Điều hòa biểu hiện gen TS. Vũ Thị Thơm Khoa Y Dược ĐHQGHN Mục tiêu bài học Trình bày được các khái niệm cơ bản về điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ Trình bày được các khái niệm cơ bản về điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa biểu hiện gen Gen được biểu hiện qua phiên mã và dịch mã Gen mã hóa các protein đảm nhiệm những chức năng thiết yếu, cơ bản của tế bàocơ thể thường biểu hiện liên tục và ổn định: gen giữ nhà (housekeeping gene hay constitutive gene) Gen mã hóa các protein cần cho sự sống còn hay các giai đoạn phát triển của tế bàocơ thể thường chỉ biểu hiện ở những giai đoạn nhất định: gen cảm ứng (inducible gene). Cần được “tắt” hay “mở” tùy theo nhu cầu từng lúc của sinh vật Sự biểu hiện của gen có thể được điều hòa bằng rất nhiều cách Mục đích của điều hòa biểu hiện gen Điều hòa biểu hiện gen là quá trình điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra trong tế bào nhằm đảm bảo hoạt động sống của tế bào phù hợp với môi trường cũng như sự phát triển bình thường của cơ thể Sinh vật nhân sơ: để đáp ứng với những thay đổi của môi trường sống Sinh vật nhân thật: cho phát triển Tạo thành và duy trì các loại tế bào khác nhau Mất kiểm soát có thể rất nguy hiểm Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ Điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân sơ Điều hòa phiên mã là hình thức điều hòa biểu hiện gen chủ yếu ở sinh vật nhân sơ Hai cơ chế được biết đến nhiều nhất của điều hòa phiên mã: Operon: các gen cấu trúc có liên quan về chức năng, được sắp xếp liền nhau thành một nhóm, cùng chịu sự kiểm soát của các yếu tố điều hòa chung Điều hòa từng tầng (cascade regulation): ở một số điều kiện nhất định, một nhóm gen có thể được “mở”, sản phẩm của các gen này lại “mở” một nhóm gen thứ hai. Việc này có thể được tái diễn nhiều lần Kiểm soát dương và kiểm soát âm Kiểm soát âm (negative control): chất ức chế (repressor) gắn lên vị trí điều hòa, ngăn cản phiên mã Phiên mã chỉ xảy ra khi chất ức chế đã bị loại bỏ hay bất hoạt Kiểm soát dương (positive control): chất kích hoạt (activator) gắn vào vị trí điều hòa, kích thích phiên mã Phiên mã xảy ra khi có mặt chất kích hoạt Operon Biểu hiện của các gen trong một operon được điều phối đồng bộ nhanh, hiệu quả, tiết kiệm năng lượng Một operon thường gồm: Các yếu tố điều hòa: promoter (chung của các gen cấu trúc), yếu tố vận hành (yếu tố chỉ huy – operator), v.v. Các gen cấu trúc Gen điều hòa: promoter và gen mã hóa cho protein điều hòa Nghiên cứu trường hợp: Operon tryptophan Gen điều hòa Operator Mã mở đầu Mã kết thúc Các gen trong operon Chất ức chế bất hoạt Không phiên mã Chất ức chế hoạt hóa Trp (Chất đồng ức chế) Các polypeptid cấu tạo nên các enzym tham gia tổng hợp tryptophan Kiểm soát âm Operon ức chế (repressible operon) Có tryptophan, chất ức chế được hoạt hóa, operon đóng Không có tryptophan, chất ức chế bị bất hoạt, operon ở trạng thái mở Operon ức chế Cụm gen cấu trúc thường ở dạng mở Khi phối tử (chất đồng ức chế) gắn vào chất ức chế sẽ hoạt hóa chất ức chế Phức hợp chất ức chế đồng ức chế gắn vào operator, khóa gen cấu trúc, đóng operon Thường gặp trong các con đường đồng hóa (sinh tổng hợp các chất từ các đơn vị cấu tạo) Operator Gen điều hòa Chất ức chế hoạt hóa Không phiên mã Có lactose, chất ức chế bất hoạt, operon chuyển sang trạng thái mở Allolactose (chất cảm ứng) Chất ức chế bất hoạt Kiểm soát âm Operon cảm ứng (inducible operon) Nghiên cứu trường hợp: Operon lactose Không có