Sinh học phân tử
155
Chương 8
Điều hòa biểu hiện gen
Như chúng ta đã biết ba quá trình thiết yếu cho sự tồn tại của tế bào,
đó là: tái bản, phiên mã và dịch mã. Tuy nhiên, tế bào không thể tồn tại độc
lập với môi trường chung quanh. Như vậy, sẽ nảy sinh một vấn đề quan
trọng: tế bào sẽ điều chỉnh hoạt động của mình như thế nào cho phù hợp với
các biến đổi của môi trường bên ngoài để có thể tồn tại thích ứng? Chương
này sẽ đề cập đến các phương thức điều chỉnh đó, tức là các cơ chế điều hòa
sự biểu hiện của gen ở các sinh vật prokaryote và eukaryote.
Sự biểu hiện của các gen chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hòa.
Các cơ chế này giữ vai trò rất quan trọng cho các hoạt động sống, đáp lại
những biến đổi của môi trường bên trong và bên ngoài cơ thể. Biểu hiện gen
của các tế bào prokaryote và eukaryote cũng có sự khác nhau đáng kể. Việc
điều hòa được thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau và liên quan đến từng
giai đoạn phát triển. Theo quan niệm về operon, các gen điều hòa
(regulatory gene) giữ vai trò quan trọng trong việc đóng và mở các gen cấu
trúc (structural gene) để có thể biểu hiện tổng hợp protein đúng lúc, đúng
nơi theo nhu cầu cụ thể của tế bào.
Trong mọi tế bào, tất cả các gen đều không hoạt động đồng thời. Ví
dụ: tế bào E. coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3.000 loại khác nhau.
Nhiều loại protein có đến 500.000 phân tử, tuy nhiên một số loại khác chỉ
khoảng 10 phân tử. Như vậy, không phải loại protein nào cũng được tổng
hợp với số lượng lớn như nhau và tế bào phải có những cơ chất để tổng hợp
protein một cách tiết kiệm và hợp lý nhất.
Một số gen hoạt động thường xuyên cung cấp sản phẩm liên tục, một
số khác chỉ biểu hiện ở những giai đoạn nhất định trong chu trình sống và có
thể chỉ hoạt động trong điều kiện môi trường không bình thường. Một số
protein cần được tổng hợp với số lượng lớn, một số khác chỉ cần có một
phân tử. Do vậy, hoạt tính của gen được điều hòa bởi nhiều cơ chế khác
nhau để có hiệu quả tốt nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng của tế
bào.
Sinh học phân tử
156
I. Các hiện tượng điều hòa
Để duy trì nội cân bằng (homeostasis) và sự phát triển của cơ thể, các
sinh vật đã có các cơ chế điều hòa khác nhau. Các kiểu điều hòa đều bắt
nguồn từ sự biểu hiện của các gen.
1. Điều hòa thích nghi
Một số amip (ameba) biểu hiện sự thay đổi hình thái và sinh lý đặc
biệt để đáp lại các điều kiện môi trường khác nhau. Khi các amip được cho
vào nước, chúng chuyển từ dạng amip sang dạng có lông để bơi. Khi môi
trường thiếu dinh dưỡng chúng có thể chuyển thành các dạng tương tự như
biểu bì.
Vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng tối thiểu có khả năng tổng hợp
amino acid. Nhưng khi bổ sung amino acid vào môi trường nuôi, vi khuẩn
sẽ ngừng tổng hợp amino acid. Lúc nguồn amino acid từ ngoài bổ sung vào
đã hết, tế bào vi khuẩn lại tự tổng hợp lại amino acid cho bản thân.
Các biến đổi nêu trên là thuận nghịch, chứng tỏ sự thay đổi chức năng
ở đây không phải do biến dị di truyền. Các hiện tượng trên còn cho thấy
việc xuất hiện hay biến mất các cấu trúc mới không làm ảnh hưởng đến tiềm
năng di truyền sẵn có. Có thể cho rằng, có trường hợp một số gen hoạt động,
nhưng cũng có trường hợp một số gen ngừng biểu hiện. Các hiện tượng
được đề cập trên đều do cơ chế điều hòa thích nghi (adaptive regulation) chi
phối.
2. Hoạt động nối tiếp của các gen
Khi bacteriophage xâm nhiễm vi khuẩn, DNA của nó lúc đầu sẽ tái
bản, sau đó các protein khác nhau mới được tổng hợp nên để tạo thành vỏ.
Như vậy, có các gen “sớm” tạo ra enzyme tái bản DNA và các gen “muộn”
xác định các thành phần vỏ protein. Điều đó chứng tỏ có cơ chế điều hòa
chức năng của gen diễn ra theo một trình tự nghiêm ngặt. Đây là kiểu điều
hòa nối tiếp (sequential regulation). Hoạt động nối tiếp của các gen còn thể
hiện rõ trong quá trình phát triển cá thể của các sinh vật eukaryote đa bào.
3. Biệt hóa tế bào
Nhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiều tỷ tế bào bắt nguồn
từ một hợp tử do phân chia nguyên nhiễm. Từ một hợp tử ban đầu đến khi
Sinh học phân tử
157
trưởng thành, cơ thể người có khoảng 200 loại tế bào khác nhau. Mỗi loại tế
bào chỉ biểu hiện một phần thông tin của mình. Quá trình chuyên môn hóa
chức năng của tế bào được gọi là sự biệt hóa hay phân hóa (differentiation).
