2. CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA HIỆN TƯỢNG DI TRUYỀN
2.5. Các cơ chế điều chỉnh quá trình sinh tổng hợp protein
2.5.1. Điều chỉnh sinh tổng hợp protein ở Prokaryote
a. Mô hình operon
Mô hình operon điều chỉnh sinh tổng hợp protein được Jacob và Monod đề xuất, sau này được bổ sung. Mô hình điều chỉnh sinh tổng hợp protein ở Prokaryote bao gồm các thành phần:
- Gene cấu trúc (Ct hay cistron): Trên nhiễm sắc thể có các gene cấu trúc, các gene này tạo ra các mRNA, rồi tổng hợp nên các enzyme.
Ví dụ: gene cấu trúc Ct1, Ct2, Ct3… tổng hợp nên các enzyme tương ứng E1,E2, E3… các enzyme này xúc tác cho chuyển hóa vật chất ở những khâu xác định.
- Vùng khởi đầu promotor (Pr): là một đoạn DNA nằm kề với gene cấu trúc. Tại vùng khởi đầu có trình tự nucleotide, trình tự này được nhận diện bởi RNA polymerase để xác định vị trí khởi đầu sự phiên mã.
- Vị trí vận hành operator (O): thường có mặt trong vùng khởi đầu, khi vị trí vận hành tự do không bị kìm hãm thì nó cho phép RNA polymerase gắn với vùng khởi đầu và hệ thống các gene cấu trúc ở trạng thái mở sản xuất ra các mRNA và
95
các enzyme tương ứng. Trái lại khi vị trí vận hành đã liên kết với chất kìm hãm thì ngăn cản RNA polymerase không cho vào, do vậy gene cấu trúc ở trạng thái đóng.
Các gene cấu trúc, vùng khởi đầu và vị trí vận hành của vùng khởi đầu tạo thành một đơn vị gọi là operon.
- Gene điều chỉnh regulator (Re): có thể cùng nằm trên một nhiễm sắc thể với gene cấu trúc như ở Prokaryote hoặc nằm trên nhiễm sắc thể khác như ở Eukaryote. Gene điều chỉnh tổng hợp một loại protein làm nhiệm vụ kìm hãm hoạt động của gene cấu trúc gọi là chất kìm hãm (ký hiệu chữ R: Repressor) hoặc một loại protein có nhiệm vụ hoạt hóa gene gọi là chất hoạt hóa (ký hiệu chữ A: Activator).
b.Hoạt động của operon trong cơ chế kích thích (positive regulation)
Hoạt động của operon trong cơ chế kích thích có hai trường hợp:
- Trường hợp 1: chất hoạt hóa ở trạng thái hoạt động gắn với vị trí vận hành, đồng thời RNA polymerase gắn với vùng khởi đầu do đó gene cấu trúc ở trạng thái mở để sản xuất ra mRNA và các sản phẩm protein hoặc enzyme tương ứng. Khi có mặt một chất gắn đặc hiệu, chất gắn này gắn với chất hoạt hóa làm cho chất hoạt hóa rời khỏi vị trí vận hành do đó gene cấu trúc ở trạng thái đóng.
- Trường hợp 2: chất hoạt hóa ở trạng thái không hoạt động. Nhưng khi có mặt chất gắn đặc hiệu gắn với chất hoạt hóa thì chất hoạt hóa trở thành hoạt động gắn với vị trí vận hành, đồng thời RNA polymerase gắn với vùng khởi đầu do đó gene cấu trúc ở trạng thái mở sản xuất ra mRNA và protein tương ứng. Khi chất gắn đặc hiệu bị lấy đi khỏi chất hoạt hóa thì chất hoạt hóa trở thành không hoạt động rời khỏi vị trí vận hành và gene cấu trúc ở trạng thái đóng.
c. Hoạt động của operon trong cơ chế kìm hãm (negative regulation)
Hoạt động của operon trong cơ chế kìm hãm có hai trường hợp:
- Trường hợp 1: chất kìm hãm ở trạng thái hoạt động gắn với vị trí vận hành của gene cấu trúc do đó gene cấu trúc ở trạng thái đóng. Khi có mặt của chất gắn đặc hiệu gắn với chất kìm hãm thì chất kìm hãm này rời khỏi vị trí vận hành do đó vị trí này được giải phóng do đó gene cấu trúc mở phiên mã ra mRNA và tổng hợp các protein tương ứng.
- Trường hợp 2: chất kìm hãm ở trạng thái không hoạt động (inactive repressor) do đó vị trí vận hành tự do, gene cấu trúc ở trạng thái mở. Khi có mặt một chất gắn đặc
96
hiệu gắn với chất kìm hãm làm cho chất kìm hãm trở nên hoạt động gắn với vị trí vận hành thuộc vùng khởi đầu của gene do đó gene cấu trúc ở trạng thái đóng.
2.5.2. Điều chỉnh sinh tổng hợp protein ở Eukaryote
Tín hiệu điều chỉnh ở các cơ thể đa bào (Eukaryote) là các phân tử protein được sản xuất từ những tế bào chuyên biệt theo cơ chế thể dịch lưu thông khắp cơ thể, các phân tử này tác động vào nhóm những tế bào "đích", điều chỉnh biểu hiện các gene liên quan ở các tế bào này thông qua sự tương tác đặc hiệu giữa DNA - protein, cùng với phức hợp RNA polymerase và những protein đặc hiệu khác làm cho các gene liên quan m ở hay đóng theo đúng chương trình đã định sẵn để phù hợp với sự phát triển của toàn cơ thể và sản xuất protein tăng hay giảm theo yêu cầu của cơ thể. Các phân tử điều hòa có bản chất là protein có thể là các yếu tố sinh trưởng GF (Growth Factors), các hormon, các yếu tố đặc hiệu mô.
