chương 4 cấu trúc hoạt động của gen

CHƯƠNG CẤU TRÚC & HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Nội dung Cấu Trúc gen Quá trình phiên mã  Tổng hợp mRNA prokaryote  Tổng hợp mRNA eukaryote Kiểm soát sau phiên mã Dịch mã Định nghĩa gene  Gene vùng trình tự gene tương ứng với đơn vị di truyền, có liên kết với vùng điều hòa, vùng dịch mã hay vùng trình tự chức khác (Pearson H (2006) "Genetics: what is a gene?" Nature 441 (7092): 398–401)  Gene đoạn DNA RNA mã hóa cho trình tự chuỗi polypeptide chuỗi RNA có chức  Các sinh vật sống cần gene để mã hóa cho tất protein chuỗi RNA chức  Gene chứa thơng tin để xây dựng trì tế bào truyền lại đặc điểm di truyền cho hệ sau Phần I Cấu trúc gene  Cấu trúc chung gen cấu trúc mã hóa prơtêin điển hình gồm vùng trình tự:  Vùng khởi đầu: nằm đầu gen mang tín hiệu khởi động kiểm sốt q trình phiên mã  Vùng mã hóa: mang thơng tin mã hóa axit amin  Vùng kết thúc: nằm cuối gen mang tín hiệu kết thúc phiên mã Phần I Cấu trúc gene Cấu trúc gene Prokaryote  Gen không phân mảnh: gen thực vật nhân sơ có vùng mã hóa liên tục gọi cistron  Các cistron xếp thành nhóm chung vùng điều hồ tạo thành operon  Kiểu tổ chức di truyền giúp vi khuẩn thích nghi với thay đổi điều kiện ngoại cảnh Phần I Cấu trúc gene Cấu trúc gene Prokaryote  Operon đơn vị chức gene bao gồm nhóm gene chịu điều khiển promoter  Trong operon có nhiều gene cấu trúc  Operon bao gồm Promoter: trình tự nucleotide cho phép bắt đầu phiên mã, vị trí nơi RNA polymerase gắn vào để phiên mã Operator: đoạn DNA nơi protein kiềm hãm (repressor) gắn vào để ngăn chặn trình phiên mã Gene cấu trúc : qui định trình tự RNA cấu trúc trình tự amino acid chuỗi polypeptide  Gene điều hòa: mã hóa cho protein kiềm hãm (repressor) Phần I Cấu trúc gene Cấu trúc gene Eukaryote  Gen phân mảnh: gen thực vật nhân thực có vùng mã hóa khơng liên tục chứa đoạn khơng mã hố (intron) xen kẽ với đoạn mã hố (exon), số gen khơng có intron gen mã hoá cho protein histone  Ở nhiều gen, tổng độ dài intron lớn exon gen mã hoá cho albumin, conalbumin  Các đoạn intron bị cắt bỏ trình phiên mã  Điểm giao tiếp intron exon có dấu hiệu đặc biệt cặp bazo GU AG Phần II Quá trình phiên mã  Quá trình chuyển đổi từ DNA đến RNA (phiên mã) từ RNA đến protein (dịch mã) xảy tế bào sống Phần II Quá trình phiên mã Tổng quan phiên mã  Trong tế bào gene biểu nhiều cấp độ Phần II Quá trình phiên mã Tổng quan phiên mã  Cấu trúc hóa học phân tử RNA  (A)RNA chứa đường ribose (thay cho đường deoxyribose DNA)(A)  (B) RNA chứa base uracil (thay cho thymine DNA)  (C) Liên kết phosphodiester nucleotide RNA tương tự phân tử DNA Phần IV DỊCH MÃ giai đoạn khởi đầu trình dịch mã prokaryote  Các yếu tố khởi đầu (IF: initiation factor): xúc tác cho tiểu đơn vị nhỏ việc hình thành phức hợp khởi đầu  IF1: giúp tiểu đơn vị nhỏ gắn vào mRNA ngăn cản tRNA gắn vào vùng thuộc vị trí A tiểu đơn vị nhỏ  IF2: thúc đẩy liên kết fMet-tRNAifMet tiểu đơn vị nhỏ, ngăn cản aminoacyl-tRNA khác đến gắn vào tiểu đơn vị nhỏ  IF3: ngăn cản tiểu đơn vị nhỏ tái liên kết với tiểu đơn vị lớn gắn với tRNA mang amino acid IF3 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ vào cuối vòng dịch mã trước, giúp tách ribosome 70S thành tiểu đơn