BÀI GIẢNG ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN – REGULATION OF GENE EXPRESSION

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN – REGULATION OF GENE EXPRESSION Định nghĩa Là kiểm soát số lượng, thời gian không gian xuất sản phẩm gen Mục tiêu Điều hòa biểu gen giúp tế bào/cơ thể kiểm soát chức cấu trúc hoạt tính của Là sở biệt hóa tế bào tính linh hoạt đáp ứng sinh vật CÁC VẤN ĐỀ CẦN TÌM HIỂU Điều hòa biểu gen prokaryote Điều hòa biểu gen eukaryote ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở PROKARYOTE Chủ yếu diễn mức độ phiên mã,cụ thể “tắt” “bật” phiên mã Điều hòa biểu đa gen thông qua cấu trúc operon (polycistronic) Cơ chế điều hòa đa dạng Bằng nhân tố phiên mã  Bằng hệ thống thành phần (Two-component system) Quorum sensing Điều hòa dương/âm biểu gen …… Cấu trúc operon prokaryote Là đơn vị có chức gen, bao gồm promoter, gen chức năng, trình tự điều hòa, gen điều hòa Promoter trình tự điều hòa chịu trách nhiệm điều khiển phiên mã gen operon Các gen operon phiên mã đồng thời tạo thành mRNA chịu trách nhiệm mã hóa cho nhiều protein (polycistronic mRNA) Các gen operon thường chịu trách nhiệm cho chức hoạt tính/cấu trúc tế bào Cấu trúc operon giúp tế bào vi khuẩn đáp ứng nhanh với thay đổi môi trường CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BẰNG NHÂN TỐ PHIÊN MÃ  Quorum sensing Regulation of Porin Proteins by a Two Component Signal Transduction System POSITIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA DƯƠNG BIỂU HIỆN GEN “Bật” biểu gen Ví dụ: operon lac Operon lac bao gồm gen chịu trách nhiệm chuyển hóa đường lactose Hầu hết vi khuẩn thực chu trình đường phân để thu nhận chất lượng cho hoạt động sống phát triển Chu trình đường phân sử dụng glucose chất để phân giải Nếu khơng có glucose môi trường, vi khuẩn chuyển sang sử dụng đường carbohydrate khác miễn phải có enzyme tương ứng Lactose disaccharide galactose glucose Đường sử dụng trường hợp khơng có glucose Để biế dưỡng đường cần enzyme operon lac Tế bào vi khuẩn không sử dụng đường lactose trường đường glucose Chỉ mơi trường khơng có glucose mà lại có lactose gen operon lac biểu araB: mã hóa cho kinase, biến ribulose thành ribulose-5-phosphate araA: mã hóa cho isomerase, chuyển hóa arabinose thành L-ribulose araD: mã hóa cho epimrase, chuyển hóa L-ribulose-5phosphate thành D-xyluose5-phosphate  chất tham gia trình đường phân AraC: protein bao gồm phần: vùng gắn DNA, vùng liên kết, vùng gắn arabinose vùng dimer hóa Khi khơng có arabinose  AraC hình thành cấu trúc dimer  gắn vào vùng O2 I1 operon ara  DNA bị bẻ cong  ức chế gắn RNA polymerase vào vùng promoter gen cấu trúc  gen cấu trúc khơng phiên mã  khơng chuyển hóa arabinose Khi có arabinose  arabinose gắn vào AraC  thay đổi cấu hình AraC  AraC rời vùng O2 gắn vào vùng I2  cho phép RNA polymerase gắn vào promoter gen cấu trúc  gen cấu trúc phiên mã  chuyển hóa arabinose Lưu ý: cần có phức hợp CAP-cAMP gắn vào cung CAP operon để RNA polymerase bám vào promoter phiên mã gen cấu trúc operon ara Cơ chế tự điều hòa araC Nồng độ AraC tế bào cao  AraC bám vào vùng araO1  ngăn cản RNA polymerase bám vào promoter araC  không phiên mã araC để tạo AraC ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở EUKARYOTE Quá trình phức tạp bao gồm nhiều chế khác từ DNA qua RNA đến protein Ở mức độ DNA: điều hòa thay đổi cấu trúc NST Ở mức độ RNA: kiểm soát phiên mã; kiểm soát vận chuyển mRNA tế bào chất; kiểm soát bền vững mRNA; kiểm soát RNA splicing; kiểm soát dịch mã mRNA Ở mức độ protein: kiểm soát biến đổi sau dịch mã; phân hủy protein