Bài Giảng Điều Hòa Biểu Hiện Gen - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (39 trang)

Trang chủ

Giáo án - Bài giảng

Cao đẳng - Đại học

Bài giảng Điều hòa biểu hiện gen

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.91 MB, 39 trang )

Điều hòa biểu hiện genTS. Vũ Thị ThơmKhoa Y DượcĐHQGHNMục tiêu bài học Trình bày được các khái niệm cơ bản về điềuhòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ Trình bày được các khái niệm cơ bản về điềuhòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thậtĐiều hòa biểu hiện gen Gen được biểu hiện qua phiên mã và dịch mã Gen mã hóa các protein đảm nhiệm những chức năngthiết yếu, cơ bản của tế bào/cơ thể thường biểu hiện liêntục và ổn định: gen giữ nhà (housekeeping gene hayconstitutive gene) Gen mã hóa các protein cần cho sự sống còn hay các giaiđoạn phát triển của tế bào/cơ thể thường chỉ biểu hiện ởnhững giai đoạn nhất định: gen cảm ứng (induciblegene). Cần được “tắt” hay “mở” tùy theo nhu cầu từng lúccủa sinh vật Sự biểu hiện của gen có thể được điều hòa bằng rất nhiềucáchMục đích của điều hòa biểu hiện gen Điều hòa biểu hiện gen là quá trình điều hòa lượngsản phẩm của gen được tạo ra trong tế bào nhằm đảmbảo hoạt động sống của tế bào phù hợp với môi trườngcũng như sự phát triển bình thường của cơ thể Sinh vật nhân sơ: để đáp ứng với những thay đổi củamôi trường sống Sinh vật nhân thật: cho phát triển Tạo thành và duy trì các loại tế bào khác nhau Mất kiểm soát có thể rất nguy hiểmĐiều hòa biểu hiện genở sinh vật nhân sơĐiều hòa phiên mã ở sinh vật nhân sơ Điều hòa phiên mã là hình thức điều hòa biểu hiệngen chủ yếu ở sinh vật nhân sơ Hai cơ chế được biết đến nhiều nhất của điều hòa phiênmã: Operon: các gen cấu trúc có liên quan về chức năng,được sắp xếp liền nhau thành một nhóm, cùng chịu sựkiểm soát của các yếu tố điều hòa chung Điều hòa từng tầng (cascade regulation): ở một số điềukiện nhất định, một nhóm gen có thể được “mở”, sảnphẩm của các gen này lại “mở” một nhóm gen thứ hai.Việc này có thể được tái diễn nhiều lầnKiểm soát dương và kiểm soát âm Kiểm soát âm (negative control): chất ức chế(repressor) gắn lên vị trí điều hòa, ngăn cản phiên mã Phiên mã chỉ xảy ra khi chất ức chế đã bị loại bỏ haybất hoạt Kiểm soát dương (positive control): chất kích hoạt(activator) gắn vào vị trí điều hòa, kích thích phiên mã Phiên mã xảy ra khi có mặt chất kích hoạtOperon Biểu hiện của các gen trong một operon được điều phốiđồng bộ  nhanh, hiệu quả, tiết kiệm năng lượng Một operon thường gồm: Các yếu tố điều hòa: promoter (chung của các gen cấutrúc), yếu tố vận hành (yếu tố chỉ huy – operator), v.v. Các gen cấu trúc Gen điều hòa: promoter và gen mã hóa cho protein điềuhòaNghiên cứu trường hợp: OperontryptophanCác gen trong operonGen điều hòaOperatorMã mở đầu Mã kết thúcChất ức chế bất hoạtCác polypeptid cấu tạo nên các enzymtham gia tổng hợp tryptophanKhông có tryptophan, chất ức chế bị bất hoạt, operon ở trạng thái mởKhông phiên mãChất ức chế hoạt hóaTrp (Chất đồng ức chế)Có tryptophan, chất ức chế được hoạt hóa, operon đóngKiểm soát âmOperon ức chế(repressible operon)Operon ức chế Cụm gen cấu trúc thường ở dạng mở Khi phối tử (chất đồng ức chế) gắn vào chất ức chế sẽ hoạthóa chất ức chế Phức hợp chất ức chế - đồng ức chế gắn vào operator, khóagen cấu trúc, đóng operon Thường gặp trong các con đường đồng hóa (sinh tổng hợpcác chất từ các đơn vị cấu tạo)Nghiên cứu trường hợp: Operon lactoseGen điều hòaOperatorKhông phiên mãChất ức chế hoạt hóaKhông có lactose, chất ức chế hoạt hóa, operon đóngAllolactose(chất cảm ứng)Kiểm soát âmOperon cảm ứng(inducible operon)Chất ức chế bất hoạtCó lactose, chất ức chế bất hoạt, operon chuyển sang trạng thái mởOperon cảm ứng Cụm gen cấu trúc thường ở dạng đóng do chất ức chế gắn vàooperator, khóa operon Khi phối tử (chất cảm ứng) gắn vào chất ức chế sẽ làm bấthoạt chất ức chế Phức hợp chất ức chế - đồng ức chế tách khỏi operator, mởoperon Thường gặp trong các con đường dị hóa (phân giải các chấtthành các đơn vị cấu tạo)Kiểm soát dương: Operon lactose Operon lac còn chịu kiểm