Tuy có sự biệt hóa, nhưng tế bào vẫn giữ nguyên vẹn khả năng di
truyền của mình. Một ví dụ rất rõ là nuôi cấy mô tế bào thực vật (plant tisue
and cell culture): người ta có thể nuôi cấy một phần mô phân sinh trong môi
trường dinh dưỡng tổng hợp cho đến khi chúng phát triển thành cây in vitro
hoàn chỉnh (plantlet), các cây này sau đó được đưa ra trồng trong điều kiện
tự nhiên và đã ra hoa kết quả.
4. Khái quát về điều hòa ở prokaryote và eukaryote
Có sự khác nhau đáng kể giữa prokaryote và eukaryote trong điều hòa
biểu hiện của gen. Các tế bào eukaryote có cấu tạo phức tạp hơn nhiều nên
cơ chế điều hòa cũng phức tạp hơn prokaryote.
Ở prokaryote, mục đích của sự điều hòa biểu hiện gen là nhằm điều
chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các tác nhân dinh dưỡng và lý hóa của
môi trường, đảm bảo được hai yêu cầu chính của tế bào là sinh trưởng và
sinh sản. Sự điều hòa ở đây rất linh động và có tính thuận nghịch. Ở
eukaryote, do tế bào không tiếp xúc trực tiếp với môi trường, nên sự điều
hòa ở đây không còn nhằm mục đích đối phó với các biến động ở ngoại bào.
Sự điều hòa ở eukaryote hướng đến việc chuyên biệt hóa từng loại tế bào
vào từng cấu trúc và chức năng riêng và vì thế không mang tính thuận
nghịch.
Ba thành phần chính của sự điều hòa biểu hiện gen là: 1) Tín hiệu gây
ra đáp ứng làm thay đổi biểu hiện gen; 2) Giai đoạn được thực hiện sự điều
hòa trong quá trình từ tái bản đến dịch mã; và 3) Cơ chế phân tử của sự điều
hòa biểu hiện gen.
4.1. Sự biểu hiện của gen ở prokaryote
Bộ máy di truyền của sinh vật prokaryote là một DNA mạch vòng
chứa một số lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực
tiếp với tế bào chất (Hình 8.1).
Chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào. Vì thế, hoạt
động của các gen được điều hòa do các nhu cầu của tế bào khi cần thiết. Tác
Sinh học phân tử
158
động của các nhân tố môi trường làm những gen tương ứng được mở để
phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu quả ngược làm dừng lại.
Hình 8.1. Sự biểu hiện gen ở prokaryote
4.2. Sự biểu hiện của gen ở eukaryote
Khác với prokaryote, nhiễm sắc thể của eukaryote có cấu trúc phức
tạp. Ngay trên cấu trúc nhiễm sắc thể có sự tham gia của các protein histone
có vai trò điều hòa biểu hiện của gen. Sự điều hòa biểu hiện gen ở
eukaryote phải qua nhiều mức điều hòa phức tạp hơn so với prokaryote và
qua nhiều giai đoạn như: nhiễm sắc thể tháo xoắn, phiên mã, biến đổi hậu
phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến đổi hậu dịch mã
(Hình 8.2).
Ngoài ra, đa số eukaryote có cơ thể đa bào và mỗi tế bào có biểu hiện
sống không phải tự do, mà chịu sự biệt hóa theo các chức năng chuyên biệt
trong mối quan hệ hài hòa với cơ thể.
Các vi khuẩn thường phản ứng trực tiếp với môi trường và biểu hiện
gen thuận nghịch, như có đường lactose thì mở operon để phân hủy, khi hết
đường thì operon đóng lại. Trong khi đó, các tế bào eukaryote có những con
đường biệt hóa khác nhau và sự chuyên hóa là ổn định thường xuyên trong
RNA
polymerase
mRNA
DNA
Polyribosome
0,25 µm
Chiều dịch mã
RNA
polymerase
Polyribosome
DNA
mRNA
Ribosome
Sinh học phân tử
159
đời sống cá thể. Ngoài sự biệt hóa tế bào, các cơ thể eukaryote đa bào còn
trải qua quá trình phát triển cá thể với nhiều giai đoạn phức tạp nối tiếp
nhau, trong đó có những gen chỉ biểu hiện ở phôi và sau đó thì dừng hẳn.
Tất cả những điểm nêu trên cho thấy sự điều hòa biểu hiện của gen
eukaryote phức tạp hơn nhiều, mà hiện nay lại được biết ít hơn prokaryote.
Hình 8.2. Sự biểu hiện gen ở eukaryote
Tín hiệu
NHÂN
Chất nhiễm sắc
DNA không đóng gói bao
gồm khử methyl hóa DNA và
acetyl hóa histone
DNA
Gen
Gen sẵn sàng
để phiên mã
PHIÊN MÃ
Exon
Intron
RNA
Thể phiên mã sơ cấp
Hoàn chỉnh RNA
Đuôi
Mũ
mRNA trong nhân
Chuyển vào tế bào chất
TẾ BÀO CHẤT
mRNA trong tế bào chất
Sự đứt gãy
của mRNA
Dịch mã
Polypeptide
Những biến đổi hóa học hậu
dịch mã và vận chuyển tới
tế bào
Protein hoạt tính
Sự đứt gãy của protein
Protein bị đứt gãy