Prokaryote Euakryote Cấu trúc gen Đơn, có dạng hình tròn Đa nhiễm sắc thể Kích thước gen Nhỏ Lớn Vị trí phiên mã – dịch mã Xảy đồng thời tế bào chất Phiên mã nhân, dịch mã tế bào chất Cấu trúc gen Operon Gen đơn Trạng thái phiên mã Bật Tắt Cấu trúc DNA Siêu xoắn với số protein Siêu xoắn với protein histone ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ DNA DNA nén chặt NST protein histon  không phiên mã Khi protein histon bị acetyl hóa phosphoryl hóa  cấu trúc nén chặt lơi  gen phiên mã Protein histon bị methyl hóa  cấu trúc xoắn chặt lơi  phiên mã va không phiên mã Protein bị ubiquitin hóa  phiên mã phiên mã DNA bị methyl hóa  cản trở RNA polymerase quy tụ protein khác đến  không phiên mã ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA Activator, repressor, response element, enhancer, silencer Response element: vùng trình tự DNA ngắn nằm vùng thượng nguồn vùng TATA khoảng 200 bp trở lại Những trình tự điều khiển gián tiếp thời điểm, không gian số lượng mRNA tạo thành Activator protein: protein bám vào response element Chúng ảnh hưởng đến khả phiên mã RNA polymerase Khi kết hợp với response element, protein điều khiển trực tiếp thời điểm, không gian số lượng mRNA tạo thành Activator kích thích phiên mã gắn vào enhancer Repressor: protein bám vào response element Chúng ảnh hưởng đến khả phiên mã RNA polymerase Khi kết hợp với response element, protein điều khiển trực tiếp thời điểm, không gian số lượng mRNA tạo thành Repressor ức chế phiên mã gắn vào silencer Enhancer: response element nằm xa vùng thượng nguồn hạ nguồn gen, chí gen Chúng có chức response element Enhancer có chức kích thích phiên mã Silencer: response element nằm xa vùng thượng nguồn hạ nguồn gen, chí torng gen Chúng có chức response element Silencer có chức ức chế phiên mã Cis-acting element cis-acting element GCGC CAAT TATA structural gene exon intron exon start TATA box enhancer GC box CAAT box (Hogness box) ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA RNA ức chế -Là RNA nhỏ có nhiệm vụ điều hòa dịch mã Gồm loại: miRNA: bám vào mRNA mục tiêu để ngăn chận dịch mã siRNA: bám vào mRNA mục tiêu để kích hoạt q trình phân giải mRNA mục tiêu ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA Cắt ghép hiệu đính RNA Tạo nhiều protein khác tế bào khác để đảm nhiệm chức khác ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ RNA Thời gian bán hủy mRNA Các mRNA có thời gian bán hủy khác nên lượng protein tạo thay đổi khác Vận chuyển mRNA tế bào chất Loại mRNA vận chuyển khác tùy theo chức mRNA ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ PROTEIN Sau dịch mã Sau tổng hợp, chuỗi polypeptide phải biến đổi: acid amin mở đầu, số đoạn chuỗi polypeptid bị cắt bỏ, protein biến đổi cấu hình, gắn thêm số chức hóa học acetat, photphat , lập cầu nối disulfide cắt bỏ đọan peptid protein…để thực chức ĐIỀU HÒA Ở MỨC ĐỘ PROTEIN Phân hủy protein Protein cần phân hủy đánh dấu ubiquitin Sau đó, bị phân hủy proteasome ... Tổng kết điều hòa biểu operon lac The lac operon allows the option of lactose utilization as a carbon source NEGATIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA ÂM BIỂU HIỆN GEN “Tắt” biểu gen Ví...  Quorum sensing Regulation of Porin Proteins by a Two Component Signal Transduction System POSITIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA DƯƠNG BIỂU HIỆN GEN “Bật” biểu gen Ví dụ: operon... POSITIVE + NEGATIVE REGULATION OF GENE EXPRESSION – ĐIỀU HÒA DƯƠNG + ÂM BIỂU HIỆN GEN araC: gen mã hóa cho protein AraC, vừa repressor vừa activator araO2: trình tự điều hòa để AraC gắn vào