ĐIỀU Hòa BIỂU HIỆN GEN ở EUKARYOTE - 123doc

*Hệ gen của sinh vật eukaryote rất phức tạp, gồm có gene trong nhân và gene ngoài nhânHệ gen nhân gồm các gene nằm trong các cấu trúc NST Mỗi NST của tế bào sinh vật được cấu tạo từ một

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở

EUKARYOTE

*Hệ gen của sinh vật eukaryote rất phức tạp, gồm có gene trong nhân và gene ngoài nhân

Hệ gen nhân gồm các gene nằm trong các cấu trúc NST

(Mỗi NST của tế bào sinh vật được cấu tạo

từ một phân tử DNA liên kết với các phân tử protein histon)

=>Sự biểu hiện và điều hòa biểu hiện gene ở Eukaryote khác và phức tạp hơn so với ở prokaryote

Tại sao phải có sự điều hòa biểu hiện

gen??????

• Là quá trình chuyển đổi thông tin di truyền trong gen thành các loại RNA, protein,

enzyme, nói cách khác là phương thức trả lời tác động của các nhân tố nội bào, ngoại bào, điều kiện sống, đảm bảo sự tồn tại và thích nghi của cơ thể sinh vật

• Trong quá trình sinh trưởng phát triển, có một số lượng gen nhất định trong bộ gen

được biểu hiện

• Số lượng gen, tỷ lệ DNA được biểu hiện, phương thức, mức độ biểu hiện gen khác nhau

ở từng loài và từng giai đoạn phát triển

BIỂU HIỆN GEN

Ở nấm men trên 75% DNA được phiên

mã, dịch mã

Hình thái hoàn toàn khác nhau ở các giai

đoạn của sâu bướm được phát triển từ một

tế bào trứng ban đầu

• Là quá trình điểu khiện hoạt động gen, gồm nhiều

cơ chế kiểm soát hoạt động gen khác nhau.

• Điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật eukaryote rất

phức tạp, có nhiều cấp độ khác nhau, qua nhiều

giai đoạn khác nhau

• Nhiều cơ chế biểu hiện liên quan đến sự biểu hiện

của một gen, Sự biểu hiện của gen này liên quan

đến hàng loạt gen khác

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

Mục đích: nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý

hoá và môi trường, tạo số lượng và số loại cần thiết để đảm bảo nhu cầu của tế bào là phát triển và sinh sản

Biến đổi cấu trúc nhiễm

1 BIẾN ĐỔI CẤU TRÚC NHIỄM SẮC THỂ

• Khi nhiễm sắc thể ở trạng thái cấu trúc xoắn hoặc siêu xoắn, gen không được biểu hiện

• Các nhiễm sắc thể trước tiên phải được giãn xoắn nhờ emzyme topoisomerase, chuyển sang dạng cấu trúcsợi cơ bản,lộ diện các gen cần thiết được biểu hiện

• Nhờ xúc tác của các enzyme đặc hiệu, thủy phân phân tử his ton trong cấu trúc nucleoxom cơ bản, gen được lộ diện ở trạng thái DNA trần

BIẾN ĐỔI CẤU TRÚC NHIỄM SẮC THỂ

• Mỗi phân tử histone có đuôi dài giàu dư lượng lysine (kí hiệu :K), là nơi xảy ra sự acetyl hóa

• Quá trình biến đổi cấu trúc nhiễm sắc thể, xảy ra do tác động của các enzyme đặc hiệu như: histon acetyl transferase- HAT, ubiquinase,…

• Nhóm acetyl sẽ gắn vào aa lysin, làm biến đổi điện tích của phân tử his ton từ dương(NH3+) sang trung tính, dẫn đến sự dãn xoắn DNA

Hình ảnh: Tổ hợp các protein tham gia vào quá trình acetyl hóa histon Nhiều gốc acetyl được gắn vào các đuôi histone

• Tiếp theo, các enzyme đặc hiệu, protein đăc hiệu(remodeling protein)và ATP làm cho phân tử histon trong lõi của nucleosom và histon H1 tách

khỏi cấu trúc nucleosom, lộ ra trình tự TATA Box,gen được lộ diện ở trạng thái trần, có thể được biểu hiện.

• Quá trình khử acetyl hóa histone có thể được thực hiện bởi các chất ức chế, bao gồm các deacetylase histone (HDAC) và các chất ức chế liên

quan khác, đưa gen về trạng thái ban đầu, gây ra sự im lặng gen.

• Metyl hóa làm cytosine biến

thành 5metylcytosin(5mC)

• Ở sinh vật bậc cao, khi một

số nucleotid của một gen bị

metyl hóa có thể làm mất

khả năng biểu hiện của một

gene

• Tỷ lệ DNA bị metyl hóa

khoảng 3% trên mỗi tb ở

đông vật có vú

METYL HÓA CÁC NUCLEOTID TRONG PHÂN TỬ DNA

• Trong tế bào Eukaryote có rất nhiều gen mã hóa protein được điều hòa bằng cơ chế kiểm soát phiên mã.

