Bài giảng Sinh học phân tử: Điều hòa Gen

ĐIỀU HÒA GEN

GV: Nguyễn Thị Ngọc Yến

Mục tiêu

 Điều hòa gen là gì?  Kiểm soát phiên mã

 Kiểm soát cảm ứng âm: lacoperon  Kiểm soát ức chế âm: hệ tryptophan  Kiểm soát cảm ứng dương: operon arabinose

 Kiểm soát hậu dịch mã

Hoạt động gen

 Sao chép  Phiên mã  Dịch mã  protein

Điều hòa gen

 Điều hoà trao đổi chất, là điều khiển tốc độ của các quá trình sinh hoá bằng cách thay đổi thuận nghịch các chất có bản chất protein tham gia vào các quá trình này, hoặc điều hòa hoạt tính của chúng

 Điều hòa sinh tổng hợp protein

 Điều hoà hoạt tính protein

 Sao chép  Phiên mã  Dịch mã

Hoạt động gen

Điều hòa sao chép

 15 locus (Dna) di truyền kiểm soát sao chép  Mỗi locus mã hóa cho 1 protein cần thiết cho quá

kéo dài

trình sao chép  DnaA cần cho tổng hợp primer  DnaC cần cho việc gắn primer và tham gia phức hệ

Điều hòa sao chép

SAO CHÉP ADN

PROTEIN ĐIỀU HÒA

KIỂM SOÁT DƢƠNG

KIỂM SOÁT ÂM

Sự tích lũy chất hoạt hóa cho đến ngƣỡng đủ để khởi động một chu trình sao chép mới

Tổng hợp chất kiềm hãm một cách giới hạn ngay khi bắt đầu chu trình sao chép

Một số thuật ngữ

Protein - Enzyme

mARN

Gen cấu trúc

Protein cơ cấu

PROTEIN ĐIỀU HÒA

mARN

Gen điều hòa

Gắn vào

OPERATOR

KIỂM SOÁT GEN ĐẶC HIỆU

( kiểm soát sự phiên mã)

Một số thuật ngữ

 Protein hoạt hóa  = Activator  Gắn promoter/ enhancer cần thiết cho sự biểu hiện

operon (kích thích sự phiên mã gen cấu trúc)

 Thường gặp trong phản ứng dị hóa

Protein điều hòa gồm có  Protein ức chế  = Repressor  Gắn operator ngăn cản phiên mã  Thường gặp trong phản ứng đồng hóa

Một số thuật ngữ

 Promoter: trình tự khởi động  Operator: trình tự trên ADN để protein điều hòa

 Enhancer: trình tự tăng cường trên ADN để protein hoạt hóa gắn vào. Protein này cũng có thể gắn lên promoter

(thường là protein ức chế) gắn vào

Một số thuật ngữ

 Operator có thể nằm cạnh promoter hoặc phủ lên 1

phần hoặc toàn bộ promoter

Một số thuật ngữ

 Operon: đơn vị phiên mã gồm >= 1 promoter, các

 1 gen cấu trúc (1 nhóm gen) đứng sau trình tự promoter. ARN pol nhận diện promoter sẽ phiên mã sợi có nghĩa thành mARN

gen mã hóa mARN, >= 1 operator  Operon vi khuẩn  Operon nhân thật

Operon TB nhân nguyên thủy

Điều hòa phiên mã

 Hoạt động phiên mã của gen có thể không được điều hòa nếu sản phẩm của chúng không liên quan tới điều kiện môi trường: những sản phẩm không phụ thuộc vào môi trường như vậy được tổng hợp liên tục

 Số lượng của những sản phẩm "không được điều hòa" vẫn có thể thay đổi phụ thuộc vào ái lực tương đối của ARN polymerase với promoter. Các promoter có ái lực cao sẽ tạo nhiều sản phẩm của gen hơn là có ái lực thấp

Điều hòa phiên mã

 Điều hòa âm: gen bị điều hòa bởi pro ức chế (repressor)  Điều hòa dương: gen bị điều hòa bởi pro hoạt hóa

(activator)

Điều hòa phiên mã

 Chất “mở” gen, làm cho gen phiên mã được: chất

cảm ứng

 Chất “đóng” sự phiên mã: chất ức chế

Có 4 loại điều hòa cơ bản:

 Cảm ứng âm  Ức chế âm  Cảm ứng dương  Ức chế dương

Điều hòa phiên mã

 Ức chế âm: gen đang phiên mã. Chất ức chế hoạt hóa repressor  phức hợp đồng ức chế ngăn cản phiên mã

 Cảm ứng âm (giải ức chế): Repressor đang cản trở phiên mã. Chất cảm ứng sẽ bất hoạt repressor, thúc đẩy phiên mã

