Quá trình tế bào điều hòa nhiều giai đoạn khác Để có chức protein phải có cấu hình không gian đặc trưng, chuỗi polipeptit sau tổng hợp xong phải đưa vào loại khuôn protein để định hình (khuôn protein có tên gọi chaperonin) Nhiều loại protein tổng hợp phải biến đổi số gốc axit amin, ví dụ gắn thêm nhóm photphat, có chức Việc gắn thêm nhóm photphat hay loại nhóm photphat khỏi protein làm cho protein trở nên có chức hay làm chức Một số loại protein chit gắn màng tế bào xuất khỏi tế bào để thực chức định đầu NH3 chúng có trình tự axit amin kị nước để chúng khỏi tế bào Sau khỏi màng tế bào, đoạn axit amin kị nước cắt bỏ protein có chức sinh học Điều hòa sau dịch mã thực thông qua điều hòa thời gian tồn phân tử protein, Thời gian tồn loại protein tế bào khống chế cách nghiêm ngặt Ví dụ, nhiều protein tham gia điều hòa chu kì tế bào cyclin thường có thời gian tồn ngắn Chúng thường bị phức hợp protein khổng lồ gọi proteasom nhận biết phân giải Nếu lí loại protein không bị phân giải mà có thời gian tồn lâu bình thường trình điều hòa phân bào trở nên bất thường 2.8 Phân hóa biểu gene tạo loại tế bào khác thể đa bào 2.8.1 Đặc điểm phân hóa biểu gen Một tế bào người điển hình biểu khoảng 20% tổng số gene vào thời điểm Các tế bào có mức độ biệt hóa cao tế bào thần kinh hay cơ, chí biểu số gene Hầu hết tế bào thể đa bào chứa hệ gene giống Tuy vậy, nhóm gene biểu tế bào không đổi, điều cho phép tế bào thực chức đặc thù 22 Sự khác biệt tế bào khác kiểu gene chúng khac mà có khác phân hóa biểu gene Trong tế bào nào, tất gene không hoạt động đồng thời, nhu cầu protein tế bào thay đổi liên tục Trong thể sống, loại protein tổng hợp với số lượng Có loại tổng hợp cách liên tục suốt trình sống, ví dụ hemoglobin máu; có loại tổng hợp giai đoạn định chu trình sống, ví dụ hormone sinh trưởng, hormone sinh sản, Như vậy, số gene hoạt động nhiều hơn, thường xuyên hơn, số khác hoạt động giai đoạn định điều kiện định chu trình sống Để đáp ứng đầy đủ số lượng protein cho thể sống, thể sống phải có chế điều hoà sinh tổng hợp protein, cho lượng protein tạo vừa đủ, không thừa không thiếu Có vậy, hoạt động trao đổi chất thể sống đảm bảo bình thường, ngược lại làm rối loạn trao đổi chất, phát sinh bệnh tật tử vong Hệ gene sinh vật nhân thực chứa hàng chục nghìn gene, trừ số loài, có lượng nhỏ DNA – khoảng 1,5% người- mã hóa cho protein, phần lại hệ gene mã hóa cho loại ARN đơn không mã hóa (không phiên mã) Các yếu tố phiên mã phải định vị gene vị trí vào thời điểm Điều ví “mò kim đáy bể” Nhưng, biểu gene bị sai, rối loạn bệnh nghiêm trọng, có bệnh ung thư phát sinh 2.8.2 Phân hóa biểu gene tạo loại tế bào khác thể đa bào Thông qua phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân) liên tiếp, tế bào hợp tử tạo số lượng lớn tế bào Nhưng, có phân bào sản phẩm tạo gia khối cầu gồm nhiều tế bào giống hệt nhau, hình dạng thể định Trong trình phát triển phôi, tế bào không tăng lên số lượng, mà trải qua biệt hóa tế