lactose, chất ức chế hoạt hóa, operon đóng Operon cảm ứng Cụm gen cấu trúc thường ở dạng đóng do chất ức chế gắn vào operator, khóa operon Khi phối tử (chất cảm ứng) gắn vào chất ức chế sẽ làm bất hoạt chất ức chế Phức hợp chất ức chế đồng ức chế tách khỏi operator, mở operon Thường gặp trong các con đường dị hóa (phân giải các chất thành các đơn vị cấu tạo) Vị trí gắn CAP ARN polymerase gắn kém CAP bất hoạt Chất ức chế bất hoạt Allolactose Kiểm soát dương: Operon lactose Operon lac còn chịu kiểm soát dương dưới ảnh hưởng của chất kích hoạt CAP (catabolite activator protein) CAP được hoạt hóa bởi cAMP (AMP vòng) Nồng độ cAMP trong tế bào tỉ lệ nghịch với nồng độ glucose Môi trường có cả lactose và glucose operon lac phiên mã kém Kiểm soát dương: Operon lactose Nồng độ glucose xuống thấp, cAMP trong tế bào có nồng độ cao, gắn và hoạt hóa CAP CAP gắn vào promoter của operon lac và kích thích phiên mã Vị trí gắn CAP ARN polymerase gắn và phiên mã CAP bất hoạt CAP hoạt hóa Allolactose Chất ức chế bất hoạt Môi trường có lactose và KHÔNG có glucose operon lac phiên mã mạnh Điều hòa từng tầng Điều hòa từng tầng ở sinh vật nhân sơ là một cơ chế điều hòa nhanh, tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng các yếu tố σ khác nhau Các yếu tố σ khác nhau nhận biết các đoạn liên ứng với trình tự khác nhau của các promoter khác nhau ARN polymerase với yếu tố σ khác nhau sẽ gắn lên promoter khác nhau, phiên mã các nhóm gen khác nhau, nhờ đó kiểm soát biểu hiện gen liên quan đến các hoạt động chuyên biệt của tế bào Phage SPO1 sử dụng luân chuyển yếu tố σ để xâm nhiễm vào vi khuẩn SPO1 là phage xâm nhiễm vi khuẩn Bacillus subtilis Có 3 nhóm gen: sớm, trung gian và muộn, biểu hiện ở những giai đoạn khác nhau của quá trình xâm nhiễm ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ70 ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ28 của phage ARN polymerase của vi khuẩn với yếu tố σ34 của phage Nhóm gen sớm Nhóm gen trung gian Nhóm gen muộn Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã: chủ yếu Điều hòa sau phiên mã: xử lý ARN, ổn định ARN Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Điều hòa cấu trúc và tổ chức chất nhiễm sắc Chất nhiễm sắc: ADN kết hợp với protein histone, cuộn gấp ở nhiều mức độ khác nhau Để gen có thể được biểu hiện, ADN cần được tháo cuộn trở về dạng duỗi xoắn Hai cơ chế điều hòa chính: sửa đổi ADN và sửa đổi histone Sửa đổi ADN Sửa đổi ADN: methyl hóa ADN Methyl hóa ADN sẽ ức chế khả năng bám vào ADN của bộ máy phiên mã, dẫn đến ức chế phiên mã Ở động vật có vú, sự methyl hóa thường xảy ra với cytosine trong trình tự: 5’ mC pG 3’ 3’ Gp Cm 5’ Sửa đổi histone Đuôi histone (đầu amin) có thể được acetyl hóa, methyl hóa hay phospho hóa, v.v. bằng các enzym Acetyl hóa histon thường giúp tăng cường phiên mã Các sửa đổi này là thuận nghịch Đuôi histone ADN mạch kép Các acid amin có thể được sửa đổi Đuôi của các protein histone thò ra khỏi nucleosome Histone không acetyl hóa Histone acetyl hóa Acetyl hóa histone tăng cường tháo cuộn gấp chất nhiễm sắc, tạo điều kiện cho phiên mã Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa khởi đầu phiên mã được thực hiện qua sự nhận biết và gắn của các yếu tố trans với các các trình tự cis Các yếu tố trans: các protein kiểm soát phiên mã Các trình tự cis: các trình tự ADN tham gia vào kiểm soát phiên mã: promoter và các trình tự điều hòa Promoter luôn luôn nằm ở thượng nguồn, ngay cạnh đoạn gen mã hóa Các trình tự điều hòa có thể nằm