 Cảm ứng dương: gen không phiên mã. Chất cảm ứng hoạt hóa activator  phức hợp hoạt hóa thúc đẩy phiên mã

 Ức chế dương: Activator gắn vào gen  phiên mã. Chất ức chế bất hoạt activator  cản trở phiên mã

Cảm ứng âm – lac operon

 Thường gặp trong phản ứng đồng hóa  Operon bị kiểm soát bởi protein ức chế được cảm

Cảm ứng âm

Chất cảm ứng

Gen bị điều hòa bởi repressor (âm)

Chất mở gen

Gen đang bị đóng

Giải ức chế

ứng để giải ức chế

Cảm ứng âm – lac operon

 Promoter (P+)  Operator (O+)  3 gen cấu trúc: β – galatosidase (Z+), permease

"Hệ lactose" hoang dại:  Gen điều hoà (I+): repressor  “Lac” operon

(Y+) và transacetylase (A+)

Cảm ứng âm – lac operon

 Phân giải lactose thành glucose và galactose  Biến đổi

liên kết 1-4 glycosid trong đường lactose thành liên kết 1-6 trong đường allolactose: chất cảm ứng hệ lac operon

lactose thiếu hụt trong môi trường thì enzym này Khi không nhiều lắm. Ngay sau khi thêm lactose vào môi trường, nhưng không có glucose, enzym này lập tức được sản sinh

 β-galactosidase

 Permease: vận chuyển lactose qua màng vào tb  Transacetylase: chưa rõ

Cảm ứng âm – lac operon

 Gen điều hòa thường xuyên tạo ra protein điều hòa  Khi thiếu lactose, repressor gắn operon làm ARN pol không gắn vào promoter nên không phiên mã  Khi có lactose, không có glucose: một vài phân tử lactose được permease chuyển qua màng, bị β- galactosidase chuyển thành allolactose.

 Allolactose gắn vào repressor gây biến hình dị lập

 Protein ức chế có 2 tâm đặc thù:

(1) gắn với

thể, rời ADN. ARN pol bám vào phiên mã

operator và (2) gắn chất cảm ứng

Cảm ứng âm – lac operon

 Không có lactose

Cảm ứng âm – lac operon

 Khi có lactose, không có glucose: chất cảm ứng gắn repressor  biến hình dị lập thể, bất hoạt repressor

Cảm ứng âm – lac operon

(a) protein ức chế gắn vào operator và phong bế sự hoạt động của ARN polymerase; (b) chất cảm ứng gắn vào protein ức chế và bất hoạt nó. ARN polymerase tiến hành phiên mã các gen 1,2,3 trong operon

Ức chế âm – hệ tryptophan

 Sự tổng hợp enzym bị ức chế bởi chính bản thân

sản phẩm mà nó xúc tác

Ức chế âm

Chất ức chế

Gen điều hòa bởi repressor không hoạt tính (âm)

Chất đồng ức chế

Ức chế gốc

 Thường xảy ra đối với phản ứng đồng hóa

+

Phức hợp ức chế chức năng

Ức chế âm – hệ tryptophan

Hệ tryptophan:  Gen điều hòa: repressor (chất ức chế gốc) tạo ra liên tục nhưng không gắn được operator, cần 1 chất đồng ức chế mới hoạt động được

 Operon tryptophan:

trình tổng hợp tryptophan

 Promoter  Operator  5 gen cấu trúc mã hóa 5 enzym tham gia quá

Ức chế âm – hệ tryptophan

Enzym tổng hợp tryptophan

Repressor không hoạt tính

Ức chế âm – hệ tryptophan

 Promoter và operator phủ lên nhau  Khi nồng độ tryptophan tăng lên:

Tryptophan (chất đồng ức chế = Co-repressor) + repressor (ức chế gốc không hoạt tính) = Phức hợp ức chế chức năng  gắn operator ức chế phiên mã repressor, tryptophan giảm: tryp tách khỏi  Khi

repressor rời operator, ARN pol bám vào phiên mã

Ức chế âm – hệ tryptophan

 Không có tryptophan

Ức chế âm – hệ tryptophan

 Khi có tryptophan

Điều hòa suy giảm - Tryptophan

Trình tự dẫn đóng vai trò bộ suy giảm. Theo sau là operon mã hóa enzym tổng hợp protein

Sắp xếp các vùng nucleotid trong trình tự dẫn

Điều hòa suy giảm - Tryptophan

 Trong điều kiện thừa tryptophan thì ribosom dịch mã ra sợi peptid dẫn, do đó vùng B và C của mARN không tạo nút được. Nhờ đó, vùng C và D bắt cặp được với nhau tạo thành nút kẹp tóc, phong bế ARN polymerase. Khi đó Tryptophan operon không hoạt động

