Bài giảng chương 7: Điều hòa sự biểu hiện của gen

CHƯƠNG VII

ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN

dnth

Sự biểu hiện của gen

nhau

• Trong một cơ thể đa bào - Tế bào được biểu hiện bởi các gen khác

DNA

- Mọi tế bào đều có cùng bản chất di truyền

Biểu hiện gen cần phải được điều hòa

1 ngày

14 tuần

10 tuần

6 tháng

12 tháng

18 tháng

trình sống, những gen khác nhau sẽ được “mở” hoặc “đóng”

• Ở những giai đoạn khác nhau trong chu

NỘI DUNG

1

2

3

4

5 I. CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỀU HÒA

Điều hòa gen nhằm mục đích

về dinh dưỡng

• Giúp cơ thể thích nghi với những thay đổi

• Đáp ứng với stress

• Đáp ứng với các tín hiệu tăng trưởng

• Biệt hóa tế bào trong quá trình phát triển

• Kiểm soát chu trình tế bào

Điều hòa thích nghi

• Là sự thay đổi hình thái và sinh lý để đáp ứng với các điều kiện môi trường khác nhau.

• Sự thay đổi này mang tính thuận nghịch.

• Không làm thay đổi bản chất di truyền.

• Một số gen hoạt động trong điều kiện này và một số gen khác ngừng hoạt động.

Điều hòa thích nghi

Ví dụ:

- Amip trong môi trường nước sẽ hình

thành các chân giả (pseudopod) để bơi.

- Vi khuẩn sống trong môi trường dinh dưỡng tối thiểu sẽ có khả năng tổng hợp các acid amin cần thiết.

Amip

Hoạt động nối tiếp của các gen

Ví dụ:

- Trong quá trình phage nhiễm vào vi khuẩn, gen “sớm” tạo enzyme sao chép DNA, gen “muộn” tạo các thành phần vỏ.

• Sự biểu hiện của gen trong cơ thể được lập trình nối tiếp nhau trong quá trình phát triển.

Biệt hóa tế bào

phát từ hợp tử ban đầu.

• Trong cơ thể có rất nhiều loại tế bào xuất

• Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin di truyền - sự biệt hóa (differenciation).

truyền.

• Sự biệt hóa không làm thay đổi bản chất di

Biệt hóa tế bào

Biểu hiện gen ở Prokaryote và Eukaryote

Biểu hiện gen ở Prokaryote

phân tử DNA vòng tròn.

• Số lượng gen giới hạn chứa trong một

bào chất.

• Quá trình phiên mã xảy ra trực tiếp trong tế

• Chu trình tế bào ngắn.

• Không có sự biệt hóa tế bào.

nhu cầu tế bào.

• Hoạt động của gen được điều hòa theo

Biểu hiện gen ở Eukaryote

• Eukaryote là cơ thể đa bào.

• Cấu trúc nhiễm sắc thể phức tạp.

• Có sự biệt hóa tế bào

giai đoạn nối tiếp nhau.

• Có quá trình phát triển cá thể qua nhiều

nhiều mức độ, nhiều giai đoạn.

• Sự điều hòa biểu hiện gen phức tạp qua

Biểu hiện gen ở Eukaryote

II. CÁC MỨC ĐIỀU HÒA

Điều hoà phiên mã

đóng gen

• Ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc

và quá trình biệt hóa tế bào

• Xảy ra ở quá trình điều hòa trao đổi chất

Điều hoà phiên mã

Điều hòa dương

Chất kích hoạt

Phiên mã

Trình tự điều hòa

Không phiên mã

Điều hòa âm

Chất ức chế

Phiên mã

Không phiên mã

Điều hòa sau phiên mã

Tốc độ chế biến mRNA có thể làm tăng hoặc giảm sự biểu hiện của gen

Điều hoà hoạt tính protein

chế biến trước khi biểu hiện hoạt tính.

Ví dụ: insulin chỉ hoạt động khi được cuộn lại, tạo liên kết đồng hóa trị và cắt rời.