vị lớn tiểu đơn vị nhỏ Phần IV DỊCH MÃ giai đoạn khởi đầu trình dịch mã prokaryote  Bước 1: Tiểu đơn vị nhỏ gắn vào codon khởi đầu  Sự liên kết tiểu đơn vị nhỏ với mRNA thực thông qua bắt cặpbase bổ sung vị trí gắn ribosome rRNA 16S Tiểu đơn vị nhỏ đặt mRNA cho codon khởi đầu đặt vào vị trí P tiểu đơn vị lớn gắn vào phức hợp  Bước 2: tRNA có mang methionine biến đổi đến gắn trực tiếp với tiểu đơn vị nhỏ  Một tRNA đặc biệt gọi tRNA khởi đầu đến gắn trực tiếp với vị trí P tRNA có anticodon (bộ ba đối mã) bắt cặp với AUG GUG  tRNA mang dạng biến đổi methionine gọi N-formyl methionine tRNA khởi đầu gọi fMet-tRNAifMet  Bước 3: gắn thêm tiểu đơn vị lớn để tạo thành phức hợp khởi đầu 70S  Codon khởi đầu fMet-tRNAifMet bắt cặp với nhau, tiểu đơn vị nhỏ thay đổi hình dạng làm giải phóng IF3  Sự vắng mặt IF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vịnhỏ mang thành phần  hoạt tính GTPase IF2-GTP kích thích để thủy phân GTP giải phóng IF2-GDP IF1  Phức hợp khởi đầu cuối tạo thành bao gồm ribosome 70S gắn codon khởi đầu mRNA, với fMet-tRNAifMet vị trí P, vị trí A trống Phức hợp sẵn sàng tiếp nhận tRNA mang amino acid vào vị trí A để bắt đầu tổng hợppolypeptide Phần IV DỊCH MÃ Khởi đầu dịch mã prokaryote Phần IV DỊCH MÃ Giai đoạn khởi đầu trình dịch mã Eukaryote Bước 1: Sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S  Giai đoạn khởi đầu đòi hỏi hỗ trợ 30 protein khác tương ứng với prokaryote, ký hiệu eIF  Khi ribosome eukaryote hoàn thành chu trình dịch mã, tách rời thành tiểu đơn vị lớn tiểu đơn vị nhỏ tự thông qua tác động yếu tố eIF3 eIF1A (tương tự với IF3 prokaryote) Hai protein gắn GTP eIF2 eIF5B làm trung gian thu hút tRNA khởi đầu gắn methionine (chứ N-formyl methionine prokaryote) đến tiểu đơn vị nhỏ Chính yếu tố eIF5B-GTP tương đồng với IF2-GTP prokaryote Yếu tố liên kết với tiểu đơn vị nhỏ theo phương thức phụ thuộc eIF1A Rồi eIF5B-GTP giúp thu hút phức hợp eIF2-GTP Met-tRNAiMet đến tiểu đơn vị nhỏ Hai protein gắn GTP đưa Met-tRNAiMet vào vùng thuộc vị trí P tiểu đơn vị nhỏ Kết quả, hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S Bước 2: Sự nhận dạng mũ 5’ mRNA  Q trình thực thơng qua eIF4F Yếu tố có ba tiểu đơn vị, tiểu đơn vị gắn vào mũ 5', hai tiểu đơn vị khác gắn với RNA Phức hợp lại gắn với eIF4B làm hoạt hóa enzyme RNA helicase tiểu đơn vị eIF4F Helicase tháo xoắn tất cấu trúc bậc hai hình thành đầu tận mRNA Phức hợp eIF4F/B mRNA lại thu hút phức hợp tiền khởi đầu 43S đến thông qua tương tác eIF4F eIF3 Phần IV DỊCH MÃ Giai đoạn khởi đầu trình dịch mã Eukaryote Bước 3: Tiểu đơn vị nhỏ tìm thấy codon khởi đầu cách qt xi dòng từ đầu 5' mRNA hình thành phức hợp khởi đầu 80S  Một gắn vào đầu 5' mRNA, tiểu đơn vị nhỏ yếu tố liên kết với di chuyển dọc theo mRNA theo hướng 5' → 3' gặp trình tự 5'-AUG-3' mà nhận dạng codon khởi đầu Codon nhận dạng bắt cặp base bổ sung anticodon (bộ ba đối mã) tRNA khởi đầu codon khởi đầu  Sự bắt cặp thúc đẩy phóng thích eIF2 eIF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vị nhỏ Sự gắn dẫn đến phóng thích yếu tố khởi đầu lại thơng qua thủy phân GTP tác dụng eIF5B Cuối cùng, MettRNAiMet đưa vào vị trí P phức hợp khởi đầu 80S  Lúc này, ribosome tư sẵn sàng tiếp nhận aminoacyl-tRNA