ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở EUKARYOTE

Chia sẻ: Phạm Xuân Bằng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

657
lượt xem 82
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một bước tiếp theo trong cơ chế điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote là điều hòa ở cấp độ dịch mã. Tại sao tế bào điều khiển dịch mã và chúng được hưởng lợi từ điều đó như thế nào? Đã có rất nhiều câu trả lời cho câu hỏi này. Điều hòa ỏ cấp độ dịch mã có thề xảy ra nhanh chóng mà không cần phải đi qua tất cả các quy trình ngược dòng của biểu hiện gen, chẳng hạn như phiên mã, chế biến mRNA và giải phóng mRNA....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở EUKARYOTE

Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở EUKARYOTE Phạm Xuân Bằng Lớp Sinh Thái Học K22 xuanbangorg@gmail.com 1. Giới thiệu Một bước tiếp theo trong cơ chế điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote là điều hòa ở cấp độ dịch mã. Tại sao tế bào điều khiển dịch mã và chúng được hưởng lợi từ điều đó như thế nào? Đã có rất nhiều câu trả lời cho câu hỏi này. Điều hòa ỏ cấp độ dịch mã có thề xảy ra nhanh chóng mà không cần phải đi qua tất cả các quy trình ngược dòng của biểu hiện gen, chẳng hạn như phiên mã, chế biến mRNA và giải phóng mRNA. Hơn nữa, điều hòa dịch mã thường là thuận nghịch, vì nó thường xuyên được điều chỉnh thông qua những sự sửa đổi protein một cách thuận nghịch chẳng hạn như sự phosphoryl hóa các yếu tố khởi đầu dịch mã. Rõ ràng là cần phải có sự kiểm soát dịch mã ở các hệ thống mà việc kiểm soát phiên mã (hoặc trước phiên mã) không thể thực hiện được chẳng hạn như ở các tế bào hồng cầu lưới thiếu nhân, tế bào trứng, hoặc các virus RNA. Điều hòa dịch mã được thực hiện chủ yếu ở giai đoạn khởi đầu dịch mã. Nhiều loại mRNA được tổng hợp ra nhưng chưa được dịch mã vì vùng không được dịch mã ở đầu 5‟ của nó bị một số protein liên kết vào khiến cho ribosome không thể tiến hành dịch mã. Ngoài ra, mRNA cũng có thể không được dịch mã nếu đuôi poly A gắn vào ở đầu 3‟ không có độ dài thích hợp. Người ta cũng nhận thấy nhiều loại mRNA của thực vật và tảo bị bất hoạt trong tối nhưng khi ra ánh sáng thì bộ máy dịch mã được tái kích hoạt và nhiều loại mRNA được dịch mã. Nhìn chung sự điều hòa ở giai đoạn dịch mã vô cùng phức tạp. Trong phần trình bày dưới đây nhóm chỉ xin trình bày một cái nhìn tổng quan về các cơ chế phân tử ở Ym: michaeljacson_1989 Page 1
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression bước khởi đầu dịch mã có liên quan trực tiếp đến sự điều hòa dịch mã. Kết quả nghiên cứu sự điều hòa dịch mã được thực hiện trên đối tượng là tế bào động vật có vú và nấm men (Hinnebusch và cộng sự, 2007; Pestova và cộng sự, 2007). 2. Điều hòa dịch mã (regulation of translation) 2.1. Vài nét về phân tử mRNA ở eukaryote có liên quan đến sự điều hòa dịch mã Phân tử mRNA ở eukaryote nhìn chung được chia thành 3 vùng chính: Vùng không mã hóa đầu 5‟ (5‟UTR), vùng mã hóa (coding region), vùng không mã hóa đầu 3‟ (3‟UTR). Protein bám Protein bám 3’UTR 5’UTR ORF Hình 5.1. Cấu trúc tổng quan của mRNA ở eukaryote Ngoài cùng đầu 5‟ là cấu trúc mũ m7Gppp, cuối đầu 3‟ là đuôi poly A đều có liên quan đến sự điều hòa dịch mã. Cả 2 cấu trúc này đều có vai trò quan trọng trong sự bám vào mRNA của ribosome. Ở phần lớn các mRNA thì sự khởi đầu dịch mã cần có sự tham gia mũ m7Gppp và người ta gọi đó là sự khởi đầu dịch mã phụ thuộc vào mũ (cap- dependent initiation) hoặc khởi đầu từ bên ngoài (external initiation) Hairpin: Cấu trúc kẹp tóc, có khả năng kiểm soát khởi đầu dịch mã ở mRNA của ferritin và thụ thể transferrin IRES (internal ribosomal entry site - tạm dịch là vị trí tiếp nhận ribosome nội bộ): nằm trong vùng 5‟UTR của một số mRNA, nó là nơi để phức hợp tiền khởi đầu gắn vào Ym: michaeljacson_1989 Page 2