• Tùy từng loại gen, sự biểu hiện một gen thường chịu sự điều hòa của đồng thời 2 hay nhiều cơ chế kiểm soát ở mức độ phiên mã khác nhau.

• Có nhiều loại protein đặc hiệu tham gia vào quá trình phiên mã của gen:

+Điều hòa phiên mã bằng các trình tự nu đặc hiệu.

+Điều hòa phiên mã bằng lựa chọn promotor.

KIỂM SOÁT KHỞI ĐỘNG PHIÊN MÃ

ĐIỀU HÒA PHIÊN MÃ BẰNG CÁC TRÌNH TỰ NUCLEOTID ĐẶC HIỆU

1.Enhancer(trình tự tăng cường) :là trình tự DNA

điều hòa, khi được liên kết bởi các protein cụ

thể được gọi là các yếu tố phiên mã, sẽ tăng

cường sự phiên mã của một gen lên hàng chục

lần

2 Silencer( Trình tự ức chế): là một trình tự

DNA, khi được liên kết với protein ức chế sẽ làm

giảm cường độ phiên mã hoặc ngừng phiên mã

Vị trí:Nằm ở vùng mở rộng của

promoter(upstream) hoặc cách xa vùng 5’ của

gen đích

Protein hoạt hóa và ức chế:

• Một số protein hoạt hóa có thể đồng thời tham gia khởi động phiên mã ở nhiều gen trong một tế bào hoặc ở nhiều tế bào khác nhau

• Tùy theo tính chất và đặc trưng của các loại Protein hoạt hóa khác nhau

và tùy thuộc độ ở vị trí gắn của protein hoạt hóa với trình tự enhancer có thể điều hòa khởi động phiên mã của các gen khác nhau

Điều hòa phiên mã bằng lựa chọn promoter

• Một số gen của Eukaryote có thể có hai hay nhiều promoter Các promoter khác nhau của gen điều khiển hoạt động biểu hiện gen trong những giai đoạn phát triển khác nhau của tế bào hoặc cơ thể.

• Ở gà gen mã hóa albumin có 2 promoter, điều khiển hoạt động biểu hiện gen hai giai đoạn phát triển khác nhau trong quá trình phát triển từ phôi đến gà trưởng thành. 

        +Promoter 1: hoạt động ở giai đoạn phôi  

        +Promoter 2: hoạt động từ sau khi trứng nở thành gà con đến giai đoạn trưởng thành.

Gen mã hóa amilase có 2 promoter Ở các tế ∝

bào khác nhau, promoter điều khiển phiên mã

tạo các mRNA khác nhau, hình thành các ∝

amilase có hoạt tính khác nhau

Điều hòa giai đoạn sau phiên mã

• Tế bào sinh vật bậc cao có nhân điển hình, nhân được ngăn

cách với tế chất bởi màng nhân

• Trong nhân tế bào, các gen mang mã di truyền dược phiên

mã thành các phân tử tiền RNA

• Các phân tử tiền RNA phải trải qua quá trình hoàn thiện để

tạo thành RNA trưởng thành, đưa ra ngoài nhân mRNA có

thể được dịch mã hoặc không, các phân tử rRNA có thể kết

hợp với protein đặc hiệu để hình thành nên riboxom

Cắt intron, nối exon

• Sau khi được phiên mã,các phân tử mRNA được cắt các intron và nối exon nhờ sự tham gia đặc hiệu của các enzyme và ATP

• Các trình tự intron không phải là những trình tự cắt bỏ một cách cố định Trình tự nucleotid là intron ở tế bào này nhưng lại là exon ở tế bào khác

• Từ một phân tử tiền mRNA ban đầu được phiên mã từ cùng một gene, do sự cắt và nối các exon và intron khác nhau tạo nên các loại mRNA có cấu trúc khác nhau(qua

đó có thể được dịch mã thành các protein có cấu trúc và chức năng khác nhau)

• Ở tế thần kinh, cắt intron và exon 4, ghép exon 1,2,3,5 tạo mRNA trưởng thành, sau đó dịch mã tạo peptid thần kinh cgrp, gây hội chứng đau nửa đầu

• Ở tế bào tuyến giáp, cắt intron và exon 5, exon 124 nối tạo mRNA trưởng thành, tham gia dịch mã tạo protein calcitonin có vai trò quan trọng trong điều hòa trao đổi canxiCắt nối ở tiền mRNA calcitonin(NST11)

PolyAdenyl hóa

• Trước khi ra khỏi nhân, các mRNA chưa trưởng thành

được hoàn thiện tạo mRNA trưởng thành bằng quá

trình polyAdenyl hóa: gắn các nu Adenin ở đầu 3’ của

mRNA(tạo đuôi polyA)

• Quá trình này chỉ có ở tế bào nhân thực,với sự tham gia

của nhiều enzyme đặc hiệu

• Sự polyadenin hóa khác nhau tạo nên các mRNA có độ

dài đuôi polyA khác nhau

• Thời gian tồn tại của mRNA trong tế bào tỉ lệ thuận với

độ dài đuôi

• Thời gian tồn tại càng lâu, khả năng được dịch mã càng

lớn

• Sau khi mRNA được chuyển ra tế bào chất, đuôi poly A

bị thoái hóa ngắn lại

Gen TMP1

• nằm trên NST15,l iênquan đến sự vận động và co cơ

• Sau khi được phiên mã hình thành phân tử tiền mRNA

• Sự polyadenin hóa khác nhau tạo nên các đuôi dài ngắn khác nhau ở từng tế bào nên thời gian tồn tại khác nhau.

