Chương 3: MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN, PROTEIN
§4. ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GENE
(1). Những tín hiệu làm thay đổi biểu hiện gene.
(2). Điều hoà biểu hiện gene thực hiện ở giai đoạn nào từ sao chép đến dịch mã.
(3) Cơ chế phân tử của sự điều hoà biểu hiện gene.
4.1. Điều hoà biểu hiện gene ở Prokaryot
Các gene được phiên mã tạo ARN, được gọi là gene cấu trúc, protein
được dịch mã từ mARN có thể enzyme hoặc không phải là enzyme. Trong số
các protein không phải enzyme có protein điều hoà (regulatory prtotenin) chúng tương tác với trình tự ADN đặc hiệu kiểm soát phiên mã của gene cấu trúc. Gene điều khiển tổng hợp protein điều hoà gọi là gene điều hoà (regulatory gene), phía trước nhóm gene cấu trúc có trình tự protnotor, nơi ARN-polimerase nhận biết.
Hìnhh 3.11. Mối quan hệ giữa AND, ARN và protein
Thực chất của khởi đầu phiên mã là quan hệ tương tác giữa ARN - polimerase với promotor. Khi ARN-polilmese gắn vào promotor gene sẽ tạo phân tử mARN.
4.1.1. Cấu trúc của operon
Sự điều hòa biểu hiện gene ở Prokaryot phần lớn xảy ra ở giai đoạn phiên mã. Cơ chế điều hòa thông qua operon. Mỗi operon bao gồm: nhóm gene cấu trúc (cistron) cạnh nhau và các trình tự AND khác nhau tham gia điều hòa.
Operon là đơn vị phiên mã gồm ít nhất 1 promotor (trình tự khởi động) và mARN kế cận mã hóa cho các trình tự của một hay nhiều mạch polipeptit.
Promotor có ái lực với ARN-polimerase, một trình tự AND nơi mà protein ức chế (repressor protein) gắn vào được gọi là operator (điểm điều hành), kế tiếp là các gene cấu trúc (cistron). Prokaryot thường tạo ra mARN đa gene (policistronic), nhưng mARN của Eukaryot chỉ có 1 gene.
Kiểm soát âm (Negative control): Sự gắn của repressor protein vào operator làm cản trở sự phiên mã của tất cả các gene trong cùng một operon.
Kiểm soát dương (Positive control): Các protein cần thiết cho gene biểu 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 gene cấu trúc.
Chất giúp cho gene phiên mã được gọi là chất cảm ứng (inducer), chất có tác dụng ngược lại gọi là chất kìm hãm. Các gene cảm ứng (inducible gene) thường thường tham gia vào các phản ứng thoái dưỡng (kiểm soát âm, cảm
ứng); còn các gene 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).
4.1.2. Điều hoả 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 gene mã hoá các enzyme chuyển hoá lactose không biểu hiện; Khi có lactose gene 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
ADN, promotor ởđầu 5' không mã hoá của các gene cấu trúc. Repressor liên kết với operator nằm giữa promotor và gene cấu trúc. Có 2 khả năng:
(1) Không có lactose:
Khi môi trường không có lactose mà chỉ có glucose thì repressor liên kết với operator và các cistron không tổng hợp mARN - lac.
cistron không phiên mã (2) Có lactose:
Hình 3.13. Môi trường có lactose inductor gắn với repressor và các cistron phiên mã
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.
4.1.3. Điều hoà biên 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 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 soát âm, 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.
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.
• Khi môi trường có tryptophan, repressor kết hợp với tryptophan gắn lên operator làm cho các gene cấu trúc của operon không phiên mã.
• Môi trường thiếu triptophan, repressor không gắn được vào operator các gene cấu trúc của operon phiên mã.
4.2. Điều hoà biểu hiện gene ở Eukaryot
Bộ gene của Eukaryot có kích thước lớn, phân tử ADN được nén trong nhân tế bào. Cơ chế điều hoà biểu hiện gene có thể xảy ra ở 5-6 mức độ khác
nhau và sự điều hoà biểu hiện gene ở Eukaryot có một số đặc điểm cơ bản sau:
Ở Prokaryot, các gene điều hoà và promotor nằm gần nhau; còn ở
Eukaryot các gene 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 mà chúng kích thích. Trình tựđiều 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 gene ở Prokaryot phần lớn đáp lại từ những tín hiệu bên ngoài; còn ở Eukaryot chủ yếu là tín hiệu bên trong.
Promotor ở Eukaryot nằm phía trước điểm xuất phát của mARN. Hộp TATA, định hướng cho ARN-polimerase bắt đầu phiên mã. Sự thay đổi hộp TATA làm giảm tốc độ phiên mã. Hiệu quả của tốc độ phiên mã đo bằng sự thay
đổi từng bazơ trong promotor. 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.
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 bazơ và chúng hoạt động bất kì ở hướng nào, dù là ở trước hay sau promotor.
Tóm lại, các gene 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-polimerase khởi động phiên mã và đạt tốc độ phiên mã tối đa.
THẢO LUẬN
1. Trình bày về mật mã di truyền.
2. Đột biến gene và mật mã di truyền.
3. Mối liên quan giữa protein và tính chống chịu.
4. Đặc điểm cấu trúc của protein. Quá trình tổng hợp protein.
5. Phương pháp phân tích cấu trúc protein và đặc điểm cấu trúc của protein.
Chương 4: ENZYME SỬ DỤNG TRONG KĨ THUẬT SINH HỌC