Điều hoà biểu hiện gen ở eukaryote

Chương 3 ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

3.4. Điều hoà biểu hiện gen ở eukaryote

Bộ gen của Eukaryote có kích thước lớn, phân tử DNA được nén trong nhân tế bào.Vì vậy, sự điều hoà biểu hiện gen ở Eukaryote có một số đặc điểm cơ bản sau:

Ở Prokaryote, các gen điều hoà và promotor nằm gần nhau; còn ở Eukaryote các gen điều hoà ít khi nằm gần các promotor do chúng kiểm soát.

Sự điều hoà hoạt động gen ở Prokaryote phần lớn đáp lại từ những tín hiệu bên ngoài; còn ở Eukaryote chủ yếu là tín hiệu bên trong.

Cơ chế điều hoà biểu hiện gen có thể xảy ra ở 5-6 mức độ khác nhau.

3.4.1. Mức độ chất nhiễm sắc

Ngay trên chất nhiễm sắc có thể thực hiện các kiểu sau:

- DNase cắt một số vùng trên genome làm tháo xoắn để các gen biểu hiện. Hai vùng được lưu ý đó là các vùng nhạy cảm (sensible) và siêu nhạy cảm (hypersensible).

Các vùng nhạy cảm có liên quan đến các gen có hoạt tính cao và những gen đã qua biểu hiện rồi (như các gen hoạt động ở phôi). Các vùng siêu nhạy cảm liên quan đến các gen có hoạt tính rất cao (như các gen histone).

- DNA Z (DNA trái) là dạng cấu trúc siêu xoắn có thể liên quan đến đóng mở gen.

- Methyl hóa các base. Ở các prokaryote sự methyl hóa có thể thực hiện đối với A và C, còn ở eukaryote sự methyl hóa chỉ thực hiện với C vị trí thứ 5. Methyl hóa làm gen ngừng hoạt động. Ví dụ: nhiễm sắc thể X bất hoạt ở người thuộc loại siêu methyl hóa. Nói chung, sự thay đổi cấu hình (reconfiguration) có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen.

3.4.2. Mức độ phiên mã

Đây là sự điều hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen. Kiểu điều hòa này thường gặp trong điều hòa trao đổi chất, cũng như các quá trình biệt hóa tế bào.

- Các trình tự DNA tham gia vào quá trình điều hòa biểu hiê ̣n gen:

57 + Tương tự prokaryote, vù ng 5’ không phiên mã của gen được go ̣i là promoter chịu trách nhiệm điều khiển sự phiên mã của gen. Tuy nhiên các trình tự điều hòa sự

phiên mã la ̣i nằm trước đó rất xa. Trình tự này quyết định sự biểu hiê ̣n đă ̣c trung của một gen. Đặc điểm chung củ a các trình tự này là chúng thường có cấu trúc đối xứng nhau. Chú ng được gọi là trình tự CIS. Có như vậy vì các trình tự này thường tiếp nhâ ̣n protein điều hòa (nhân tố Trans) dưới da ̣ng dimer (cấu ta ̣o từ hai tiểu đơn vi ̣).

+ Trình tự tăng cường (enhancer) cũng có khả năng điều hòa biểu hiê ̣n gen.

Chú ng có tác dụng làm tăng biểu hiê ̣n của gen tương ứng. Khác biê ̣t cơ bản của nhóm này với trình tự CIS là hoa ̣t tính khuếch đa ̣i biểu hiê ̣n của chúng không phu ̣ thuô ̣c vào vị trí và hướng. Với cùng đă ̣c tính với trình tự tăng cường nhưng có tác du ̣ng ngược la ̣i là nhóm kìm hãm silencer.

+ Điều hòa bởi các nhân tố trans (cách quãng, từ xa) do các nhân tố không nằm cùng trên một mạch DNA.

- Chọn lựa promoter thích hợp.

3.4.3. Mức độ hậu phiên mã

Sự điều hòa có thể biểu hiện ở mức tác động lên mRNA, chúng ta đã gặp trường hợp trên khi mRNA bị cắt bỏ các intron và gắn các exon lại với nhau để tạo thành mRNA hoàn chỉnh (RNA processing). Như vậy, các hệ thống ảnh hưởng đến sự hoàn chỉnh của mRNA có thể kiểm tra gián tiếp biểu hiện của gen tương ứng. Các mRNA của eukaryote còn có những đoạn không mã hóa liên quan tới thời gian tồn tại và ra khỏi nhân vào tế bào chất.