ĐIỀU HÒA GIAI ĐOẠN DỊCH MÃ

1.Kiểm soát tiết mRNA

• Sau phiên mã, các mRNA trường thành có thể đi ra ngoài nhân để tham gia dịch mã

• Các phân tử không hoàn thiện bị phân hủy ngay trong tế bào

• Do cơ chế kiểm soát tiết,một số phân tử mRNA trưởng thành có thể không được tiết vào tế bào chất, không được tham gia dịch mã

• Một số là do các spliceosom liên kết vỡi lỗ màng nhân, không cho mRNA ra

ngoài

• Một số do hoạt động của exonuclease, phân hủy đuôi poly A

2 Kiểm soát thoái hóa protein

• Phân tử protein có thể bị biến đổi bằng

cách acetyl hóa, glycosyl hóa, hoặc

thoái hóa ngay sau dịch mã

• Thời gian tồn tại của protein phụ thuộc

vào bản chất, chức năng và đặc trưng

từng loại tế bào

• Trong những điều kiện nhất định, các

phân tử protein bị lỗi cấu trúc mất chức

năng do dịch mã không bình thường, sẽ

bị phân giải

ĐIỀU HÒA GIAI ĐOẠN DỊCH MÃ

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE BẰNG TÍN HIỆU TẾ BÀO

ĐIỀU HOÀ BẰNG CÁC PROTEIN ĐẶC HIỆU

• Bản chất quá trình biểu hiện gen ở sinh vật là các phản ứng trả lời các tác động của tín hiệu môi trường nội bào và ngoại bào

• Biểu hiện gen ở mỗi loại tế bào động vật và thực vật chịu sự tác động của nhiều

cơ chế khác nhau Trong đó, Hormon là tín hiệu nội bào phổ biến Hormon có vai trò điều hoà hoạt động biểu hiện của nhiều loại gen khác nhau trong tế bào động vật và thực vật

• Có nhiều loại hormone khác nhau, mỗi loại hormone là một peptid đặc hiệu, có thể liên kết với thụ thể nhất định (thụ thể màng hoặc thụ thể nội bào), tham gia vào con đường dẫn truyền tín hiệu tế bào

ĐIỀU HOÀ BẰNG CÁC PROTEIN ĐẶC HIỆU

ĐIỀU HOÀ BẰNG CÁC PROTEIN ĐẶC HIỆU

• Ngoài các loại hormon, có nhiều loại protein đặc

hiệu khác là các các loại tín hiệu nội bào có vai trò

điều hoà hoạt động của nhiều gen Protein 53 kDa

(do gen p53 mã hoá) tham gia điều hoà hoạt động

và hoạt hoá các gen kiểm soát phân chia tế bào

• Trong tế bào, nếu gen p53 bị hỏng, tạo các protein

p53 bị biến đổi, kích hoạt các gen điều khiển tế bào

phân chia vô hạn, hình thành các khối u hoặc ung

thư ở người và động vật

Protein activin

• Là sản phẩm của tuyến tụy và tuyến sinh dục ở người

• Protein activin là loại tín hiệu nội bào, có vai trò quan trọng trong quá trình biệt hoá

Tế bào máu

Tế bào cơ xương

Tế bào cơ tim

ĐIỀU HOÀ BẰNG CÁC PROTEIN ĐẶC HIỆU

Hình ảnh Điều hoà biểu hiện gen bằng nồng độ activin trong thí nghiệm nuôi cấy tế bào nang

phôi Ếch Xenopus ( theo Campbell et al, 2008)

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE BẰNG MỘT SỐ LOẠI PHÂN TỬ TÍN HIỆU

Ngoài protein , có nhiều phân tử tín hiệu khác tham gia vào quá trình điều hòa hoạt động biểu hiện gene

• Nhóm phân tử tín hiệu có bản chất lipid:testosterol,estradiol,cortisol,…

• Nhóm các phân tử tín hiệu thần kinh : acetyl cholin, serotonin, dopamin,…

Các phân tử tín hiệu bản chất lipid và phân tử tín hiệu thần kinh có thể hoạt hóa sự biểu hiện của các gen khác nhau, tạo thành các phản ứng khác nhau của cơ thể như toát mồ hôi, dựng tóc gáy;…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.PGS.TS Khuất Hữu Thanh, TS Trương Quốc Phong,

(2015) – Điều hoà hoạt động biểu hiện gen NXB Bách

Khoa Hà Nội

2 PGS.TS Khuất Hữu Thanh, (2006) – Cơ sở di truyền phân tử và kỹ thuật gen NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

3.Nature.com