• Các protein vừa được tổng hợp phải được

III. ĐIỀU HÒA Ở PROKARYOTE

Các mức điều hoà ở Prokaryote

• Có 5 mức điều hòa ở Prokaryote • Điều hòa phiên mã quan trọng nhất

Operon

• Là một đơn vị phiên mã, bao gồm một nhóm gen

được điều hòa

• Cấu trúc của một operon gồm:

– Gen cấu trúc mã hóa cho các enzyme

– Gen khởi động (promoter)

– Gen chỉ huy (operator)

• Gen điều hòa nằm về phía trước của operon,

mã hóa cho chất kìm hãm (repressor)

Tổ chức của operon vi khuẩn

Cấu trúc của một operon

Operon ở trạng thái được cảm ứng

Cấu trúc của một operon

Operon ở trạng thái bị kìm hãm

Kiểm tra biến dưỡng

cần thiết cho tế bào (vd: acid amin…)

• Biến dưỡng (anabolism): tổng hợp các chất

– Bắt đầu từ tiền chất là acid chorismic

– Có 5 enzyme xúc tác quá trình tổng hợp

tryptophan

– Sự tổng hợp các enzyme này do 5 gen nằm kề

nhau điều khiển

• Ví dụ: Quá trình tổng hợp tryptophan

Operon Tryptophan

Gen cấu trúc

Các enzym xúc tác quá trình sinh tổng hợp tryptophan

Chất kìm hãm Trp

với operator

– Khi gắn vào, sự phiên

mã bị chặn lại

– Được phiên mã từ một vị trí khác của bộ gen

– Phải được hoạt hóa để

trở thành dạng có chức năng

• Là một protein gắn

Hoạt động của chất kìm hãm Trp

Kiểm tra thoái dưỡng

• Thoái dưỡng (catabolism): phân hủy thức ăn để tạo năng lượng hay các chất cần thiết cho tế bào

glucose

- Tế bào E.coli có 3 gen cấu trúc tổng hợp 3 enzyme xúc tác cho quá trình là (cid:0) -galactosidase, permease và transacetylase

• Ví dụ: Quá trình phân hủy lactose để tạo

Con đường trao đổi chất của Lactose

lacZ : b-galactosidase lacY : lactose (galactoside) permease lacA : galactoside transacetylase

Operon Lac

Lactose (-)

Lactose (+)

IV. ĐIỀU HÒA Ở EUKARYOTE

Điều hòa gen eukaryote

• Quá trình điều hòa sự biểu hiện gen ở eukaryote rất phức tạp, qua nhiều mức

Điều hòa sự đóng gói DNA • Tế bào có thể dùng sự đóng gói DNA để bất

hoạt gen trong thời gian dài.

– Thường thấy ở cá thể cái động vật có vú – Có liên quan đến 1 NST X bị bất hoạt trong NST

củatế bào soma

• Vd: sự bất hoạt NST X (thể Barr)

Biến đổi histone

Đuôi histone

Nucleosome

DNA double helix

(a) Đuôi histone nhô ra khỏi cấu trúc nucleosome

Histone chưa acetil hóa

Histone acetyl hóa

(b) Quá trình acetyl hóa histone làm cho cấu trúc

chromatin lỏng lẽo, cho phép sự phiên mã xảy ra

Biến đổi histone

Sự methyl hóa DNA

base trên DNA để làm giảm sự phiên mã DNA

• Gắn nhóm methyl (- CH3) vào một vài

hưởng trong sự biệt hóa tế bào

• Có thể gây bất hoạt gen lâu dài, ảnh

Phiên mã gen eukaryote

trình tự DNA ngắn và các protein điều hòa

• Điều hòa phiên mã có liên quan đến các

Các chuỗi trình tự DNA ngắn

gen

• Tham gia vào quá trình điều hòa biểu hiện

cận promoter của gen cấu trúc

• Dài khoảng 20 cặp base, nằm ở vùng lân

protein điều hòa

• Làm điểm nhận biết cho việc gắn các

• Có cấu trúc gồm 2 phần đối xứng nhau

5’ AATTGTGAGCGGATAACAATT

3’ TTAACACTCGCCTATTGTTAA

• Vd:

Các chuỗi trình tự DNA ngắn

Transcription factors

Các protein điều hòa gen

• Gắn vào các trình tự DNA chuyên biệt để hoạt

hóa hay ức chế sự phiên mã của gen.

• Chứa các vùng cấu trúc (motif) có thể đọc các

trình tự nhận biết đặc hiệu và tạo các liên kết yếu với chúng.

• Có 4 kiểu motif:

– Helix – turn – helix (xoắn – vòng – xoắn)

– Helix – loop – helix (xoắn – móc – xoắn)

– Zinc finger (ngón tay kẽm)

– Leucine zipper (khóa dây kéo leucine)

Các kiểu tương tác DNA - protein

Điều hòa sau phiên mã

tạo các mRNA trưởng thành sẵn sàng cho dịch mã.

• Các intron được cắt khỏi tiền mRNA để

• Quá trình cắt “khác biệt” (Alternative splicing) sẽ cắt tại các vị trí khác nhau trên gen ở các loại mô khác nhau.

giống nhau.