bào.Hơn nữa, loại tế bào khác phân bố ngẫu nhiên, mà chúng tổ chức thành 23 mô quan cấu trúc không gian ba chiều đặc thù Các trình tự nhiên dẫn đến thể có hình dạng riêng gọi phát sinh hình thái Cả ba trình có sở từ động thái tế bào Ngay trình phát sinh hình thái, tức hình thành hình dạng thể, quy thay đổi hình dạng, mức độ di động thuộc tính khác tế bào tạo nên vùng khác phôi Như biết, hoạt động tế bào phụ thuộc vào gene mà biểu protein mà tạo Hầu hết tế bào thể có hệ gene giống hệt nhau; vậy, biểu khác tế bào gene điều hòa biểu khác tế bào Từ hợp tử, chúng tiến hành “bật” tập hợp gene mà sản phẩm chúng cần thiết cho loại tế bào tương ứng vật liệu tế bào mẹ đưa vào trứng thiết lập nên chuỗi chương trình điều hòa biểu gene diễn với trình tế bào phân chia, lập trình làm cho tế bào trở nên khác theo kiểu điều phối chung Các gene đặc thù biểu loại tế bào thuộc quan phát triển định đường biệt hóa Có hai nguồn thông tin (được sử dụng mức độ khác tùy loài) cho tế bào biết gene cần biểu vào thời điểm định trình phát triển phôi: Một nguồn thông tin quan trọng giai đoạn đầu trình phát triển phôi tế bào chất trứng vốn tích lũy sẵn ARN protein ADN mẹ mã hóa Tế bào chất trứng chưa thụ tinh không đồng ARN thông tin, protein, chất khác quan tử phân bố không trứng chưa thụ tinh, mà phân bố không có ảnh hưởng đáng kể lên phát triển sau phôi nhiều loài Các chất có nguồn gốc từ mẹ có mặt trứng gây ảnh hưởng đến phát triển phôi giai đoạn đầu gọi yếu tố xác định tế bào chất sau thụ tinh, lần phân bào phân phối tế bào chất hợp tử vào tế bào Nhân tế bào 24 bộc lộ với yếu tố xác định tế bào chất khác nhau, phụ thuộc vào tỉ lệ tế bào chất hợp tử mà tế bào nhận Sự phối hợp yếu tố xác định tế bào chất hợp tử giúp xác định chương trình phát triển phôi việc điều hòa biểu gene trình biệt hóa tế bào Nguồn thông tin chương trình phát triển chủ yếu thứ hai (mà ngày trở nên quan trọng số tế bào phôi tăng lên) môi trường bao quanh tế bào ảnh hưởng lớn tín hiệu tiếp xúc tế bào lân cận, bao gồm hoạt động tiếp xúc phân tử bề mặt tế bào đính kết yếu tố sinh trưởng tế bào lân cận tiết Những tín hiệu dẫn đến thay đổi tế bào đích, qua trình gọi cảm ứng Các phân tử làm nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu vào tế bào thụ thể bề mặt tế bào protein biểu từ hệ gene phôi Nhìn chung, phân tử tín hiệu giúp chuyển tế bào vào đường phát triển đặc thù thông qua việc làm thay đổi biểu gene cuối dẫn đến thay đổi tế bào mà quan sát Như vậy, tương tác tế bào phôi góp phần gây cảm ứng biệt hóa nhiều loại tế bào khác nhau, từ tạo nên thể hoàn chỉnh 2.8.3 Chuỗi trình điều hòa biểu gene trình biệt hóa tế bào: Các tế bào phát triển từ tế bào tiền thân phôi mà thân chúng có tiềm phát triển thành số loại tế bào khác nhau, bao gồm tế bào sụn tế bào mỡ, nh−ng sau điều kiện định “bắt giữ” chúng trở thành tế bào Mặc dù tế bào bị “bắt giữ” giống quan sát kính hiển vi, trình xác định diễn ra, song lúc chúng nguyên bào (myoblast) Cuối