MÃ DI TRUYỀN MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN VÀ PROTEIN
4. ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GEN
4.3. Điều hoà biểu hiện gen ở Eukaryot
4.3.1. Đặc điểm về sự điều hoà biểu hiện gen ở Eukaryot
Bộ gen của Eukaryot có kích thước lớn, phân tử ADN được nén trên các NST trong nhân tế bào. Cơ chế điều hoà biểu hiện gen có thể xảy ra ở 5 - 6 mức độ khác nhau và sự điều hoà biểu hiện gen ở Eukaryot có một số đặc điểm cơ bản sau:
Ở Prokaryot, các gen điều hoà và promotor nằm gần nhau; còn ở Eukaryot các gen điều hoà ít khi nằm gần các promotor do chúng kiểm soát.
Các enhancer là những trình tự cùng nằm trên một phân tử với các promotor, có thể có hàng trăm bp ở phía trước hoặc sau trình tự mà chúng kích thích.
Trình tự điều hoà 5’ ở phía trước promotor của eukaryot có thể dài tới hàng chục kb.
Có nhiều kiểu điều hoà ở dạng các nhân tố tác động trans là các protein.
Sự điều hoà hoạt động gen ở prokaryot phần lớn đáp lại từ những tín hiệu bên ngoài; còn ở eukaryot chủ yếu là tín hiệu bên trong.
4.3.2. Promotor
Sự thay đổi hộp TATA làm giảm tốc độ phiên mã. Hộp TATA và các trình tự phía trước phải được nhận biết bởi các protein điều hoà, chính các protein này gắn với các điểm nhất định trên chúng và hoạt hoá sự phiên mã.
4.3.3. Enhancer (Trình tự tăng cường), trình tự cis và nhân tố trans
- Enhancer là trình tự có tác động cis (đều phía) có chức năng làm tăng tốc độ phiên mã đáng kể từ các promotor, enhancer có hiệu quả ngay cả khi cách xa vài nghìn cặp base và chúng hoạt động bất kỳ ở hướng nào, dù là ở trước hay sau promotor. Trình tự tham gia điều hoà - cis có cấu trúc gồm 2 phần đối xứng nhau.
- Enhancer được tổ chức gồm một dãy các trình tự có tác động cis để nhận biết các nhân tố trans - nhân tố protein tham gia điều hoà biểu hiện gen.
- Trans gồm 2 vùng cấu trúc chức năng: vùng gắn trans với ADN và vùng tác động lên phiên mã.
Các nhân tố trans có 4 kiểu tác động như: “Ngón tay kẽm” (zine-finger); “Xoắn-vòng-xoắn”
(helix-turn-helix); “Xoắn -nut-xoắn” (helix-loop-helix); “Dây kéo leucin” (leucine-zipper).
- Giữa trình tự cis và nhân tố trans thường có các tương tác đặc hiệu do những liên kết yếu hình thành giữa các phân tử của nhân tố trans với các base của trình tự cis. Các trình tự cis thường tiếp nhận protein điều hoà (nhân tố trans) gồm 2 tiểu đơn vị (dimer). Nhân tố trans có thể có 4 nhóm cấu trúc, chúng luôn gắn lên cis.
- Điều hoà bằng cách biến đổi nhiễm sắc chất hay ADN. Nhiễm sắc thể tồn tại những vùng “nhạy cảm” tương ứng với các gen hoạt động. Các vùng nhạy cảm này dễ tiếp xúc với enzym sao mã.
Tóm lại, các gen của Eukaryot được hoạt hoá bởi hai trình tự ADN có tác động cis là promotor và enhancer. Chúng được nhận biết các nhân tố protein có tác động trans. Các nhân tố trans này cho phép ARN–polymerase khởi động phiên mã và đạt tốc độ phiên mã tối đa.
4.4. Cơ chế biểu hiện phân hoá gen (Điều hoà hoạt tính và tác động của gen ở mức phiên mã)
Điều hoà hoạt tính và tác động của gen ở mức phiên mã gồm các khâu:
(1) Gắn với protein tạo thành các hạt mRNP (Ribo Nucleoprotein).
(2) Gắn thêm mũ 7 methyl guanosin triphotphat vào đầu 5’. (3) Gắn đuôi poly A vào đầu 3’.
Gắn mũ và thêm đuôi polyadenin có tác dụng bảo vệ mARN khỏi bị các ribonuclease phân giải.
(4) Cắt intron và kết nối các exon.
Hầu hết các khâu kể trên đều là cơ chế cho sự biểu hiện phân hoá của gen, cho phép các tế bào có thể hình thành 2 hoặc nhiều mARN từ cùng một tiền mARN do kiểu kết nối khác nhau. Kiểu kết nối khác nhau thường tạo ra các mARN với các vùng giải mã khác nhau, từ đó hình thành các protein khác nhau.
