V. Tầm quan trọng của táI tổ hợp trong tự nhiên
c. Sự điều hoà biểu hiện của gen thông qua sự kết hợp giữa phiên mã và dịch mã operon Tryptophan
operon Tryptophan
Operon tryptophan là một ví dụ cho operon với trình tự dẫn đầu chứa các gen mã hoá cho các enzym cần thiết cho sinh tổng hợp trptophan. Cũng giống nh− các operon khác, operon Trp bao gồm các repressor, promoter, operator và các gen cấu trúc. Operon Trp là một hệ liên tục ng−ợc (repressible), nghĩa là việc liên kết của phân tử co-repressor với repressor làm tăng nhanh chóng ái lực của repressor sẽ liên kết và ngăn chặn sự phiên mã. Do đó, đối với operon Trp, việc bổ sung Tryptophan (một co-repressor) với môi tr−ờng nuôi cấy Ẹ Coli sẽ ngăn chặn quá trình phiên mã vì repressor sẽ liên kết với operator. Một yếu tố nữa tham gia điều hoà operon Trp này là trình tự dẫn đầụ Trình tự này dài khoảng 160bp và điều khiển sự biểu hiện của operon thông qua quá trình gọi là Attenuation.
* Sự điều hoà biểu hiện gen của Tryptophan operon bởi Attenuation: Trình tự dẫn đầu
gồm có 4 vùng. Vùng 2 của mARN có thể liên kết bổ sung với vùng 1 hay 3, vùng 3 có thể liên kết với vùng 2 hay 4. Nếu vùng 3 bắt cặp với vùng 4, cấu trúc loop kết thúc sẽ hình thành trên mARN và hậu quả là quá trình phiên mã sẽ kết thúc. Cấu trúc này hình thành khi nồng độ trong tế bào caọ Nếu vùng 3 liên kết với vùng 2 thì không dẫn đến hình thành loop kết thúc và do đó quá trình phiên mã sẽ tiếp tục hết operon. Trong tr−ờng hợp này, tất cả các enzym cần thiết cho con đ−ờng sinh tổng hợp Tryptophan đ−ợc tổng hợp. Điều này xảy ra khi tryptophan có nồng độ thấp trong tế bàọ Vùng 4 gọi là attenuator bởi vì sự xuất hiện của nó sẽ làm giảm sự tổng hợp mARN trong điều kiện nồng độ tryptophan caọ Vùng 1 cũng là thành phần quan trọng trong quá trình attenuation bởi vài vùng này của trình tự dẫn đầu mã hoá một peptide 14 axit amin có hai nhóm tryptophan.
Hình 6.8: Sơ đồ cấu trúc của operon Trp
trpE trpC trpA trpR trpD trpB Leader (trpL) Attenuator P O Co II Co I ββββ αααα Bifunctional enzyme Anthralinate synthase Tryptophan synthase Co II Co I ββββ αααα Bifunctional enzyme Anthralinate synthase Tryptophan synthase TrpR tryptophan (co-repressor) TrpR tryptophan (co-repressor) Leader peptide Leader peptide
(a) (b)
Hình 6.9. (a) Cấu trúc dừng phiên mã và tiếp tục phiên mã trong trình tự dẫn đầụ(b) Sự dừng lại hay tiếp tục di chuyển ribosom tại codon Trp trong vùng dẫn đầụ
* Kiểm tra định l−ợng tryptophan bằng Attenuation: Sự suy giảm hoạt động của operon
Trp phụ thuộc vào nồng độ cao hay thấp của tryptophan. Khi mức độ tryptophan trong tế bào cao thì dẫn đến nồng độ tryptophan tARN trong tế bào cũng caọ Ngay sau khi phiên mã, mARN di chuyển nhanh qua phức hệ ribosom và chuỗi polypeptide dẫn đầu ngắn chứa Trp đ−ợc dịch mã. Sự dịch mã xảy ra khá nhanh do hàm l−ợng Tryptophan tARN trong tế bào caọ Vùng 2 đ−ợc liên kết chặt chẽ với phức hệ ribosom. Vì thế vùng 3 có thể tự do liên kết bổ sung với vùng 4, và sự phiên mã tắt dần do sự hình thành loop kết thúc. Trong điều kiện tryptophan trong tế bào thấp, sự dịch mã chuỗi peptide ngắn trong vùng 1 chậm. Do đó, vùng 2 sẽ không bị bao phủ bởi phức hệ ribosom và vì thế nó sẽ liên kết bổ sung với vùng 3, cho phép quá trình phiên mã tiếp tục trên operon. Với cấu trúc cơ thể đơn giản và trình độ tiến hoá thấp, sự điều hoà biểu hiện của gen ở Prokaryota còn đơn giản, chỉ dựa trên một cơ chế duy nhất là cơ chế operon với một số kiểu nh− ức chế hay cảm ứng, âm hay d−ơng.
Hình 6.10. Operon trp trong điều kiện tế bào giàu hay nghèo hàm l−ợng tryptophan
Tuy nhiên, cách điều hoà này cũng đã đáp ứng đ−ợc đòi hỏi của cơ thể sống và giúp các cá thể Prokaryota tồn tại và phát triển mạnh mẽ. Sự điều hoà ở đây không chỉ mang tính chất
đáp ứng chính xác những đòi hỏi của cơ thể mà ngoài ra còn giúp sinh vật tiết kiệm năng l−ợng.
IỊ ĐIỀU HềA BIỂU HIỆN GEN Ở SINH VẬT NHÂN CHUẨN
Biểu hiện của gen ở Eukaryota khác sự biểu hiện ở Prokaryota ở nhiều điểm. Thứ nhất, sự sao mã dịch mã đ−ợc phân biệt về cả không gian và thời gian do sự hiện diện của màng nhân. Thứ hai, mARN của eukaryota luôn là monocistron, do đó mỗi gen có một cách điều hoà riêng. ở sinh vật nhân chuẩn, đặc biệt là ở những cơ thể đa bào, sự điều hoà hoạt động của gen rất phức tạp với quá trình phát triển và phân hoá rất đặc tr−ng để tạo thành cơ thể đa bào tr−ởng thành. Mỗi cơ thể đa bào đều bắt đầu từ một tế bào ban đầu duy nhất gọi là hợp tử và hợp tử này sẽ tiến hành nguyên phân. Các tế bào sinh ra đ−ợc phân hoá thành những dạng chuyên hoá về chức năng bằng cách chỉ biểu hiện một số gen mà không biểu hiện những gen khác. Hệ gen thiết lập một ch−ơng trình chi tiết cho quá trình nàỵ Thời gian biểu hiện của các gen d−ờng nh− theo một trật tự định sẳn (ví dụ nh− sự phân hoá vùng đặc hiệu sản xuất các globin ở thai và ở thời kỳ tr−ởng thành).
Sự điều hoà biểu hiện của gen ở Eukaryota có thể tóm tắt thành những mức độ nh− sau: - Mức độ tr−ớc phiên mã: Điều hoà cấu trúc của ADN và NST
- Mức độ phiên mã: Điều hoà đóng mở các gen
- Mức độ sau phiên mã: Sự tạo thành mARN tr−ởng thành và vận chuyển mARN. - Mức độ dịch mã: Sự tổng hợp protein và độ bền của bản đồ mã saọ
- Mức độ sau dịch mã: Quá trình vận chuyển protein và độ ổn định của protein.