• mRNAs trưởng thành trong mỗi loại mô sẽ có các exon khác nhau, cho ra các sản phẩm polypeptide khác nhau từ đoạn gen

Điều hòa sau phiên mã

• Những đoạn intron của mRNA Eukaryote có liên quan đến thời gian tồn tại (1/2 life) và việc ra khỏi tế bào chất của mRNA.

(cid:0)

Ảnh hưởng đến sự trưởng thành của

mRNA.

bào chất ngắn thì được có thể được dịch mã ít.

• Các mRNA có thời gian tồn tại trong tế

Sự phân hủy protein trong tế bào

• Protein được tạo ra và được phân hủy liên tục trong tế bào

• Sự phân hủy protein có liên quan đến việc gắn với Ubiquitin

Proteasome

• Xảy ra ở cấu trúc

Sự phân hủy protein trong tế bào

V. SỰ BIỆT HÓA TẾ BÀO

Định nghĩa

• Sự biệt hóa tế bào là sự biểu hiện một vài gen nào đó trong tế bào, nhằm giúp tế bào đảm nhận những chức năng chuyên biệt

• Chỉ có ở cơ thể đa bào

thông tin di truyền như nhau

• Các tế bào biệt hóa đều chứa cùng lượng

Phôi vị

Tb mầm

Lá phôi ngoài

Hợp tử

Túi phôi

Lá phôi giữa

Lá phôi trong

Cơ tim Cơ xương Tb ống thận

Tb tuyến giáp Tb tuyến tụy

Các đặc trưng

nhau.

• Các tế bào biệt hóa chứa thông tin như

di truyền.

• Các tế bào chỉ sử dụng một phần thông tin

trong quá trình phát triển phôi.

• Có sự hoạt động nối tiếp của các gen

biệt hóa tế bào.

• Sự điều hòa phiên mã là nền tảng của sự

Các tế bào biệt hóa chứa thông tin như

nhau

Nòng nọc

Ø Số lượng DNA của các tế bào biệt hóa giống như của

hợp tử ban đầu

Ø Tế bào biệt hóa chứa thông tin di truyền đủ để phát triển

thành các thể nguyên vẹn

Các tế bào biệt hóa chứa thông tin như

nhau

Các tế bào biệt hóa chứa thông tin như

nhau

Tế bào biểu bì từ vòi trứng

Cấy phôi vào “mẹ nuôi”

Tế bào chỉ sử dụng một phần thông tin di truyền

lượng protein và RNA khác nhau.

• Các tế bào ở các mô khác nhau có hàm

yếu 1 loại protein.

Vd:

- Tế bào cơ tổng hợp nhiều myosin

- Tế bào biểu bì tổng hợp nhiều keratin

• Nhiều tế bào chuyên hóa chỉ tổng hợp chủ

Các gen hoạt động nối tiếp trong sự phát triển phôi

được là do hoạt động nối tiếp của các gen khác nhau

Ví dụ: chỗ phình (puff) trên nhiễm sắc thể

khổng lồ

• Các trạng thái biệt hóa của tế bào có

Nhiễm sắc thể khổng lồ (polytene chromosome)

• Hiện tượng nhiễm

sắc thể khổng lồ có ở tuyến nước bọt của ấu trùng sâu bọ

• Nhiễm sắc thể

nhân đôi nhưng không tách ra

Nhiễm sắc thể khổng lồ ở ruồi dấm

Chỗ phình (puff) trên nhiễm sắc thể khổng lồ

• Xảy ra khi DNA của một phần NST khổng lồ

được nới lỏng ra cho phép phiên mã.

• Chủ yếu được cấu tạo từ RNA (được tổng hợp do

gen của vùng tạo chỗ phình)

• Sự phình ra (puffing) được kiểm soát bởi hormon

tăng trưởng ecdysone

Chỗ phình (puff) trên nhiễm sắc thể khổng lồ

• Có sự tương quan giữa sự tạo thành chỗ phình

với các giai đoạn phát triển của côn trùng

• Ở mỗi giai đoạn phát triển, một số gen mở ra và

một số gen đóng

• Ví dụ: giai đoạn lột xác và hóa nhộng của côn

trùng

Sự phát triển từ giai đoạn trứng đến giai đoạn trưởng thành của Drosophyla

Những điều cần nhớ

hiện của gen

• Mục đích của quá trình điều hòa sự biểu

hóa

• Các kiểu điều hòa: thích nghi, nối tiếp, biệt

• Điều hòa âm, dương

• Operon, promoter

• Kiểm tra biến dưỡng, thoái dưỡng

• Biệt hóa tế bào

Bài giảng chương 7: Điều hòa sự biểu hiện của gen