Điều chỉnh sự biểu hiện gene ở Eukaryote qua nhiều bước từ DNA → mRNA tiền thân RNA→protein.
a. Mô hình cấu trúc một gene Eukaryote
- Gene câu trúc
Gene cấu trúc quy định tổng hợp một loại protein xác định. Gene cấu trúc gồm các exon và intron. Các exon là những đoạn DNA có khả năng phiên mã để tổng hợp protein, các intron là những đoạn DNA có khả năng phiên mã nhưng không tham gia mã hóa tổng hợp protein. Tại vị trí đầu tiên của exon 1 là mã mở đầu ATG, tại vị trí cuối của exon cuối cùng là một trong ba mã kết thúc TAA, TGA hoặc TAG. Phía trước exon đầu tiên và phía sau exon cuối cùng có vùng không dịch mã. Ví trí 5'GT của intron là vị trí cho nối và vị trí 3'AG của intron là vị trí nhận nối. Các exon và intron sẽ phiên mã thành mRNA tiền thân, mRNA tiền thân trải qua quá trình cắt intron đã được phiên mã từ DNA và nối các exon đã được phiên mã từ DNA lại với nhau để tạo mRNA trưởng thành.
- Vùng kiểm soát biểu hiện gene gene gồm các thành phần sau:
+ Vùng khởi đầu: là những thành phần gồm các trình tự nucleotide được định khu ở đầu 5' tới gene. Vùng khởi đầu có chức năng xác định vị trí bắt đầu phiên mã, kiểm soát số lượng mRNA và tính đặc hiệu mô. Vùng khởi đầu có thể dài vài kilobase. Đa số các gene của người đều chứa trình tự "hộp TATA" được định khu
97
khoảng 25 - 30 đôi base từ đầu 5' tới vị trí bắt đầu phiên mã và ''hộp CCAAT" được định khu 75 - 80 cặp base từ đầu 5' tới vị trí bắt đầu phiên mã, "hộp" này có chức năng năng làm tăng hiệu quả phiên mã.
+ Vị trí gắn cho yếu tố kích thích phiên mã (enhancer): là trình tự DNA tác động với yếu tố kích thích phiên mã làm tăng quá trình phiên mã của những gene kề bên, vị trí này có thể hoạt động theo hướng 5' hoặc 3' tới gene.
+ Vị trí gắn cho yếu tố đặc hiệu mô: là trình tự DNA tương tác với protein đặc hiệu mô để chỉ huy gene cấu trúc sản xuất ra protein đặc hiệu tương ứng với từng mô.
+ Vị trí bắt đầu phiên mã: là vị trí mà quá trình phiên mã được bắt đầu tại điểm đó, vị trí này còn gọi là "cap site".
+ Vị trí gắn cho những thành phần đặc hiệu promotor khác: là trình tự DNA tương tác đặc hiệu với các yếu tố đặc hiệu khác làm nhiệm vụ điều hòa gene.
- Vùng 3’ của gene: có vị trí gắn thêm polyadenine tại đầu cuối 3' của gene (khoảng
200 adenine) còn gọi là đuôi poly A. Đuôi poly A có chức năng giúp mRNA di chuyển từ nhân ra tế bào chất và bảo vệ mRNA trong quá trình dịch mã tạo ra sản phẩm protein.
b. Các bước điều chỉnh biểu hiện gene ở Eukaryote
Điều chỉnh hoạt động gene ở Eukaryote là một quá trình tương tác đặc hiệu giữa các vị trí gắn đặc hiệu của vùng khởi đầu của một gene với phức hợp RNA polymerase, các nhân tố phiên mã chung cùng các protein đặc hiệu điều hòa gene (có thể có cả yếu tố đặc hiệu mô). Tùy từng trường hợp mà gene ở trạng thái đóng hay mở, tăng hoặc giảm quá trình phiên mã để tổng hợp nên protein đặc hiệu mô tương ứng với số lượng và chất lượng phù hợp theo giai đoạn phát triển cơ thể.
Biểu hiện gene ở Eukaryote được điều chỉnh qua nhiều bước từ DNA đến mRNA và protein.
Một tế bào có thể thay đổi biểu hiện gene của nó trong sự đáp ứng với những tín hiệu điều chỉnh. Biểu hiện gene ở Eukaryote có thể được điều chỉnh bởi sáu bước:
- Bước 1: quá trình phiên mã từ gene tạo ra mRNA tiền thân được điều chỉnh bởi yếu tố kiểm soát phiên mã, yếu tố này cho phép gene được phiên mã khi nào và được phiên mã thế nào.
- Bước 2: từ mRNA tiền thân tạo thành mRNA thuần thục được điều chỉnh nhờ yếu tố kiểm soát quá trình thuần thục hóa RNA.
98
- Bước 3: quá trình vận chuyển mRNA thuần thục từ nhân tới tế bào chất nhờ yếu tố kiểm soát vận chuyển RNA.
- Bước 4: những mRNA trong tế bào chất được dịch mã thành protein bởi các ribosome nhờ yếu tố kiểm soát dịch mã.
- Bước 5: một số phân tử mRNA trong tế bào chất được giáng cấp nhờ yếu tố kiểm soát giáng cấp.
- Bước 6: những phân tử protein được tổng hợp trở thành hoạt hóa hay bất hoạt nhờ yếu tố kiểm soát hoạt tính protein.