Điều Hòa Biểu Hiện Gene ở Eukaryote | Lý Thuyết SINH HỌC

Điều  hòa  hoạt  động  gene  ở  eukaryote  phức  tạp  hơn  nhiều  so  với prokaryote. Liên quan đến điều hòa, giữa prokaryote và eukaryote có một số điểm khác biệt:

- Ở eukaryote thường chỉ có một chuỗi polypeptide đơn được dịch mã từ một phân tử mRNA hoàn chỉnh. mRNA đa gene (polycistronic) chỉ có ở prokaryote, không có ở eukaryote.

- DNA của eukaryote gắn với protein histone tạo sợi chromatin, và gắn với protein phi histone. Chỉ có một đoạn nhỏ DNA để trần. Ở prokaryote, một vài protein có mặt trên nhiễm sắc thể bị gấp nếp, còn lại hầu hết DNA trần.

- Một đoạn DNA quan trọng của eukaryote chứa trình tự nucleotide lặp lại  trung bình hoặc  lặp lại  cao.  Một vài trình  tự lặp  lại  được  xếp nối tiếp thành các bản sao tiếp nối nhau, một vài trình tự khác lại không xếp nối tiếp. Vi khuẩn chứa đoạn DNA lặp lại  nhỏ khác các  gene của rRNA và tRNA nhân đoạn và một vài yếu tố di động.

Một đoạn lớn DNA của eukaryote không được dịch mã. Hầu hết trình tự  nucleotide  không  được  mã  hóa  thành  protein.  Các  eukaryote  đơn  bào, chẳng hạn nấm men là trường hợp ngoại lệ đối với tính chất này.

Một vài gene eukaryote được biểu hiện và điều hòa nhờ cơ chế cấu trúc lại những đoạn DNA nhất định theo một phương thức được điều khiển và để tăng số lượng các gene đặc biệt này khi cần thiết.

Các gene eukaryote là gián đoạn được phân thành các exon và intron. Các intron được cắt bỏ trong quá trình chế biến bản phiên mã RNA trước khi bắt đầu dịch mã.

Ở  eukaryote,  mRNA  được  tổng  hợp  trong  nhân  và  được  chuyển  qua màng nhân, vào tế bào chất mới được sử dụng. Tế bào vi khuẩn không có nhân được tách biệt với tế bào chất.1. Sự biến đổi DNA

Một  số  gene  của  eukaryote  được  điều  hòa  bằng  sự  biến  đổi  DNA. Chẳng hạn, những trình tự nhất định có thể được khuyếch đại hoặc cấu trúc lại trong genome hoặc các base có thể bị biến đổi về mặt hóa học. Một vài biến đổi được phục hồi, những biến đổi khác lại bền vững. Tuy nhiên những thay  đổi  bền  vững  này  thường  xảy ra  ở  tế  bào  sinh  dưỡng,  vì  vậy  chúng không được truyền lại cho thế hệ sau qua dòng giao tử.2. Các promoter

Tương tự vi khuẩn, các promoter của eukaryote  cũng nằm phía trước điểm  xuất  phát  trên  mRNA  và có  những  trình  tự  được  bảo  tồn trong  tiến hóa. Hộp TATA định hướng cho mRNA bắt đầu phiên mã nằm ở phía trước điểm bắt đầu phiên mã khoảng 30 bp ở động vật có vú và 60 đến 120 bp ở nấm men. Hộp TATA hoạt động có hiệu quả cùng với 2 trình tự tương ứng ở phía trước khoảng 40  bp là CCAAT  và 110  bp là trình tự giàu GC. Sự thay đổi hộp TATA làm giảm tốc độ phiên mã. Hiệu quả của tốc độ phiên mã được đo bằng sự thay đổi của từng base trong promoter

*   Sự   cấu   trúc   lại   DNA   theo   chương   trình   (programmed   DNA rearrangement) Sự cấu trúc lại trình tự DNA trong genome là cơ chế bất thường nhưng quan trọng, nhờ đó một số gene được điều hòa.

3. Những trình tự tăng cường phiên mã (Enhancer)

Các thụ thể của hormone và những protein hoạt hóa phiên mã khắc gắn với trình tự DNA đặc biệt được biết là enhancer. Trình tự enhancer khá ngắn (thường chỉ 20 cặp base) được tìm thấy ở các vị trí khác nhau quanh gene được điều hòa. Hầu hết các enhancer nằm ở phía dưới điểm bắt đầu phiên mã  (đôi  khi  cách  xa  nhiều  kb).  Những  enhancer  khác  là  các  intron  nằm trong vùng mã hóa và một vài enhancer thậm chí nằm ở đầu 3' của gene.

Enhancer  là  thành  phần  nhạy  cảm  của  tổ  chức  gene  ở  eukaryote  vì chúng cho phép gene phiên mã chỉ khi nào có nhân tố hoạt hóa phiên mã đúng. Một vài enhancer phản ứng với các phân tử bên ngoài tế bào, chẳng hạn hormone steroid tạo phức hợp receptor-hormone. Những enhancer khác phản  ứng  với  các  phân  tử  được  tạo  thành  ở  bên  trong  tế  bào  (chẳng  hạn trong  suốt  quá  trình  phát  triển).  Những  enhancer  này  cho  phép  các  gene dưới sự điều khiển của nó tham gia vào biệt hóa tế bào (diffrentiation) hoặc được biểu hiện theo cách đặc biệt ở trong mô. Nhiều gene ở dưới sự kiểm soát của các enhancer khác nhau, vì vậy chúng có thể phản ứng với nhiều tín hiệu phân tử khác nhau cả bên trong và bên ngoài.

