Lec 6 chuong 3 dieu hoa bieu hien gen eukaryote

Sinh học phân tử là khoa học nghiên cứu các hiện tượng sống ở mức độ phân tử. Phạm vi nghiên cứu của môn học này có phần trùng lặp với một số môn học khác trong sinh học đặc biệt là di truyền học và hóa sinh học. Sinh học phân tử chủ yếu tập trung nghiên cứu mối tương tác giữa các hệ thống cấu trúc khác nhau trong tế bào, bao gồm mối quan hệ qua lại giữa quá trình tổng hợp của DNA, RNA và protein và tìm hiểu cách thức điều hòa các mối tương tác này. Hiện nay, sinh học phân tử và sinh học tế bào được xem là nền tảng quan trọng của công nghệ sinh học. Nhờ phát triển các công cụ cơ bản của sinh học phân tử như các enzyme cắt hạn chế, DNA ligase, các vector tạo dòng, lai phân tử, kỹ thuật PCR... sinh học phân tử ngày càng đạt nhiều thành tựu ứng dụng quan trọng.

1

Các cơ chế điều hòa biểu hiện

gene ở tế bào Eukaryote

Chương 2 (tiếp)

2

•   ĐIỀU HOÀ SAU PHIÊN MÃ

• Capping

• Splicing

• Thêm đuôi Poly A

• RNA editing (Krap Ch22, pg 522, 523

Biểu hiện của gene thông qua điều hoà sau phiên mã

•  Sự cắt nối khác nhau yêu cầu các yếu tố cắt nối khác nhau đặc thù cho từng loại tế bào

•  Thường một mRNA được cắt nối không mã hoá cho một protein chức năng

•  Khi tất cả các mRNAs cắt nối mã hoá cho các proteins chức năng, một protein đặc thù sẽ thiếu một domain

chức năng

Sự cắt nối khác nhau (Alternative Splicing)

Giới tính ruồi Drosophila điều hoà bởi sự cắt

nối khác nhau

Sự cắt nối khác nhau điều hoà sự biểu hiện

giới tính

•   Nam

•  Nữ

Sự tồn tại của mRNA

Cải biến mRNA

Vai trò 5’cap và 3’poly(A)

•  Cấu trúc mũ (cap) có vai trò quan trọng trong pha khởi đầu dịch mã (thu hút các ribosome và các yếu tố kết hợp với mRNA)

•  Đuôi poly(A) thúc đẩy (stimulate) dịch mã (cùng với cấu trúc 5’cap)

•  Sự tương tác đồng thời của các protein bám 5’ cap (eIF4E) và

protein bám 3’ poly(A), eIF4G à cầu nối giữa 2 đầu mRNA à vai trò quan trọng trong dịch mã

•  Sự phân hủy mRNA liên quan chặt chẽ đến việc cắt ngắn poly(A)

Tương tác cầu nối giữa

5’cap và

3’poly(A)

Quá trình phân giải

•  Các yếu tố điều hòa cis (cis-acting mRNA elements)

•  Các con đường phân giải

ü  Loại bỏ đuôi poly(A)

ü  Loại bỏ đầu 5’

ü  Loại bỏ đầu 3’

ü  Nonsense-mediated decay

•  RNAi

• Trình tự nối intron-exon (intron junction)

• coding region determinant

• Những yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định của mRNA

• premature termination codon

ü  5’-cap: bảo vệ mRNA khỏi các 5’-exonuclease ở tế bào chất

ü  Stem loop: ức chế dịch mã à có thể làm ổn định mRNA

ü  Coding region determinant: một số protein bám vào vùng này làm ổn định

mRNA chưa được dịch mã

ü  Premature termination codon: tín hiệu cho nonsense-mediated decay (NMD)

ü  Exon-exon junction: tham gia vào quá trình phân giải

ü  AU-rich element (ARE): vị trí gắn cho các protein phân thủy hoặc tăng sự ổn

định của mRNA

• Các con đường phân giải

mRNA ở nấm men

Phân giải mRNA

•  Loại bỏ hoặc làm ngắn poly(A) bằng thủy phân theo hướng 5‘- 3' (exonucleolytic), quá trình này gọi là deadenylation

•  Phân tử mRNA mất poly(A) à kém bền vững và bị phân hủy

Phân hủy mRNA thông qua cơ chế loại bỏ 3’poly(A)

Phân hủy mRNA không liên quan đến cơ chế loại bỏ 3’poly(A)

