Chương 3 ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN
3.3. Điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote
Các gen được phiên mã tạo RNA, được gọi là gen cấu trúc, protein được dịch mã từ mRNA có thể enzyme hoặc không phải là enzyme. Trong số các protein không phải enzyme có protein điều hoà (regulatory prtotein) chúng tương tác với trình tự DNA đặc hiệu kiểm soát phiên mã của gen cấu trúc. Gen điều khiển tổng hợp protein điều hoà gọi là gen điều hoà (regulatory gen), phía trước nhóm gen cấu trúc có trình tự protnotor, nơi RNA-polymerase nhận biết.
Thực chất của khởi đầu phiên mã là quan hệ tương tác giữa RNA- polymerase với promotor. Khi RNA-polilmese gắn vào promotor gen sẽ tạo phân tử mRNA.
3.3.1. Cấu trúc của operon
Sự điều hòa biểu hiện gen ở Prokaryote phần lớn xảy ra ở giai đoạn phiên mã. Cơ chế điều hòa thông qua operon. Mỗi operon bao gồm: nhóm gen cấu trúc (cistron) cạnh nhau và các trình tự DNA khác nhau tham gia điều hòa (hình 3.1.)
Operon là đơn vị phiên mã gồm ít nhất 1promotor (trình tự khởi động) và mRNA kế cận mã hóa cho các trình tự của một hay nhiều mạch polipeptit. Promotor có áil ực vớ iRNA-polymerase, một trình tự DNA nơi mà protein ức chế (repressorprotein) gắn
54 vào được gọi là operator (điểm điều hành), kế tiếp là các gen cấu trúc (cistron).
Prokaryote thường tạo ra mRNA đa gen (policistronic), nhưng mRNA của eukaryote chỉ có 1 gen.
Hình 3.1: Cấu trúc của operon
Kiểm soát âm (Negativecontrol): Sự gắn của repressor protein vào operator làm cản trở sự phiên mã của tất cả các gen trong cùng một operon.
Kiểm soát dương (Positive control): Các protein cần thiết cho gen biểu hiện gọi là activator (chất hoạt hoá), activator có thể gắn với các điểm khởi động (initiatorsite) của operon hay gắn với enhancer site (điểm tăng cường) sẽ kích thích sự phiên mã của các gen cấu trúc.
Chất giúp cho gen phiên mã được gọi là chất cảm ứng (inducer), chất có tác dụng ngược lại gọi là chất kìm hãm. Các gen cảm ứng (inducible gen) thường thường tham gia vào các phản ứng thoái dưỡng (kiểm soát âm, cảm ứng); còn các gen ức chế (repressiblegen) thường tham gia vào các phản ứng biến dưỡng.
Khả năng có thể xảy ra 4 kiểu tổ hợp để kiểm soát sự phiên mã:
- Âm, cảm ứng (negative,induciblecontrol); Khi inducer hiện diện, repressor không thể gắn lên vị trí điều hòa Xảy ra hiện tượng phiên mã.
- Âm, ức chế (negative,repressivecontrol); Phức hợp repressor –corepressor gắn lên vị trí điều hòa Không phiên mã.
- Dương, cảm ứng (positive,induciblecontrol); Phức hợp activator – inducer gắn lên vị trí điều hòa xảy ra phiên mã.
- Dương, ức chế (positive,repressivecontrol);Phức hợp activator – repressor không thể gắn với vị trí điều hòa Không phiên mã.
3.3.2. Điều hòa thoái dưỡng: kiểm soát âm, cảm ứng (negarive,inducible control) Các chất dinh dưỡng được phân huỷ để tạo năng lượng hoặc tạo nguyên liệu cần thiết cho quá trình tổng hợp. Cơ chế điều hoà ở đây là sự có mặt của cơ chất,dẫn tới tổng hợp các enzyme phân huỷ. Đó là operon cảm ứng mã hoá cho các enzyme của con đường dị hoá.
Điển hình cho kiểu operon cảm ứng là operon lactose. Tín hiệu điều hoà đường lactose. Không có lactose gen mã hoá các enzyme chuyển hoá lactose không biểu hiện;
Khi có lactose gen mã hoá các enzyme chuyển hoá lactose biểu hiện.
Sự điều hoà xảy ra hoàn toàn ở mức phiên mã. Cơ chế này dựa vào sự tương tác của protein điều hoà (nhân tố kìm hãm - repressor) với một trình tự DNA, promotor ở đầu 5' không mã hoá của các gen cấu trúc. Repressor liên kết với operator nằm giữa promotor và gen cấu trúc. Có 2 Sự điều hoà xảy ra hoàn toàn ở mức phiên mã. Cơ chế này dựa vào sự tương tác của protein điều hoà (nhân tố kìm hãm-repressor) với một trình tự DNA, promotor ở đầu 5' không mã hoá của các gen cấu trúc khả năng:
55 Khi môi trường không có lactose mà chỉ có glucose thì repressor liên kết với operator và các cistron không tổng hợp mRNA–lac.
Khi môi trường có lactose, gọi là nhân tố cảm ứng (inductor). Inductor gắn với repressor dẫn đến sự thay đổi cấu trúc không gian của repressor làm cho repressor không còn ái lực với operator dẫn đến quá trình phiên mã của các cistron bắt đầu và các enzyme chuyển hoá lactose được tổng hợp (hình 3.2)
Hình 3.2: Mô hình hoạt động của operonlac 3.3.3. Điều hoà biên dưỡng: âm, ức chế (negative, repressivecontrol)
Biến dưỡng (anabolism) là quá trình tổng hợp nên các chất cần thiết cho tế bào (như các amino acid), đó là operon kìm hãm liên quan đến con đường đồng hoá-điển hình là operon-triptophan.
Quá trình tổng hợp tryptophan bắt đầu từ tiền chất chorismique axit, trải qua 5 giai đoạn kế tiếp do 5 enzyme xúc tác. Hệ thống tổng hợp amino axit tryptophan ở E.coli do operon kiểm soá tâm,ức chế.
Khi môi trường không có tryptophan tế bào tổng hợp tryptophan nhờ tích cực sản xuất enzyme chịu trách nhiệm tổng hợp tryptophan. Môi trường có tryptophan thì enzyme không được sản xuất nữa (hình 3.3.).
Nhân tố kìm hãm repressor không có ái lực với operator. Amino acid đặc trưng kết hợp với repressor sẽ làm thay đổi cấu hình của repressor.
Khi môi trường có tryptophan, repressor kết hợp với tryptophan gắn lên operator làm cho các gen cấu trúc của operon không phiên mã.
Môi trường thiếu triptophan, repressor không gắn được vào operator các gen cấu trúc của operon phiên mã .
56 Hình 3.3: Mô hình hoạt động của operon tryptophan