Sơ đồ tổ chức các gene điển hình ở Eukaryote bậc cao

Qua sơ đồ ở hình 11.8 cho thấy nhiều yếu tố di truyền được tìm thấy ở trong gene của eukaryote điển hình. Phức hợp phiên mã bám vào promotor bắt đầu tổng hợp mRNA. Vùng mã hóa của gene (exon) bị gián đoạn bởi một  hoặc  nhiều  trình  tự  gián  đoạn  (intron),  các  trình  tự  này  sẽ  bị  loại  bỏ trong quá trình chế biến RNA. Sự phiên mã được điều hòa bởi các yếu tố enhancer, các yếu tố này phản ứng với các phân tử khác nhau có vai trò là tín hiệu cảm ứng. Enhancer có mặt ở cả phía trên và phía dưới promoter. Một vài enhancer có nhiều bản sao.

Nhiều enhancer kích thích phiên mã bằng cách hình thành vòng DNA (DNA looping), liên quan đến sự tương tác giữa các vùng cách xa nhau có liên quan dọc sợi DNA. Các nhân tố cần thiết cho phiên mã bao gồm protein hoạt hóa phiên mã, nó tương tác với ít nhất một yếu tố protein có trong một hoặc nhiều phức hợp protein lớn, nhiều yếu tố. Yếu tố protein trong phức hợp  này  được  biết  như  là  yếu  tố  phiên  mã  chung  (general  transcription factors), vì chúng gắn liền với sự phiên mã của nhiều gene khác nhau. Nhân tố phiên mã chung ở eukaryote có tính bảo tồn cao trong tiến hóa. Một trong số các phức hợp này là TFIID, gồm protein gắn với hộp TATA (TATA-box- binding protein) TBP gắn với promotor trong vùng TATA box. Ngoài TBP, phức hợp TFIID cũng gồm một số protein khác được gọi là những nhân tố gắn  liền  với  TBP  (TBP-associated  factor)  =  TAFs.  Chúng  hoạt  động  như các chất trung gian qua đó ảnh hưởng của nhân tố hoạt hóa phiên mã được truyền đi. Sự phiên mã cũng yêu cầu một holoenzyme là RNA polymerase, chứa pol III tổ hợp ít nhất với 9 yếu tố protein khác. Ở nấm men, nhứng yếu tố  này  chứa  nhân  tố  phiên  mã  TFIIB,  TFIIF  và  TFIIH  cũng  như  những protein khác.

4. Trình tự bất hoạt gene (gene silencing)

Trình tự bất hoạt gene có thể nằm trước hoặc sau gene được điều hòa khoảng vài trăm cặp base. Chúng làm ngừng quá trình phiên mã bằng cách biến đổi histon và DNA.

5. Promoter chọn lọc (alternative promoter)Một  vài  gene  eukaryote  có  hai  hoặc  nhiều  promoter  hoạt  động  trong những tế bào khác nhau. Những promoter khác nhau này dẫn đến những bản phiên mã khác nhau chứa cùng vùng mã hóa protein. Ví dụ ở  Drosophila, gene mã hóa cho alcohol dehydrogenase, cấu tạo của nó trong genome có ba vùng mã hóa protein bị gián đoạn bởi hai intron. Sự phiên mã ở ấu trùng sử dụng một promoter khác với sự phiên mã ở ruồi trưởng thành. Bản phiên mã ở ruồi giấm trưởng thành có trình tự dẫn đầu 5' dài hơn. Nhưng hầu hết trình tự này bị loại bỏ trong splicing. Promoter biến đổi làm sự điều hòa phiên mã có thể không phụ thuộc vào ấu trùng hay ruồi giấm trưởng thành.

6. Splicing chọn lọc

Cùng promoter được sử dụng để phiên mã một gene, ở các loại tế bào khác nhau có thể tạo sản phẩm có số lượng khác nhau hoặc tạo ra những protein khác nhau. Điều này là do cùng một bản phiên mã   có thể có quá trình chế biến ở các loại tế bào là khác nhau.Sản phẩm các phân tử mRNA amylase khác nhau do quá trình splicing khác nhau xảy ra ở tế bào tuyến nước bọt và tế bào gan của chuột

Sự tổng hợp a-amylase ở chuột, những phân tử mRNA khác nhau được tạo ra từ cùng một gene vì những phần intron khác nhau bị loại bỏ trong quá trình chế biến RNA. Tuyến nước bọt của chuột tạo nhiều enzyme hơn gan mặc dù cùng một trình tự mã hóa được phiên mã. Ở mỗi loại tế bào, cùng một bản phiên mã sơ cấp (primary transcript) được tổng hợp, nhưng có hai quá trình chế biến khác nhau (Hình 11.9). Trình tự mã hóa bắt đầu 50 bp bên  trong  exon  2  được  tạo  thành  nhờ  nối  với  exon  3  và  những  exon  tiếp theo. Ở tuyến nước bọt bản phiên mã sơ cấp được chế biến để exon S nối với exon 2 (exon L bị loại đi như là intron 1 và 2). Ở gan exon L nối với exon  2,  exon  S  bị  loại  đi  cùng  với  intron  1.  Exon  S  và  exon  L  trở  thành những trình tự 5' biến đổi của amylase mRNA và mRNA này được dịch mã ở những tỷ lệ khác nhau.

Nguồn: thuviensinhhoc.com