soát dương dưới ảnh hưởng củachất kích hoạt CAP (catabolite activator protein) CAP được hoạt hóa bởi cAMP (AMP vòng) Nồng độ cAMP trong tế bào tỉ lệ nghịch với nồng độ glucoseVị trí gắn CAPARN polymerase gắnkémChất ức chế bất hoạtCAP bất hoạtAllolactoseMôi trường có cả lactose và glucose operon lac phiênmã kémKiểm soát dương: Operon lactose Nồng độ glucose xuống thấp, cAMP trong tế bào có nồng độcao, gắn và hoạt hóa CAP CAP gắn vào promoter của operon lac và kích thích phiênmãARN polymerasegắn và phiên mãVị trí gắn CAPCAPhoạthóaCAPbất hoạtAllolactoseChất ức chế bất hoạtMôi trường có lactose và KHÔNG có glucose  operonlac phiên mã mạnhĐiều hòa từng tầng Điều hòa từng tầng ở sinh vật nhân sơ là một cơ chếđiều hòa nhanh, tiết kiệm năng lượng bằng cách sửdụng các yếu tố σ khác nhau Các yếu tố σ khác nhau nhận biết các đoạn liên ứng vớitrình tự khác nhau của các promoter khác nhau ARN polymerase với yếu tố σ khác nhau sẽ gắn lênpromoter khác nhau, phiên mã các nhóm gen khácnhau, nhờ đó kiểm soát biểu hiện gen liên quan đến cáchoạt động chuyên biệt của tế bàoPhage SPO1 sử dụng luân chuyển yếutố σ để xâm nhiễm vào vi khuẩn SPO1 là phage xâm nhiễm vi khuẩn Bacillus subtilis Có 3 nhóm gen: sớm, trung gian và muộn, biểu hiện ởnhững giai đoạn khác nhau của quá trình xâm nhiễmARN polymerase của vikhuẩn với yếu tố σ70Nhóm gen sớmARN polymerase của vi khuẩnvới yếu tố σ28 của phageNhóm gen trung gianARN polymerase của vi khuẩnvới yếu tố σ34 của phageNhóm gen muộnĐiều hòa biểu hiện genở sinh vật nhân thậtĐiều hòa biểu hiện genở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chấtnhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã: chủyếu Điều hòa sau phiên mã: xử lý ARN,ổn định ARN Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mãĐiều hòa cấu trúc và tổ chức chất nhiễm sắc Chất nhiễm sắc: ADN kết hợp với protein histone, cuộn gấpở nhiều mức độ khác nhau Để gen có thể được biểu hiện, ADN cần được tháo cuộn trởvề dạng duỗi xoắn Hai cơ chế điều hòa chính: sửa đổi ADN và sửa đổihistoneSửa đổi ADN Sửa đổi ADN: methyl hóa ADN Methyl hóa ADN sẽ ức chế khả năng bám vào ADN của bộmáy phiên mã, dẫn đến ức chế phiên mã Ở động vật có vú, sự methyl hóa thường xảy ra với cytosinetrong trình tự:5’ - mC pG - 3’3’ - Gp Cm - 5’Sửa đổi histone Đuôi histone (đầu amin)có thể được acetyl hóa,methyl hóa hay phosphohóa, v.v. bằng các enzym Acetyl hóa histon thườnggiúp tăng cường phiên mã Các sửa đổi này là thuậnnghịchĐuôihistoneCác acid amincó thể đượcsửa đổiADNmạch képĐuôi của các protein histone thò ra khỏinucleosomeHistone acetyl hóaHistone không acetyl hóaAcetyl hóa histone tăng cường tháo cuộn gấpchất nhiễm sắc, tạo điều kiện cho phiên mãĐiều hòa biểu hiện genở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chấtnhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mãĐiều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa khởi đầu phiên mã được thực hiện qua sự nhậnbiết và gắn của các yếu tố trans với các các trình tự cis Các yếu tố trans: các protein kiểm soát phiên mã Các trình tự cis: các trình tự ADN tham gia vào kiểm soátphiên mã: promoter và các trình tự điều hòa Promoter luôn luôn nằm ở thượng nguồn, ngay cạnh đoạngen mã hóa Các trình tự điều hòa có thể nằm ở thượng hay hạ nguồn, gầnhay xa đoạn gen mã hóa, hay ở ngay trong gen Các gen đồng biểu hiện thường không nằm cạnh nhauCác yếu tố trans Các yếu tố phiên mã chung(transcription factor) Các yếu tố điều hòa vùng Các yếu tố kiểm soát vùngxa (yếu tố tăng cường –enhancer, yếu tố ức chế v.v)Yếu tố kích hoạtYếu tố kiểmsoát vùng xagầnProteinuốn congADNsilencer;Các yếu tố phiênmã chungProtein điều hòa Có miền gắn ADN Các miền kích hoạt có thể tươngtác với các protein đặc hiệu khácPhức hệ khởi Đặc hiệu với từng loại tế bàođầu phiên mã Có một số cấu trúc chung, nhưng thườngtồn tại ở các dạng tổ hợp khác nhau trongcác tế bào khác nhauTổng hợp ARNĐiều hòa biểu hiện genở sinh vật nhân thật Điều hòa cấu trúc hệ gen và chấtnhiễm sắc Điều hòa khởi đầu phiên mã Điều hòa sau phiên mã: xử lýARN, ổn định ARN Điều hòa dịch mã Điều hòa sau dịch mã