ở thượng hay hạ nguồn, gần hay xa đoạn gen mã hóa, hay ở ngay trong gen Các gen đồng biểu hiện thường không nằm cạnh nhau Các yếu tố trans Các yếu tố phiên mã chung (transcription factor) Các yếu tố điều hòa vùng gần Các yếu tố kiểm soát vùng xa (yếu tố tăng cường – enhancer, yếu tố ức chế silencer; v.v) Có miền gắn ADN Các miền kích hoạt có thể tương tác với các protein đặc hiệu khác Đặc hiệu với từng loại tế bào Có một số cấu trúc chung, nhưng thường tồn tại ở các dạng tổ hợp khác nhau trong các tế bào khác nhau Yếu tố kích hoạt Yếu tố kiểm soát vùng xa Các yếu tố phiên mã chung Protein điều hòa Protein uốn cong ADN Phức hệ khởi đầu phiên mã Tổng hợp ARN Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã: xử lý ARN, ổn định ARN Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Ghép mảnh lựa chọn (Alternate RNA splicing) “Chọn lọc” các exon Một gen có thể điều khiển tổng hợp nhiều dạng của một protein mARN cho fibronectin trong tế bào nguyên sợi mARN cho fibronectin trong tế bào gan Thoái hóa mARN Độ ổn định và thời gian tồn tại của mARN có ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ biểu hiện của gen Yếu tố ảnh hưởng: Đuôi polyA Trình tự của vùng 3’ không dịch mã (3’UTR) Mũ đầu 5’ Sự có mặt của các yếu tố điều hòa khác ARN can thiệp (RNAi) Micro ARN (miARN) Cấu trúc kẹp tóc Liên kết H Protein Dicer Tiền microARN miARN Phức hệ proteinmiARN Thoái hóa mARN Ức chế dịch mã Sự tạo thành và chức năng của miARN Nhiều ARN không mã hóa tham gia điều hòa biểu hiện gen ARN can thiệp có thể bắt cặp bổ sung với một đoạn của mARN, dẫn đến ức chế phiên mã vàhay dịch mã Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Điều hòa dịch mã Mũ 5’ và đuôi 3’poly(A) là những đặc điểm quan trọng cần cho sự bám của ribosom lên mARN Đuôi poly(A) có thể được sửa đổi để tác động đến quá trình bám của ribosom Các protein điều hòa gắn với các vùng không dịch mã, điều hòa tổng hợp protein Nghiên cứu trường hợp: Trao đổi sắt Protein điều hòa: aconitase Aconitase có thể gắn với sắt và tách khỏi mARN Ferritin dự trữ sắt; còn transferrin vận chuyển sắt vào tế bào Thiếu sắt: KHÔNG cần ferritin; CẦN transferrin Nhiều sắt: CẦN ferritin; KHÔNG cần transferrin THIẾU SẮT THỪA SẮT aconitase aconitase mARN ferritin mARN thụ thể transferrin) Ngăn chặn dịch mã Ổn định mARN Không tổng hợp ferritin Tổng hợp TT transferrin Fe mARN ferritin mARN thụ thể transferrin) Dịch mã mARN thoái hóa Tổng hợp ferritin Không tổng hợp TT transferrin Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Điều hòa sau dịch mã Sau dịch mã, nhiều protein cần được sửa đổi Cuộn gấp Cắt bỏ Sửa đổi bằng cách thêm một số nhóm chức (đường, phospho, v.v.) Các sửa đổi này cho phép hoàn thiện protein, thực hiện chức năng sinh học Điều hòa sau dịch mã : Phân giải protein Một số protein chỉ cần được biểu hiện trong thời gian ngắn Protein sai hỏng cần được tiêu hủy Quá trình phân giải protein được kiểm soát nghiêm ngặt Có sự tham gia của protein điều hòa ubiquitin và phức hợp proteasome Protein cần được phân giải Protein được ubiquitin hóa Protein vào proteasome Proteasome và ubiquitin được tái sử dụng Các mảnh của protein Vai trò của điều hòa biểu hiện gen Đóng vai trò quyết định trong: Phát triển cơ thể Biệt hóa tế bào Đảm bảo cho tế bàocơ thể hoạt động bình thường (Rối loạn bệnh tật) Phát triển phôi và điều hòa biểu hiện gen Một tế bào sinh ra nhiều tế bào Các tế bào được tạo thành không giống nhau Biệt hóa thành các mô và cơ quan Thay đổi về kiểu hình, chức năng