cùng, nguyên bào sản sinh ạt protein đặc trưng dung hợp với tạo nên tế bào xương đa nhân, dài hoàn thiện Các nhà nghiên cứu tìm hiểu điều diễn cấp độ phân tử trình xác định tế bào việc nuôi cấy nguyên bào phân tích chúng nhờ kỹ thuật sinh học phân tử Trong chuỗi thí nghiệm, họ tiến hành 25 phân lập gene khác nhau, gây cảm ứng biểu chúng tế bào tiền phôi riêng biệt, sau quan sát biệt hóa nguyên bào tế bào Bằng cách này, họ xác định số gene gọi “các gene điều hòa thợ cả” mà sản phẩm protein chúng xác định tế bào trở thành tế bào Như vậy, trường hợp tế bào cơ, sở phân tử trình xác định biểu hay số “gene điều hòa thợ cả” Để hiểu rõ “bắt giữ” tế bào diễn trình biệt hóa tế bào cơ, xem ví dụ gene điều hòa thợ có tên myoD Gene mã hóa cho protein MyoD, yếu tố phiên mã liên kết vào trình tự ADN điều khiển đặc hiệu thuộc enhancer số gene đích khác thúc đẩy biểu chúng Một số gene đích MyoD điều khiển tiếp tục mã hóa cho yếu tố phiên mã đặc trưng mô khác Bản thân MyoD tự thúc đẩy biểu gene mã hóa nó, qua trì trạng thái biệt hóa tế bào Có thể giả thiết là, tất gene MyoD hoạt hóa có trình tự điều khiển enhancer MyoD nhận điều hòa theo kiểu phối hợp Cuối yếu tố phiên mã thứ cấp hoạt hóa gene mã hóa protein myosin hay actin có thuộc tính đặc thù với tế bào xương Và tế bào khác không hoạt động việc hoạt hóa gene đặc trưng mô không đơn phụ thuộc vào MyoD cần kết hợp đặc thù với protein điều hòa khác, mà số chúng bị thiếu tế bào không đáp ứng với MyoD Quá trình xác định biệt hóa loại mô khác diễn theo cách tương tự Ung thư 3.1 Các loại gene liên quan đến ung thư Các gene bình thường điều hòa sinh trưởng phân chia tế bào chu kỳ tế bào bao gồm gene mã hóa cho yếu tố sinh trưởng, thụ thể chúng phân tử tham gia vào đường truyền tín hiệu tế bào Các đột biến làm thay đổi gene tế bào soma dẫn đến ung thư Tác nhân thay đổi đột biến tự phát ngẫu nhiên 26 Đột biến từ nguyên nhân khác Một số nguyên nhân riêng biệt liên kết với loại ung thư đặc hiệu Hút thuốc liên quan đến ung thư phổi Phơi nhiễm kéo dài phóng xạ, đặc biệt phóng xạ tia cực tím từ mặt trời, dẫn đến u hắc tố loại ung thư da khác Hít sợi amiăng có liên quan đến u trung biểu mô Tổng quát hơn, chất hóa học gọi chất gây đột biến (mutagene) gốc tự biết nguyên nhân gây đột biến Các dạng khác đột biến gây trình viêm mạn tính, bạch cầu hạt trung tính tiết gốc tự làm tổn thương DNA Hoán vị nhiễm sắc thể, ví dụ nhiễm sắc thể Philadelphia, dạng đặc biệt đột biến liên quan đến trao đổi nhiễm sắc thể khác Một phát mang tính bước ngoặt ung thư xuất vào năm 1911, nhà bệnh học người Mỹ Peyton Rous phát loại virut gây ung thư gà Kể từ đó, nhà khoa học tìm số virut khối u gây bệnh ung thư loài động vật khác nhau, có người Virut Epstein - Barr gây tăng bạch cầu đơn nhân truyền nhiễm có liên quan đến số loại ung thư 3.2.Gene ung thư gene tiền ung thư: Các nghiên cứu virut khối u dẫn đến việc phát gene gây phát sinh ung thư gọi tắt gene gây khối u (oncogene, bắt