4.4.1. Gắn với các protein
Tiền mARN ở Eukaryot được gắn với các protein tạo ra chuỗi các hạt xếp xít nhau, có đường kính khoảng 20nm gọi là ribo nuleoprotein hoặc ribonucleosom. Mỗi ribonucleosome gồm khoảng 700 ribonucleotit quấn quanh các hạt protein.
Chức năng của các hạt protein đến nay chưa rõ, có thể chúng giữ cho sợi đơn ARN mới sinh không có hiện tượng lai giữa các sợi.
4.4.2. Gắn mũ (chóp = cap)
Đầu 5’ của tiền mARN được gắn thêm một cãi mũ do tác động của enzyme 7 methyl guanosin triphotphat (Guanin được methyl hoá ở vị trí số 7 và C số 5 của đường C5H 10O 5 gắn với 3 gốc photphat).
Chức năng của mũ
- Làm tăng khả năng kết hợp mARN với ribosom.
- Bảo vệ các tiền mARN khỏi bị phân giải bởi các ribonuclease.
- Khởi động cho sự giải mã của phân tử mARN.
4.4.3. Bổ sung đuôi polyA (polyadenin) ở đầu 3’ Đuôi poly A dài khoảng 100- 300 nucleotid loại adenin.
Vai trò:
-Vai trò quan trọng trong điều hoà giải mã
- Cần cho sự di chuyển qua lại giữa nhân và tế bào chất.
- Bảo vệ mARN khỏi bị enzym phân giải.
4.4.4. Cơ chế cắt intron và nối exon
Quá trình loại bỏ các intron ở pre-mARN được diễn ra như sau:
Mỗi intron gồm 102 –104 nucleotit.
Năm 1978 người ta đã xác định trình tự các base đặc hiệu trong giới hạn 2 đầu mút của mỗi intron ổn định gọi là đoạn chuẩn:
Sợi đối khuôn 5’ GT...AG 3’
Pre-mARN 5’ GU...AG 3’
Ở một số ARN nhân nhỏ (snARN) trong thành phần enzym cắt nối có các trình tự dinucleotit bổ sung với đoạn chuẩn trong intron.
Enzym cắt nối kết hợp với snARN tạo phức hợp snPRN (ribonucleoprotein nhân nhỏ). Một snRNP bám vào đầu 5’ và một snRNP bám vào đầu 3’ của intron để tách đoạn intron khỏi tiền mARN. Hai exon liền kề được nối lại với nhau, còn đoạn intron tách ra bị thoái hoá.
4.4.5. Gen Calcitonin/Neuropeptid và phiên mã phân hoá
Người ta đã phát hiện, ở chuột 1 gen mã hoá cho 2 protein khác nhau ở 2 loại tổ chức:
(1) Hooc môn Calcitonin được tổng hợp ở tuyến giáp với chức năng điều hoà Ca và P.
(2) Neuropeptid được tổng hợp từ cùng 1 gen với calcitonin nhưng có trong các tế bào thần kinh ở não.
Gen Calcitonin/Neuropeptid cũng như tiền mARN sao mã từ gen này gồm 6 exon và 2 đuôi polyA.
Ba exon đầu (1, 2, 3) đều có mặt trong 2 loại tổ chức tuyến giáp và nơron.
Tuyến giáp sử dụng polyA1 nằm sau exon 4 và liên kết với exon 1, 2, 3, 4. Nơron sử dụng polyA2 và sử dụng exon 1, 2, 3, 5, 6.
Sự sử dụng đuôi poly A khác nhau và sự kết nối các exon khác nhau từ cùng một tiền mARN đã tạo thành 2 loại mARN điều khiển tổng hợp hai loại protein khác nhau ở hai tổ chức khác nhau trong cơ thể. Phát hiện này chứng tỏ có sự phân hoá trong sao mã hình thành các loại mARN từ cùng 1 gen dẫn đến tổng hợp các loại protein khác nhau ở các tổ chức nhau.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2
1. Phân biệt các khái niệm codon, anticodon, sự mã hoá bộ 3 và bộ 3 mã hoá.
2. Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nào đã chứng tỏ mã di truyền là mã bộ 3?
3. Làm thế nào để biết được các bộ 3 mã hoá cho từng axit amin?
4. Mã di truyền có những đặc tính gì?
5. Giải thích tính thoái hóa của mã di truyền.
6. So sánh phiên mã ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.
7. Các giai đoạn của quá trình dịch mã trên mARN.
8. Các thành phần của một operon.
9. Các khái niệm: kiểm soát âm (negative control); kiểm soát dương (positive control); chất cảm ứng (inducer); chất kìm hãm (inhibitor). Ví dụ.
10. Mô hình điều hoà CƯ âm tính và ƯC âm tính ở E.Coli.
11. Đặc điểm điều hoà biểu hiện gen ở eukaryot.
12. Các khâu cơ bản của cơ chế biểu hiện phân hoá gen. Giải thích được tại sao cùng một gen lại có sự tổng hợp các protein khác nhau ở các tổ chức khác nhau trên cùng cơ thể.