Khi nào, ở đâu và như thế nào?? được kiểm soát do điều hòa biểu hiện gen Tổng kết Điều hòa biểu hiện gen là điều hòa lượng sản phẩm mà gen tạo ra trong tế bào Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ chủ yếu là điều hòa phiên mã, qua operon hay điều hòa từng tầng Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thật xảy ra ở nhiều mức độ Điều hòa biểu hiện gen đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cho tế bào và cơ thể phát triển bình thường, đáp ứng được với các thay đổi trong môi trường sống, giúp biệt hóa tế bào Thắc mắc? Chuẩn bị bài tới Chương 7 Biological Science, 3 rd edition; Freeman S., 2008
Điều hòa biểu gen TS Vũ Thị Thơm Khoa Y Dược ĐHQGHN Mục tiêu học Trình bày khái niệm điều hòa biểu gen sinh vật nhân sơ Trình bày khái niệm điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật Điều hòa biểu gen Gen biểu qua phiên mã dịch mã Gen mã hóa protein đảm nhiệm chức thiết yếu, tế bào/cơ thể thường biểu liên tục ổn định: gen giữ nhà (housekeeping gene hay constitutive gene) Gen mã hóa protein cần cho sống cịn hay giai đoạn phát triển tế bào/cơ thể thường biểu giai đoạn định: gen cảm ứng (inducible gene) Cần “tắt” hay “mở” tùy theo nhu cầu lúc sinh vật Sự biểu gen điều hịa nhiều cách Mục đích điều hịa biểu gen Điều hịa biểu gen q trình điều hòa lượng sản phẩm gen tạo tế bào nhằm đảm bảo hoạt động sống tế bào phù hợp với môi trường phát triển bình thường thể Sinh vật nhân sơ: để đáp ứng với thay đổi môi trường sống Sinh vật nhân thật: cho phát triển Tạo thành trì loại tế bào khác Mất kiểm sốt nguy hiểm Điều hòa biểu gen sinh vật nhân sơ Điều hòa phiên mã sinh vật nhân sơ Điều hịa phiên mã hình thức điều hòa biểu gen chủ yếu sinh vật nhân sơ Hai chế biết đến nhiều điều hòa phiên mã: Operon: gen cấu trúc có liên quan chức năng, xếp liền thành nhóm, chịu kiểm sốt yếu tố điều hòa chung Điều hòa tầng (cascade regulation): số điều kiện định, nhóm gen “mở”, sản phẩm gen lại “mở” nhóm gen thứ hai Việc tái diễn nhiều lần Kiểm soát dương kiểm soát âm Kiểm soát âm (negative control): chất ức chế (repressor) gắn lên vị trí điều hịa, ngăn cản phiên mã Phiên mã xảy chất ức chế bị loại bỏ hay bất hoạt Kiểm soát dương (positive control): chất kích hoạt (activator) gắn vào vị trí điều hịa, kích thích phiên mã Phiên mã xảy có mặt chất kích hoạt Operon Biểu gen operon điều phối đồng nhanh, hiệu quả, tiết kiệm lượng Một operon thường gồm: Các yếu tố điều hòa: promoter (chung gen cấu trúc), yếu tố vận hành (yếu tố huy – operator), v.v Các gen cấu trúc Gen điều hòa: promoter gen mã hóa cho protein điều hịa Nghiên cứu trường hợp: Operon tryptophan Các gen operon Gen điều hòa Operator Mã mở đầu Mã kết thúc Chất ức chế bất hoạt Các polypeptid cấu tạo nên enzym tham gia tổng hợp tryptophan Khơng có tryptophan, chất ức chế bị bất hoạt, operon trạng thái mở Không phiên mã Chất ức chế hoạt hóa Trp (Chất đồng ức chế) Có tryptophan, chất ức chế hoạt hóa, operon đóng Kiểm soát âm Operon ức chế (repressible operon) Operon ức chế Cụm gen cấu trúc thường dạng mở Khi phối tử (chất đồng ức chế) gắn vào chất ức chế hoạt hóa chất ức chế Phức hợp chất ức chế - đồng ức chế gắn vào operator, khóa gen cấu trúc, đóng operon Thường gặp đường đồng hóa (sinh tổng hợp chất từ đơn vị cấu tạo) Điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã: xử lý ARN, ổn định ARN Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Ghép mảnh lựa chọn (Alternate RNA splicing) “Chọn lọc” exon Một gen điều khiển tổng hợp nhiều dạng