nguồn từ tiếng Hy lạp với nghĩa từ onco “khối u”) số retrovirut định Sau này, gần giống với gene gây khối u tìm thấy hệ gene người loài động vật khác Những bình thường có hệ gene tế bào, gọi gene tiền khối u (proto-oncogene), mã hóa cho protein có vai trò thúc đẩy sinh trưởng phân chia bình thường tế bào Gene tiền ung thư mã hoá cho nhóm protein tham gia vào trình hình thành chất truyền tin (messenger) trình dẫn truyền tín hiệu tế bào Các chất truyền tin truyền tín hiệu "tiến hành phân bào" tới tế bào hay bào khác Do vậy, bị đột biến, gene tiền ung thư biểu mức (overexpression) tín hiệu phân chia tế bào, làm tế bào tăng sinh 27 thừa thãi, lúc trở thành gene ung thư (oncogene) Tuy nhiên, gene ung thư thực chất gene cần thiết trình phát triển, sửa chữa định nội môi thể, loại bỏ gene khỏi hệ gene nhằm làm giảm khả ung thư Gene ức chế khối u: Khác với gene ung thư, gene áp chế ung thư mã hóa cho chất truyền tin hóa học nhằm giảm ngừng trình phân chia tế bào phát thấy có sai hỏng DNA Đó enzyme đặc biệt phát đột biến hay tổn thương DNA đồng thời khích hoạt trình phiên mã hệ thống enzyme sửa chữa DNA Điều nhằm hạn chế tối đa khả sai hỏng truyền cho hệ tế bào Thông thường, gene áp chế ung thư kích hoạt có tổn thương DNA xảy ra, số đột biến bất hoạt protein áp chế ung thư làm khả truyền thông tin Điều làm gián đoạn dừng chế sửa chữa DNA, tổn thương DNA tích luỹ lại hình thành ung thư 3.3 Mô hình phát sinh ung thư nhiều bước Thường phải có nhiều đột biến tế bào soma dẫn đến tất biến đổi đặc thù tế bào ung thư thực thụ Điều giúp giải thích nguy mắc bệnh ung thư tăng lên đáng kể tuổi đời tăng lên Nếu ung thưlà tích lũy đột biến đột biến xuất ngẫu nhiên suốt đời, tuổi đời cao, nguy mắc ung thư lớn Ít phải có khoảng sáu thay đổi xuất cấp độ ADN chuyển tế bào sang trạng thái ung thư đầy đủ Những thay đổi bao gồm xuất gene gây khối u hoạt động mạnh đột biến làm chức (hoặc gene) số gene ức chế khối u Ngoài ra, alen đột biến gene ức chế khối u thường lặn, nên phần lớn trường hợp, hai gene phải bị bất hoạt ngăn cản ức chế khối u (Ngược lại, phần lớn gene gây khối u thường biểu alen trội.) nhiều khối u ác tính, gene mã hóa cho enzym telomerase hoạt 28 hóa Enzym phục hồi ngắn lại đầu mút nhiễm sắc thể trình tái ADN Sự sản sinh enzym telomerase tế bào ung thư làm chế tự nhiên hạn chế số lần phân chia mà tế bào soma bình thường có 3.4 Khuynh hướng di truyền yếu tố khác góp phần phát sinh ung thư Lập luận cho phải có nhiều biến đổi di truyền đồng thời tạo nên tế bào ung thư giúp giải thích cho tượng quan sát thấy số dòng họ ung thư có biểu di truyền Một cá thể di truyền gene gây khối u alen ức chế khối u đột biến gần với khả tích lũy đột biến khác dẫn đến phát sinh ung thư so với cá thể không mang đột biến Các nhà di truyền học đầu tư nhiều công sức để xác định alen gây ung thư di truyền, qua bẩm chất di truyền (nghĩa nguy mắc bệnh chế di truyền) khả mắc bệnh ung thư định chẩn đoán sớm đời người Ví dụ như, khoảng 15% số trường hợp ung thư ruột kết liên quan đến đột biến di truyền Trong đó, nhiều trường hợp liên quan đến đột biến gene ức chế khối u gọi bệnh polyp u tuyến, hay bệnh APC Gene ức chế khối u có nhiều chức tế bào; đột biến phải xuất hai alen gene APC trước sản phẩm gene bị chức Nhưng có 15% số trường hợp ung thư ruột kết bẩm chất di truyền, nên nhà nghiên cứu nỗ lực tìm xác định “dấu chuẩn” khác giúp dự đoán nguy mắc bệnh ung thư định Các nghiên cứu gene liên quan đến ung thư, dù di truyền hay không, giúp tăng hiểu biết việc cách rối loạn điều hòa biểu gene gây phát sinh bệnh Chúng ta đạt bước tiến dài kể từ phát Peyton Rous Bây biết: virut góp phần gây phát sinh ung thư cách kết hợp vật chất di truyền chúng vào ADN tế bào chủ mà chúng lây nhiễm Sự kết hợp hệ 29 gene virut đưa vào tế bào chủ gene gây khối u, làm hỏng gene ức chế khối u, chuyển gene tiền khối u thành gene gây khối u Ngoài ra, số virut tạo protein làm bất hoạt p53 protein ức chế khối u khác, làm tế bào có xu hướng trở thành tế bào ung thư Mặc dù virut lớn chút so với phân tử axit nucleic bọc lớp vỏ bảo vệ, chúng lại tác nhân hoạt động mạnh, gây phát sinh ung thư 30 [...]... các gene của chúng vào đúng thời điểm thích hợp Điều hòa hoạt động gene ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn ở sinh vật nhân sơ Bình thường phần lớn các gene trong tế bào của cơ thể nhân thực đều bị bất hoạt, chỉ khi nào tế bào cần đến loại sản phẩm nào thì các gene tương ứng mới được hoạt động Điều hòa hoạt động gene có thể được thực hiện ở tất cả các mức 11 độ : từ điều hòa trước phiên mã, điều hòa. .. loài động vật có vú khác, một số gene nhất định ở trứng bị bất hoạt bằng cách methyl hóa trong khi các gene tương ứng trong tinh trùng lại không bị bất hoạt hoặc ngược lại một số gene ở tinh trùng bị bất hoạt trong khi đó các gene tương ứng trong tế bào trứng vẫn hoạt động Cách thức bất hoạt các nhóm gene khác nhau ở tế bào trứng và tế bào tinh trùng của một loài như vậy được gọi là in vết hệ gene (geneomic... bào làm hoạt hóa một số chất hoạt hóa phiên mã đặc hiệu Sau đó, những gene nào có chung vùng điều hòa có ái lực với chất hoạt hóa phiên mã này thì chúng đồng thời được phiên mã 2.5 Điều hòa sau phiên mã: Giai đoạn hoàn thiện ARN trong nhân tế bào và chuyển phân tử ARN ra tế bào chất bổ sung thêm một số bước điều hòa vốn không có được ở sinh vật nhân sơ Một ví dụ về kiểu điều hòa biểu hiện gene ở giai... cách : (1) Trong mô nào có chất hoạt hóa gene thì gene đó hoạt động, còn trong mô nào không có chất hoạt hóa thì gene đó bất hoạt hoặc được điều hòa bằng các cách điều hòa trước phiên mã khác (2) ARN sơ cấp sau khi được phiên mã được cắt và ghép nối các exon lại theo các cách khác nhau tạo nên mARN khác nhau, do đó sản phẩm protein tạo ra sẽ khác nhau Như vậy, cùng một gene nhưng ở tế bào này thì cho... trong hệ gene Các gene cần phiên mã cùng nhau có thể được điều hòa phiên mã bởi cùng một nhóm yếu tố phiên mã