5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.3.2.1. Nhân tố phiên mã và điều hòa biểu hiện gen
Một trong các đặc điểm để phân biệt phiên mã của sinh vật nhân chuẩn với sinh vật tiền nhân là RNA polymerase không bám trực tiếp vào DNA mà bám gián tiếp qua một nhóm các protein có tên gọi là yếu tố phiên mã (Transciption Factors, TFs) [180]. Bởi thế, trong nhiều trƣờng hợp vai trò của các yếu tố hoạt hoá là tập hợp những yếu tố phiên mã này tới vùng promoter hơn là trực tiếp chiêu mộ chính polymerase. Hiện nay, các TFs đƣợc coi là chìa khóa chuyển hóa chính hoặc điều hòa quá trình phát triển thông qua điều khiển sự biểu hiện gen, phân chia tế bào và cân bằng nội môi.
TFs là loại protein liên kết với trình tự DNA chuyên biệt để điều khiển tốc độ phiên mã của gen cấu trúc. Chúng có thể thực hiện chức năng này một mình
hoặc tƣơng tác tạo phức với các protein khác, bằng cách thúc đẩy (nhƣ là một chất kích hoạt), hoặc ngăn chặn (nhƣ là một chất ức chế) việc tuyển dụng của RNA polymerase đối với mỗi gen cụ thể [42], [92]. TFs đƣợc tìm thấy trong tất cả sinh vật sống. Số lƣợng TFs đƣợc tìm thấy trong một cơ thể tăng lên cùng với kích thƣớc bộ gen, và bộ gen lớn thƣờng có nhiều TFs cho mỗi gen [168]. Ngƣời ta ƣớc tính rằng TFs chiếm từ 0,5 đến 8% số lƣợng gen của bộ gen có nhân điển hình [95]. Trong hệ gen ngƣời có khoảng 10% gen mã hóa cho các TFs, khoảng 2600 protein [32]. Ở thực vật bậc cao nhƣ Arabidopsis ƣớc tính có hơn 2000 gen mã hóa cho các TFs, đại diện cho khoảng 60 họ protein [134].
Các nhân tố phiên mã ở sinh vật đa bào có liên quan đến chƣơng trình phát triển của cơ thể. Chúng có mặt để giúp tế bào trả lời các tín hiệu (hay kích thích) từ môi trƣờng. Các TFs làm “bật/ tắt” quá trình phiên mã của các gen thích hợp ở mỗi giai đoạn sinh trƣởng, phát triển hay chức năng của tế bào [180]. Một nghiên cứu ví dụ là nhân tố hoạt hóa phiên mã TAL đƣợc tiết ra bởi vi khuẩn
Xanthomonas. Khi vi khuẩn xâm nhiễm vào tế bào thực vật, các protein này có thể thâm nhập vào nhân tế bào chủ, bám vào trình tự promoter của gen kháng bệnh và kích hoạt sự phiên mã của gen để bảo vệ tế bào [37], [38], [119].
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc chuỗi axit amin của một TFs [171]
Trong tế bào nhân chuẩn, nhân tố TFs cũng nhƣ tất cả các protein khác, chúng đƣợc phiên mã từ gen trên NST thành mRNA trong nhân tế bào, sau đó mRNA ra tế bào chất tham gia dịch mã tổng hợp protein. Bất kì bƣớc nào cũng có thể bị kiểm soát làm ảnh hƣởng đến số lƣợng và hoạt tính của một TFs. Mặt khác, các TFs cũng có thể tự điều chỉnh, tức chúng có thể là chất ức chế cho chính gen quy định chúng khi liên kết với promoter. Đây là một cơ chế để duy trì mức thấp của một TFs trong tế bào [165]. Trong nhiều trƣờng hợp, một TFs phải
cạnh tranh với các TFs khác và với histone để liên kết với DNA [166].
Cấu trúc mô phỏng của một nhân tố phiên mã bao gồm các vùng: (1) Vùng liên kết với trình tự DNA cụ thể (DNA-binding domain, DBD), thƣờng gắn với DNA tại promoter; (2) Vùng tác động trans (Trans-activating domain, TAD) có chứa các vị trí liên kết với các TFs khác kích hoạt gen phiên mã (còn gọi là AFs- activation functions); (3) Vùng cảm biến tín hiệu (SSD- optional signal sensing domain) tiếp nhận tín hiệu bên trong hay bên ngoài tế bào và truyền tới phần còn lại của phức hệ phiên mã. Thứ tự vị trí và số lƣợng các vùng có thể khác nhau trong các loại TFs (Hình 1.3).
Bảng 1.3. Các nhóm nhân tố phiên mã
Họ InterPro Pfam SCOP
Basic helix-loop-helix (bHLH) IPR001092 Pfam PF00010 SCOP 47460
Basic-leucine zipper (bZIP) IPR004827 Pfam PF00170 SCOP 57959
GCC box SCOP 54175
Helix-turn-helix
Homeodomain proteins IPR009057 Pfam PF00046 SCOP 46689
Lambda repressor-like IPR010982 SCOP 47413
srf-like (serum response factor) IPR002100 Pfam PF00319 SCOP 55455
Paired box
Winged helix IPR013196 Pfam PF08279 SCOP 46785
Zinc fingers
Multi-domain Cys2His2 zinc fingers IPR007087 Pfam PF00096 SCOP 57667
Zn2/Cys6 SCOP 57701
Zn2/Cys8 nuclear receptor zinc finger IPR001628 Pfam PF00105 SCOP
Trong hầu hết các nghiên cứu, các nhóm TFs khác nhau đƣợc xác định trên cơ sở sự tƣơng đồng trình tự axit amin của vùng DBD [102]. Vùng TAD đƣợc đặt tên theo thành phần axit amin. Các axit amin trong vùng vừa cần thiết cho
hoạt động vừa có tính đa dạng [136]. Căn cứ vào cấu trúc không gian của axít amin trong vùng DBD, các TFs đƣợc phân loại thành nhiều nhóm (Bảng 1.3).
Cơ chế điều hoà phổ biến của TFs là các TFs liên kết với trình tự tăng cƣờng (enhancer) hoặc promoter bằng lực hút tĩnh điện (đặc biệt là liên kết hydro) và lực Van der Waals, làm tăng cƣờng hoặc ức chế hoạt động phiên mã của gen cấu trúc mà chúng tiếp giáp. Chúng hoạt động theo nhiều cách: (i) ổn định hoặc ngăn chặn sự gắn kết của RNA polymerase vào promoter; (ii) xúc tác acetyl hóa hoặc deacetyl hóa các histone, trong đó acetyl hóa làm suy yếu liên kết giữa DNA và histone làm cho DNA dễ đƣợc tiếp cận hơn để sao chép, deacetyl hóa là quá trình ngƣợc lại, làm DNA ít có cơ hội đƣợc tiếp xúc để sao chép, do đó điều tiết phiên mã giảm; (iii) sự có mặt của các protein hoạt hóa hoặc kìm hãm [94].
Hình 1.4. Mô hình hoạt động của các nhân tố phiên mã [180]