vào vị trí A Phần IV DỊCH MÃ Giai đoạn khởi đầu trình dịch mã Eukaryote Phần IV DỊCH MÃ Giai đoạn kéo dài Bước 1: Aminoacyl-tRNA đưa đến vị trí A nhờ yếu tố kéo dài EF-Tu  Khi tRNA gắn amino acid EF-Tu đến gắn vào đầu 3' aminoacyl-tRNA EF-Tu gắn với aminoacyl-tRNA liên kết với GTP  EF-Tu-GTP đưa aminoacyl-tRNA vào vị trí A ribosome Chỉ phức hợp aminoacyl -tRNA-EF-Tu-GTP có anticodon bổ sung với codon mRNA vị trí A giữ lại ribosome  EF-Tu tương tác với trung tâm gắn yếu tố ribosome nằm tiểu đơn vị lớn thủy phân GTP, phóng thích khỏi tRNA ribosome, để aminoacyl-tRNA nằm lại vị trí A Phần IV DỊCH MÃ Giai đoạn kéo dài Bước 2: Hình thành cầu nối peptide  Aminoacyl-tRNA vị trí A quay vào trung tâm peptidyl transferase cầu nối peptide hình thành Phản ứng xúc tác peptidyl transferase, hay rRNA, đặc biệt rRNA 23S tiểu đơn vị lớn Peptidyl transferase gọi ribozyme  Trong trình hình thành cầu nối peptide, cầu nối amino acid tRNA vị trí A khơng bị phá vỡ Đầu 3' hai tRNA đưa đến gần nhóm amine amino acid vị trí A cơng nhóm carboxyl amino acid vị trí P Kết tRNA vị trí A mang dipeptide, tRNA vị trí P bị khử acyl  Sau xảy chuyển dịch : peptidyl-tRNA (đang mang dipeptide)chuyển sang vị trí P, vị trí A sẵn sàng tiếp nhận aminoacyl-tRNA Cầu nối peptide hình thành theo cách giống hệt trên, nhóm amine amino acid liên kết với nhóm carboxyl đầu C tận chuỗi polypeptide tổng hợp Thực chất, trình chuyển chuỗi polypeptide tổng hợp từ peptidyl-tRNA vị trí P sang aminoacyl-tRNA vị trí A Vì vậy, phản ứng tạo cầu nối peptide gọi phản ứng peptidyl transferase  Như vậy, chuỗi polypeptide tổng hợp theo chiều từ đầu N đến đầu C Giai đoạn kéo dài Bước 3: Sự chuyển dịch (translocation)  Một phản ứng peptidyl transferase xảy tRNA vị trí P khơng gắn với amino acid nữa, chuỗi polypeptide hình thành liên kết với tRNA vị trí A Để vòng kéo dài polypeptide xảy ra, tRNA vị trí P phải chuyển đến vị trí E tRNA vị trí A chuyển đến vị trí P Đồng thời, mRNA phải di chuyển qua nucleotide để ribosome tiếp xúc với codon Những di chuyển gọi chuyển dịch  Bước chuyển dịch song hành với phản ứng peptidyl transferase Khi chuỗi peptide chuyển sang tRNA vị trí A, đầu 3' tRNA hướng đến vùng vị trí P tiểu đơn vị lớn, đầu anticodon nằm vị trí A Tương tự, tRNA vị trí P (mà khơng gắn chuỗi polypeptide nữa) nằm vị trí E tiểu đơn vị lớn vị trí P tiểu đơn vị nhỏ  Để hồn thành chuyển dịch phải có tác động yếu tốkéo dài gọi EFG EF-G gắn vào ribosome liên kết với GTP Sau phản ứng peptidyl transferase xảy ra, thay đổi vị trí tRNA vị trí A để lộ vị trí gắn cho EF-G Khi EF-G-GTP gắn vào vị trí này, tiếp xúc với trung tâm gắn yếutố kích thích thủy phân GTP Sự thủy phân làm thay đổi hình dạng EF-G-GDP cho phép với tới tiểu đơn vị nhỏ để thúc đẩy chuyển dịch tRNA vị trí A Khi chuyển dịch hoàn thành, cấu trúc ribosome giảm đáng kể lực với EF-G-GDP, điều cho phép yếu tố kéo dài phóng thích khỏi ribosome Cùng với việc tRNA vị trí A chuyển đến vị trí P, tRNA vị trí P chuyển đến vị trí E mRNA dịch chuyển ba nucleotide Từ vị trí E, tRNA phóng thích khỏi ribosome Phần IV DỊCH MÃ Kéo dài dịch mã Phần IV DỊCH MÃ Giai đoạn kết thúc dịch mã Các yếu tố giải phóng kết thúc dịch mã  Chu kỳ gắn aminoacyl-tRNA ribosome, hình