đặc hiệu (chất hoạt hóa hoặc chất ức chế đặc hiệu) Bằng cách này, các gene có thể nằm rải rác trong cùng một hệ gene vẫn có thể được phiên mã đồng thời vì các vùng điều hòa của chúng đều được gắn với các chất điều hòa phiên mã đặc biệt có trong tế bào Ví dụ, khi hoocmon sinh dục ostrogene vào... một số gene gọi là “các gene điều hòa thợ cả” mà sản phẩm protein của chúng xác định tế bào nào trở thành các tế bào cơ Như vậy, ở trường hợp các tế bào cơ, cơ sở phân tử của quá trình xác định là sự biểu hiện của một hay một số “gene điều hòa thợ cả” Để hiểu rõ hơn sự “bắt giữ” tế bào diễn ra như thế nào trong quá trình biệt hóa tế bào cơ, hãy xem ví dụ ở gene điều hòa thợ cả có tên là myoD Gene này... thực hiện ở tất cả các mức 11 độ : từ điều hòa trước phiên mã, điều hòa phiên mã, điều hòa sau phiên mã, điều hòa sau dịch mã và điều hòa dịch mã Các cơ thể đa bào hay các cơ thể đơn bào liên tục bật tắt các tổ hợp gene của chúng nhằm đáp ứng lại các tín hiệu từ môi trường nội bào và ngoại bào, sự điều hòa biểu hiện của gene cũng có vai trò thiết yếu trong quá trình biệt hóa tế bào ở cơ thể đa bào, tức... của các gene thường có có trình tự Nuleotide đặc biệt được gọi là vùng điều hòa gần kề (proximal control elememets) và các trình tự nucleotide điều hòa nằm ở rất xa gene được gọi là vùng điều hòa tầm xa (distal control elements) Các trình tự nucleotide năm ở xa thậm chí hàng nghìn cặp nucleotide này được gọi là trình tự enhancer (trình tự tăng cường) hoặc trình tự nucleotit làm nhiệm vụ bất hoạt gene... enhancer đều được MyoD nhận ra và điều hòa theo kiểu phối hợp Cuối cùng các yếu tố phiên mã thứ cấp hoạt hóa các gene mã hóa protein như myosin hay actin có các thuộc tính đặc thù với các tế bào cơ xương Và ở các tế bào khác nó không hoạt động vì việc hoạt hóa các gene đặc trưng mô cơ không chỉ đơn thuần phụ thuộc vào MyoD và còn cần một sự kết hợp đặc thù với các protein điều hòa khác, mà ít nhất một trong... có thể nói operon lac vừa chịu sự điều hòa âm tính và vừa chịu sự điều hòa dương tính Operon lac chỉ có thể hoạt động khi protein ức chế bị bất hoạt không có khả năng liên kết được với operator Tuy nhiên, điều này là chưa đủ vì nếu không có CAP liên kết với promoter thì tốc độ phiên mã xảy ra rất thấp Tốc độ phiên mã chỉ được tăng cường tới mức cần thiết khi protein hoạt hóa liên kết được với promoter ... nhiễm sắc 2.3 Di truyền học biểu sinh Di truyền biểu sinh khái niệm trái ngược với di truyền học Di truyền học nghiên cứu tính di truyền biến dị sinh vật, di truyền biểu sinh thay đổi mức biểu... hòa sinh vật nhân thực 2.1 Giới thiệu Ở tất loài, dù sinh vật nhân sơ hay sinh vật nhân thực phải biểu gene chúng vào thời điểm thích hợp Điều hòa hoạt động gene sinh vật nhân thực phức tạp sinh. .. sau dịch mã Protein sau tổng hợp xong có chức sinh học mà nhiều chúng phải biến đổi mặt hóa học phải vận chuyển 21 đến vị trí thích hợp có chức sinh học Quá trình tế bào điều hòa nhiều giai đoạn