 Nếu môi trường thiếu tryptophan thì ribosom sẽ dừng lại ở các codon tryptophan của vùng A. Vì ribosom phủ lên A, nên B bắt cặp với C, do vậy C không thể bắt cặp với D nên không hình thành được kẹp tóc ngừng. Nhờ đó, ARN polymerase tiếp tục phiên mã các gen cấu trúc của tryptophan operon tạo nên mARN tổng hợp các enzym cho tryptophan

Điều hòa suy giảm - Tryptophan

Mô hình phiên mã suy giảm của operon tryptophan E. coli (a)Thừa tryptophan: ngừng; (b)Thiếu tryptophan: không ngừng

Cảm ứng dƣơng - arabinose

Hệ arabinose: mã hóa các enzym tham gia chuyển hóa đường arabinose

 Gen điều hòa araC: repressor  Operon

 Promoter (araI): có thể được hoạt hóa nhờ cAMP qua trung gian CAP/ CRP, ARN pol gắn vào được

 Operator (araO)  3 gen cấu trúc cần cho sự chuyển hóa (dị hóa) đường arabinose (araB,araA,araD) viết tắt BAD

araC

Promoter

araB

araA

araD

Cảm ứng dƣơng - arabinose

 Điều hòa âm tính và dương tính  Cơ chất: arabinose là chất cảm ứng của Araoperon  Môi trường thiếu arabinose  điều hòa âm tính: repressor bám vào araO làm ADN có dạng loop nên ARN pol không bám vào được

 Môi trường thừa arabinose  điều hòa dương tính: arabinose bám vào repressor thành “phức hợp hoạt hóa” rời araO, bám vào araI khởi động phiên mã

Cảm ứng dƣơng - arabinose

 Không có arabinose: Repressor gắn operator làm ADN ở dạng loop  ARN pol ko gắn vào được để phiên mã  các enzym dị hóa arabinose chỉ có 1 lượng nhỏ

Cảm ứng dƣơng - arabinose

Arabinose + repressor = activator (phức hợp hoạt hóa ) rời khỏi operator  ARN pol gắn promoter phiên mã

 Khi có arabinose, không có glucose:

Cảm ứng dƣơng - arabinose

Promoter: có thể được hoạt hóa nhờ cAMP qua trung gian CAP/ CRP, ARN pol gắn vào được

ARN polymerase

AMP + CAP

ARN polymerase

AMP + CAP

Promoter

Đa kiểm soát

Một locus di truyền có thể được kiểm soát bởi nhiều cơ chế khác nhau: Khi có glucose, không cần phân giải đường khác  gen mã hóa các enzym phân giải đường khác bị đóng lại

 Không glucose, có lactose: lacoperon được cảm ứng  Khi có glucose: lac operon bị đóng Hiệu ứng glucose hay Ức chế dị hóa.

 Phức hệ 2 chất hoạt hóa hệ này là cAMP và CAP. Glucose tăng: cAMP giảm, operon không được hoạt hóa và ngược lại.

 Ví dụ:

Đa kiểm soát

 Với lac operon: có vị trí gắn phức hệ cAMP-CAP. ARN pol chỉ gắn có hiệu quả vào promoter nếu phức hợp cAMP-CAP cũng được gắn vào vị trí này. cAMP không gắn được promoter mà cần liên kết CAP  điều hòa cảm ứng dương tính

 Khi mức glucose tăng lên trong tế bào, thì lượng cAMP giảm xuống và sẽ có ít phức hệ cAMP-CAP hơn có thể dùng để hoạt hóa lacoperon

ARN polymerase

AMP + CAP

Promoter

Kiểm soát hậu dịch mã

 Sự biểu hiện gen được điều hoà sau khi protein hình

thành

 Sản phẩm cuối liên kết với enzym đầu tiên  phong bế vị trí xúc tác của enzym  ngăn sản xuất quá độ sản phẩm cuối

 Sự kìm hãm ngược: sự ức chế bởi sản phẩm cuối

 Sản phẩm cuối liên kết vị trí gần chất kìm hãm (vị trí điều hòa) của enzym làm biến hình dị lập thể enzym

Sơ đồ kìm hãm ngƣợc trong E. coli (e = enzym; g = gen; 1,2,3,4,5 = các chất trung gian) isoleucin có nồng độ cao sẽ ức chế enzym e1 (threonin deaminase) kìm hãm toàn bộ con đường tổng hợp isoleucin

Tóm tắt

Kiểm soát phiên mã  Kiểm soát dương, âm  Cảm ứng, ức chế Ví dụ về kiểm soát phiên mã  Lac operon  Tryptophan operon  Arabinose operon Kiểm soát hậu dịch mã