thành cầu nối peptide, chuyển dịch xảy liên tục ba codon kết thúc vào vị trí A  Các codon nhận diện yếu tố giải phóng (RF: release factor)  Có hai loại yếu tố giải phóng:  Các yếu tố giải phóng loại I nhận diện codon kết thúc thúc đẩy thủy phân để tách chuỗi polypeptide khỏi peptidyl-tRNA vị trí P Prokaryote có hai yếu tố giải phóng loại I RF1 RF2, RF1 nhận diện codon kết thúc UAG RF2 nhận diện UGA, UAA đượcnhận diện RF1 RF2 Eukaryote có yếu tố giải phóng gọi eRF1 nhận diện ba loại codon kết thúc  Các yếu tố giải phóng loại II kích thích tách yếu tố giải phóng loại I khỏi ribosome sau chuỗi polypeptide giải phóng Chỉ có yếu tố giải phóng loại II, gọi RF3 prokaryote eRF3 eukaryote Yếu tố giải phóng loại II điều hòa GTP Phần IV DỊCH MÃ Giai đoạn kết thúc dịch mã Phần IV DỊCH MÃ Sự quay vòng ribosome  Sau phóng thích chuỗi polypeptide yếu tố giải phóng, ribosome gắn với mRNA vớihai tRNA vị trí P vị trí E Để ribosome tham gia vào trình tổng hợp polypeptide mới, tRNA mRNA phải khỏi ribosome hai tiểu đơn vị ribosome phải rời Tập hợp kiện gọi quay vòng ribosome (ribosome recycling)  Ở prokaryote, có yếu tố gọi yếu tố quay vòng ribosome (RRF: ribosome recycling factor) RRF gắn vào vị trí A, bắt chước tRNA RRF lôi kéo EF-G đến ribosome EF-G kích thích giải phóng tRNA vị trí P E Sau đó, EF-G RRF phóng thích khỏi ribosome với mRNA IF3 tham gia vào giải phóng mRNA đồng thời cần cho tách rời hai tiểu đơn vị ribosome Kết tạo tiểu đơn vị nhỏ gắn IF3 tiểu đơn vị lớn tự Ribosome tham gia vào vòng dịch mã Phần IV DỊCH MÃ Các nhân tố ức chế dịch mã  Quá trình dịch mã bao gồm nhiều bước tn theo quy tắc khơng có bước xảy bước trước chưa hồn thành  tạo điểm yếu dịch mã có bước khơng hồn thành tồn q trình phải bị ngừng lại  dịch mã thường điểm đích tác động nhiều loại kháng sinh độc tố  Khoảng 40% loại kháng sinh yếu tố ức chế dịch mã, tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh người động vật tác động làm ngừng dịch mã vi khuẩn không ảnh hưởng đến dịch mã eukaryote, trình dịch mã vi khuẩn eukaryote có điểm khác có ý nghĩa, ví dụ ribosome khác kích thước thành phần  Nhiều kháng sinh gắn chọn lọc với ribosome vi khuẩn ức chế nhiều bước dịch mã không ảnh hưởng đến ribosome eukaryote  Vd: tetracycline gắn vào vị trí A ribosome vi khuẩn ức chế vào aminoacyl-tRNA không hiệu ribosome eukaryote Những kháng sinh khác ức chế bước khác trình dịch mã nên chúng thường sử dụng để nghiên cứu hoạt động máy dịch mã, đặc biệt puromycin Do cấu trúc ba chiều puromycin giống với đầu 3' aminoacyl –tRNA nên gắn vào vị trí A ức chế vào aminoacyl-tRNA Phần IV DỊCH MÃ Các nhân tố ức chế dịch mã ... Gene cấu trúc : qui định trình tự RNA cấu trúc trình tự amino acid chuỗi polypeptide  Gene điều hòa: mã hóa cho protein kiềm hãm (repressor) Phần I Cấu trúc gene Cấu trúc gene Eukaryote  Gen. .. điều kiện ngoại cảnh Phần I Cấu trúc gene Cấu trúc gene Prokaryote  Operon đơn vị chức gene bao gồm nhóm gene chịu điều khiển promoter  Trong operon có nhiều gene cấu trúc  Operon bao gồm Promoter:... cho tất protein chuỗi RNA chức  Gene chứa thơng tin để xây dựng trì tế bào truyền lại đặc điểm di truyền cho hệ sau Phần I Cấu trúc gene  Cấu trúc chung gen cấu trúc mã hóa prơtêin điển hình