MÃ DI TRUYỀN MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN VÀ PROTEIN
4. ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GEN
4.2. Điều hoà biểu hiện gen ở Prokaryot
Các gen được phiên mã tạo mARN, được gọi là gen cấu trúc, protein được dịch mã từ mARN có thể enzym hoặc không phải là enzym. Trong số các protein không phải enzym có protein điều hoà
(regulatory protein), chúng tương tác với trình tự ADN 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 promotor, nơi nhận biết và bám vào của ARN -polymerase.
4.2.1. Cấu trúc của promotor
Thực chất của khởi đầu phiên mã là quan hệ tương tác giữa ARN polymerase với promotor.
Khi ARN polymerase gắn vào promotor gen sẽ tạo phân tử mARN.
Phần lớn promotor ở E. coli về căn bản có cùng một cấu trúc.
Nếu base đầu tiên được phiên mã ra mARN (thường là A) được đánh số +1 và tất cả các base phía 5’ hay phía trước nó không được phiên mã được ghi là (-). Ngay phía trước +1 có 6 base thường là trình tự TATAAT ở xung quanh -10. Không phải tất cả promotor có đúng trình tự này, gọi là trình tự nhất trí (consensus sequense), có thể gọi pribnow box. Xung quanh trình tự -35 có trình tự nhất trí TGACA. Cả hai trình tự phối hợp với nhau cho phép ARN polymerase gắn vào và quá trình phiên mã và dịch mã bắt đầu.
4.2.2. Cấu trúc của operon
Operon là đơn vị phiên mã gồm ít nhất 1 promotor (trình tự khởi động) và mARN kế cận mã hoá cho các trình tự của một hay nhiều mạch polypeptit. Promotor có ái lực với ARN polymerase, một trình tự ADN nơi mà protein ức chế (repressor protein) gắn vào được gọi là operator (gen điều hành), kế tiếp là các gen cấu trúc (cistron). Prokaryot thường tạo ra mARN đa gen (polycistronic), nhưng mARN của Eukaryot chỉ có 1 gen.
Năm 1961, Jacob và Monod đã đưa ra mô hình operon Lac ở E. coli.
- Operon Lac chứa 3 gen cấu trúc Z, Y, A
Gen Z mã hoá cho enzym galactozidase, có nhiệm vụ thuỷ phân lactose thành galactose và glucose.
Gen Y mã hoá enzym galactosid- permease, có chức năng vận chuyển lactose qua màng.
Gen A mã hoá enzym transacetylase, tham gia vận chuyển nhóm acetyl CoA, không tham gia vào chuyển hoá lactose.
- Trình tự Operator (O): Là đoạn ADN dài 34bp, nằm cách điểm khởi đầu của gen Z 10 bp. Protein ức chế nhận biết và bám vào và chuyển động dọc theo gen này cả về 2 phía.
- Trình tự khởi động (Promotor-P): Đoạn ADN dài 85 bp nằm trước gen O và trùm lên gen này 7 bp.
Vùng khởi động hay trình tự khởi động gồm 2 vị trí: Vị trí tương tác với ARN polymerase dài 39bp.
Vị trí CAP dài 39bp, đây là vị trí tương tác với protein dị hoá (Catabolite Activation Protein). Nếu không có protein này thì ARNase không thể liên kết với operon và không thể bắt đầu phiên mã.
- Gen điều hoà (I): Nằm kề sát gen khởi động, mã hoá cho protein ức chế gồm 4 chuỗi polypeptit đồng nhất, protein này có khả năng nhận biết và bám vào gen chỉ huy. Gen I không thuộc thành phần của operon, có thể nằm trên cùng 1 NST với các thành phần của operon hay có thể nằm trên NST khác.
Mô hình operon lactose ở E. coli Một số khái niệm:
Kiểm soát âm (Negative control): 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 biẻu hiện gọi là activator (chất hoạt hoá), activator có thể gắn với các điểm khởi động (initiator site) 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 gene) thường thường tham gia vào các phản ứng thoái dưỡng (kiểm soát âm, cảm ứng); còn các gen ức chế (repressible gene) 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, inducible control)
Âm, ức chế (negative, repressive control)
Dương, cảm ứng (positive, inducible control)
Dương, ức chế (positive, repressive control)
4.2.3. Điều hoà thoái dưỡng: kiểm soát âm, cảm ứng (negative, 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 enzym phân huỷ. Đó là operon cảm ứng mã hoá cho các enzym của con đường dị hoá.
Cảm ứng âm tính điển hình là operon lactose ở E.coli
Không có lactose gen mã hoá các enzym chuyển hoá lactose không biểu hiện.
Có lactose gen mã hoá các enzym chuyển hoá lactose biểu hiện.
Cơ chế: 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 ADN, 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 khả năng:
(1) Khi môi trường không có lactose mà chỉ có glucose thì repressor liên kết với operator và các cistron không tổng hợp mARN
.
2) Nếu trong môi trường dinh dưỡng có lctose (chất cảm ứng), lactose sẽ tác dụng tương hỗ với chất ức chế do gen điều hoà sản suất, làm thay đổi cấu hình của chất này, do vậy chất ức chế không nhận biết được gen chỉ huy, gen chỉ huy ở trang thái tự do, ARNase sẽ chuyển dịch dọc theo operon các gen cấu trúc được phiên mã và các enzym chuyển hoá lactose được tổng hợp.
4.2.4. Điều hoà biến dưỡng: âm, ức chế (negative, repressive control)
Biến dưỡng (anabolism) là quá trình tổng hợp nên các chất cần thiết cho tế bào (như các axit amin), 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 acid, trải qua 5 giai đoạn kế tiếp do 5 enzym xúc tác. Hệ thống tổng hợp axit amin tryptophan ở E.coli do operon kiểm soát âm, ức chế.
Môi trường không có tryptophan tế bào tổng hợp tryptophan nhờ tích cực sản xuất enzym chịu trách nhiệm tổng hợp tryptophan.
Môi trường có tryptophan enzym không được sản xuất nữa.
Nhân tố kìm hãm repressor không có ái lực với operator. Axit amin đặc trưng kết hợp với repressor sẽ làm thay đổi cấu hình của repressor.
Môi trường có tryptophan repressor kết hợp với tryptophan gắn lên operator các gen cấu trúc của operon không phiên mã.
Môi trường thiếu triptophan, repressor không gắn được vào operator, cho nên các gen cấu trúc của operon phiên mã.