protein mARN cho fibronectin tế bào nguyên sợi mARN cho fibronectin tế bào gan Thoái hóa mARN Độ ổn định thời gian tồn mARN có ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ biểu gen Yếu tố ảnh hưởng: Đi poly-A Trình tự vùng 3’ khơng dịch mã (3’UTR) Mũ đầu 5’ Sự có mặt yếu tố điều hòa khác ARN can thiệp (RNAi) Cấu trúc kẹp tóc Liên kết H Micro ARN (miARN) Protein Dicer Tiền microARN miARN Nhiều ARN khơng mã hóa Phức hệ protein-miARN tham gia điều hịa biểu gen ARN can thiệp bắt cặp bổ sung với đoạn mARN, dẫn đến ức chế phiên mã và/hay dịch mã Thối hóa mARN Ức chế dịch mã Sự tạo thành chức miARN Điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Điều hòa dịch mã Mũ 5’ đuôi 3’-poly(A) đặc điểm quan trọng cần cho bám ribosom lên mARN Đi poly(A) sửa đổi để tác động đến trình bám ribosom Các protein điều hịa gắn với vùng khơng dịch mã, điều hòa tổng hợp protein Nghiên cứu trường hợp: Trao đổi sắt Protein điều hòa: aconitase Aconitase gắn với sắt tách khỏi mARN Ferritin dự trữ sắt; transferrin vận chuyển sắt vào tế bào Thiếu sắt: KHÔNG cần ferritin; CẦN transferrin Nhiều sắt: CẦN ferritin; KHÔNG cần transferrin THIẾU SẮT aconitase aconitase mARN thụ thể transferrin) mARN ferritin Ngăn chặn dịch mã Không tổng hợp ferritin Ổn định mARN Tổng hợp TT transferrin THỪA SẮT Fe mARN ferritin Dịch mã Tổng hợp ferritin mARN thụ thể transferrin) mARN thối hóa Khơng tổng hợp TT transferrin Điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã Điều hòa sau dịch mã Sau dịch mã, nhiều protein cần sửa đổi Cuộn gấp Cắt bỏ Sửa đổi cách thêm số nhóm chức (đường, phospho, v.v.) Các sửa đổi cho phép hoàn thiện protein, thực chức sinh học Điều hòa sau dịch mã : Phân giải protein Một số protein cần biểu thời gian ngắn Protein sai hỏng cần tiêu hủy Q trình phân giải protein kiểm sốt nghiêm ngặt Có tham gia protein điều hịa ubiquitin phức hợp proteasome Proteasome ubiquitin tái sử dụng Protein cần phân giải Protein ubiquitin hóa Protein vào proteasome Các mảnh protein Vai trò điều hịa biểu gen Đóng vai trị định trong: Phát triển thể Biệt hóa tế bào Đảm bảo cho tế bào/cơ thể hoạt động bình thường (Rối loạn bệnh tật) Phát triển phơi điều hòa biểu gen Một tế bào sinh nhiều tế bào Các tế bào tạo thành khơng giống Biệt hóa thành mô quan Thay đổi kiểu hình, chức Khi nào, đâu nào?!? kiểm sốt điều hịa biểu gen Tổng kết Điều hòa biểu gen điều hòa lượng sản phẩm mà gen tạo tế bào Điều hòa biểu gen sinh vật nhân sơ chủ yếu điều hòa phiên mã, qua operon hay điều hòa tầng Điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật xảy nhiều mức độ Điều hòa biểu gen đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo cho tế bào thể phát triển bình thường, đáp ứng với thay đổi môi trường sống, giúp biệt hóa tế bào Thắc mắc? Chuẩn bị tới Chương - Biological Science, 3rd edition; Freeman S., 2008 ... Tổng kết Điều hòa biểu gen điều hòa lượng sản phẩm mà gen tạo tế bào Điều hòa biểu gen sinh vật nhân sơ chủ yếu điều hòa phiên mã, qua operon hay điều hòa tầng Điều hòa biểu gen sinh vật nhân... Trình bày khái niệm điều hòa biểu gen sinh vật nhân sơ Trình bày khái niệm điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật Điều hòa biểu gen Gen biểu qua phiên mã dịch mã Gen mã hóa protein đảm nhiệm... phage Nhóm gen muộn Điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật Điều hòa biểu gen sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen chất nhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã: chủ yếu Điều hòa sau phiên