Vai trò poly(A) trong dịch mã và sự ổn định

mRNA

20

Tháo xoắn và phiên mã

•  Gene mã hóa cho β-globin ở người và gà Gene này gồm 5 cluster, trải

rộng khắp 50,000 nucleotide, được phiên mã duy nhất ở các tế bào máu Mỗi gene được “bật” ở những giai đoạn phát triển khác nhau và ở những

cơ quan khác nhau

•  Một loạt các protein điều hòa cần thiết cho việc “bật” các gene này phải có mặt đúng cả không gian và thời gian Toàn bộ cụm gene được điều khiển

“bật hoặc tắt” liên quan đến sự hoạt hóa của chromatin

•  Bằng chứng: Kiểm tra độ mẫn cảm của các gene globin với DNase I Ở các

tế bào gene globin không được biểu hiện, DNA trong những gene này hoàn toàn kháng với DNase I à chứng tỏ chúng được bao bọc rất chặt trong cấu trúc chromatin Đối với những tế bào biểu hiện globin, toàn bộ cụm gene này trở lên rất nhạy cảm với DNase I

Cải biến sau dịch mã

Câu hỏi ôn tập

•  Cải biến sau dịch mã là gì?

•  Những hiện tượng gì được xem là cải biến sau dịch mã?

•  Tại sao tế bào eukaryote cần phải có quá trình này? Cho ví dụ minh họa

Cải biến sau dịch mã

•  Protein coding gene:

Nấm men >5000 Người khoảng 20,000 and 25,000

ü Số lượng protein thực tế lớn hơn nhiều lần số

lượng so với dự kiến

ü Ở người > 1.000.000 protein

•  Thế giới proteome

Nguyên nhân

ü mRNA splicing (bao gồm cả đặc hiệu mô)

ü Cải biến cộng hóa trị sau dịch mã (covalent

posttranslational modification/PTM và phân cắt protein)

Tại sao lại nhiều protein như vậy?

•  1 gene à 1 polypeptide

•  1 gene à nhiều protein

Các nguyên nhân dẫn đến nhiều protein

ü Tái tổ hợp genome (genomic recombination)

ü Phiên mã khác nhau ở các vị trí promoter khác nhau

ü Các tín hiệu kết thúc phiên mã khác nhau

ü Phân cắt mRNA (splicing)

ü Cải biến sau dịch mã

Số lượng gene và số lượng protein

Mục đích của cải biến sau dịch mã

Điều hòa chức năng proteome

ü Hoạt tính

ü Vị trí

ü Khả năng tương tác với các protein, phân tử khác (nucleic acid, lipid, cofactor, protein)

Cải biến sau dịch mã

•  Số lượng protein thực tế lớn hơn nhiều so với số protein được dự đoán trên cơ sở genome

•  Nguyên nhân: Do cải biến sau phiên mã, dịch mã à tạo ra lượng vô cùng lớn protein

•  Ở người hơn 500 loại kinase, 150 phosphatase, 500 protease tham gia vào các quá trình cải biến

•  Các dạng cải biến protein chính:

•  Cải biến tạo đa dạng protein xảy ra ở cả

prokaryote và eukaryote

•  Cải biến ở eukaryote phức tạp hơn rất nhiều

Cải biến sau dịch mã

2 kiểu cải biến

• Cải biến cộng hóa

cleave)

5 loại cải biến gắn cộng hóa trị

Enzyme phosphoril hóa

•  Enzyme phosphoryl hóa là lớp enzyme lớn nhất

“kinome”, ở người có hơn 500 thành viên

•  Tạo ra hơn 10,000 loại protein bị phosphoril hóa

• C T Walsh et al DOI: 10.1002/anie.200501023

Protein Phosphorylation

Acyl hóa

e-N-Acetyl hóa Lysine

• e-N-Acetylation of Lysine

(K)

Acyl hóa

N-Myristoyl hóa và S-Palmitoyl hóa

Alkyl hóa

• S-adenosylmethionine (SAM)

• S-adenosylhomocysteine (SAH)

glycosylation, oxidation

Acetyl hóa

ü Nhiều protein bị cải biến đầu N sau khi được tổng hợp

ü Amino acid đầu tiên

ü Met thường bị loại bỏ (thủy phân)

ü Nhóm acetyl gắn vào amino acid kế cận

ü Acetyl-CoA là chất cho nhóm acetyl

Alkyl hóa Protein

Methyl hóa

•  Methyl hóa thường xảy ra ở O và N trong phân tử

protein Chất cho thường là SAM

N-Myristoylation và S-Palmitoylation

Cải biến theo kiểu phân cắt

•  Tự phân cắt

•  Không phân cắt (sắp xếp lại trình tự)

Cắt loại bỏ một phần

Aspartate decarboxylase