Ví dụ: kiểu điều hòa ở gen calcitonine: Hai loa ̣i protein được di ̣ch mã từ gen này là calcitonine được tìm thấy trong tế bào C của tuyến giáp và CGRP là mô ̣t chất trung gian thần kinh được tìm thấy trong não. Hai protein trên là sản phẩm của hai mRNA hình thành do sự gép nối ta ̣o hai tổ hợp exon khác nhau trong quá trình cắt intron và nối exon.

- Điều hòa biểu hiện gen bằng cách tăng giảm thời gian sống của mRNA: Các mRNA càng được tồn ta ̣i lâu trong tế bào càng được phiên mã thành nhiều protein.

Ví du ̣: Tế bào ung thư: quá trình tổng hợp protein từ mô ̣t số mRNA bền vững ta ̣o một số lượng rất cao các protein tương ứng.

- Sự dự trữ các mRNA trong tế bào là moột phương tiện điều hòa: Nhiều gen phiên mã nhưng không được dịch mã. Khi có mô ̣t tín hiê ̣u xuất hiện bô ̣ máy di ̣ch mã

hoạt đô ̣ng tổng hợp tử các mRNA dự trữ.

3.4.4. Mức độ dịch mã

Điều hòa biểu hiê ̣n gen ở mức đo ̣ di ̣ch mã chưa được biết rõ. Chỉ có một số

trường hợp cu ̣ thể đã được làm sáng tỏ như sau:

Trường hợp ferritine và thụ thể của trasferritine là các protein chi ̣u trách nhiê ̣m dự

trữ và thu hút sắt vào tế bào. Khi tế bài gan được ủ với sắt, sự di ̣ch mã mRNA của ferritine tăng cao trong khi thụ thể transferritine không được dịch mã. Phân tích cấu trúc hai loại mRNA này cho thấy chúng có mang mô ̣t trình tự IRE (Iron Responsive Element- Nhân tố đáp ứng với sắt) nằm ở đầu 5’ đối với ferritine và đầu 3’ đối với transferritine. IRE có khả năng tiếp nhâ ̣n một protein điều hòa tùy thuô ̣c vào sự có mă ̣t củ a sắt. Khi không có sắt, protein điều hòa gắn vào IRE ngăn cản sự di ̣ch mã của mRNA ferritine đòng thời lại giuos ổn đi ̣nh mRNA transferrine. Ngược la ̣i, không có sắt.

58 3.4.5. Mức độ hậu dịch mã

Ở đây có sự điều hòa hoạt tính của protein. Sau khi mạch polypeptide được tổng hợp, các protein nhiều khi phải trải qua các biến đổi thứ cấp trước khi biểu hiện hoạt tính (chức năng). Ví dụ: trypsin là enzyme phân giải protein trong dạ dày chỉ có được hoạt tính sau khi chất tiền thân của nó (pro-enzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạn polypeptide.

Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể như sự kết hợp các enzyme với một số sản phẩm đặc biệt có thể làm thay đổi cấu trúc không gian của chúng dẫn đến mất hoạt tính.

- Các quá trình glycosylation, phosphorylation… tức là gắn thêm các nhóm chất như đường, phospho… để protein có hoạt tính/chức năng sinh học.

- Peptide tín hiệu là đoạn gồm khoảng 20 amino acid nằm gần phía đầu N của polypeptide, có vai trò gắn polypeptide và ribosome đang tổng hợp mạch này với mạng lưới nội sinh chất. Trong bộ máy Golgi, polypeptide được phóng thích ra ngoài.

- Sự phóng thích ra protein có chức năng sinh học từ một phức hợp, như từ pro- insulin

Câu hỏi ôn tập

Câu 1: Điều hòa biểu hiện gen là gì? Trình bày các hiện tượng trong điều hòa biêu hiện gen

Câu 2: Trình bày cấu trúc chung của operon. Vẽ hình minh họa.

Câu 3: Trình bày cơ chế hoạt động của operon lac. Vẽ hình minh họa

Câu 4: Trình bày cơ chế hoạt động của operon tryptophan. Vẽ hình minh họa Câu 5: Trình bày quá trình điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote.

Câu 6: So sánh quá trình biểu hiện gen ở prokaryote và eukaryote? Tại sao?

59