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression để thực hiện quá trình khởi đầu dịch mã và người ta gọi đó là sự khởi đầu dịch mã không phụ thuộc mũ (cap-independent initiation) hoặc khởi đầu từ bên trong (internal initiation). uORF (upstream open reading frame): Khung đọc mở thượng nguồn, có vai trò ức chế khởi đầu dịch mã. Protein bám (binding protein-BP): Những protein bám vào một số vị trí tại vùng 5‟UTR và vùng 3‟UTR thường có vai trò ức chế nhưng đôi khi cũng thúc đẩy sự dịch mã (Gebauer, Nature - 2004). PABP (Poly A binding protein): Protein bám đuôi poly A cũng có vai trò quan trọng trong sự khởi đầu dịch mã (đã nghiên cứu trên đối tượng chồi nấm men – (Sachs, 2000)). CPE (cytoplasmic polyadenylation element): Nằm ở 3‟UTR - vùng giàu U trước đuôi polyA, có khả năng điều hòa khởi đầu dịch mã thông qua protein bám vào nó gọi là CPEB sẽ được trình bày ở dưới. 2.2. Điều hòa dịch mã được thực hiện ở bước khởi đầu Dịch mã có thể được chia thành ba bước chính sau: Khởi đầu, kéo dài và kết thúc. Một số bằng chứng cho thấy rằng giai đoạn khởi đầu là bước hạn chế tốc độ của quá trình dịch mã. Khi các tế bào được xử lý với liều lượng thấp bằng các chất ức chế giai đoạn kéo dài dịch mã (ví dụ, cycloheximide) thì sự tổng hợp protein chỉ bị ảnh hưởng rất ít (Lodish và Jacobsen, 1972; Mathews và cộng sự, 2007; Walden và cộng sự, 1981). Sự phức tạp và tầm quan trọng của việc khởi đầu dịch mã so với bước kéo dài và kết thúc được nhấn mạnh bởi thực tế rằng chỉ có một vài yếu tố chuyên dụng cần thiết cho hai quá trình kéo dài và kết thúc, trong khi cần có hơn loại 25 protein để đảm bảo cho sự khởi đầu dịch mã thật chính xác (Pestova và cộng sự, 2007 Preiss và Hentze, 2003). Vì vậy, không phải đáng ngạc nhiên là hầu hết sự điều hòa dịch mã được thực hiện ở bước khởi đầu (Gebauer và Hentze năm 2004; Holcik và Sonenberg năm 2005; Mathews và cộng sự, 2007; Preiss và Hentze, 2003). Chúng tôi chỉ đề cập đến sự điều hòa dịch mã ở giai đoạn khởi đầu, đối với giai đoạn kéo dài và kết thúc dịch mã , hãy tham khảo các nghiên cứu gần đây (Ehrenberg và cộng sự, 2007;. Spriggs và cộng sự, 2005). Ym: michaeljacson_1989 Page 3
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression a) Điều hòa sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu dịch mã Khi điều kiện sinh lý có lợi thì các tiểu đơn vị nhỏ (40S) và lớn (60S) của ribosome có thể liên kết để hình thành ribosome 80S hoàn chỉnh, nhưng chỉ những tiểu đơn vị ribosome tự do mới có thể khởi đầu dịch mã, điều quan trọng là sau bước kết thúc ribosome phân tách (Pestova và cộng sự, 2001; Preiss và Hentze, 2003). Ở prokaryote, sự phân tách này được thực hiện thông qua một nhân tố tái chế ribosome (ribosome- recycling factor), còn ở eukaryote thì chưa không thấy có sự hiện diện của nhân tố này (Kisselev và Buckingham, 2000). Các yếu tố khởi đầu ở eukaryote: (eIFS) eIF3, eIF1, eIF1A, và eIF6 được cho là để thúc đẩy sự phân tách này ở eukaryote, nhưng cơ chế của nó thì đến nay vẫn chưa rõ. Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng hoạt động của các nhân tố này là không đủ để ngăn chặn sự hình thành của ribosome 80S (Pestova và cộng sự, 2007; Preiss, Hentze 2003), và một kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sự phân ly của ribosome 80S có liên quan trực tiếp đến sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43s (pre- initiation complex) (Pestova và cộng sự, 2007). Sự khởi đầu dịch mã bắt đầu với sự hình thành của phức hợp tiền khởi đầu 43s: (Hình 5.2) Hình 5.2. Sự hình thành của phức hợp tiền khởi đầu 43s Bước đầu tiên trong sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43s là lắp ráp phức hợp cấu trúc bậc 3 (ternary complex) (Hình 5.2 và 2.3). Phức hợp cấu trúc bậc 3 bao gồm nhân tố eIF2, một dị chất tam phân có 3 tiểu phần α, β, và γ, phức hợp methionyl-tRNA mở đầu (Met-tRNAimet) và GTP, và sự lắp ráp của nó được quy định bởi yếu tố trao đổi guanine (GEF- guanine nucleotide exchange factor) eIF2B (Hình 5.3). Ym: michaeljacson_1989 Page 4
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression Hình 5.3. Sự hình thành phức hợp cấu trúc bậc 3 GTP bị thủy phân sau khi có sự nhận ra bộ ba AUG mở đầu (Hình 5.4) lúc này giải phóng ra phức hợp eIF2 gắn GDP, làm giảm ái lực của phức hợp này với Met-tRNAi Met đi mười lần (Hinnebusch và cộng sự, 2007). eIF2B thúc đẩy việc chuyển đổi GDP-GTP (cắt GDP và gắn GTP vào) để chuyển eIF2 trở lại dạng hoạt động (Hình 5.3) (Hinnebusch và cộng sự, 2007;. Pestova và cộng sự, 2007;. Preiss, Hentze, 2003). Sự bám vào của phức hợp cấu trúc bậc 3 hoạt động vào tiểu đơn vị ribosome 40S được hỗ trợ một cách độc lập từ các nhân tố eIF1, eIF1A, và eIF3 trong các tế bào động vật có vú (Pestova và cộng sự, 2007 Preiss Hentze, 2003). Trong chồi nấm men , eIF1, eIF1A, eIF3, eIF5, và phức hợp bậc ba có thể được cô lập lại thành một phức hợp đa nhân tố (MFC), điều này làm tăng khả năng MFC được gắn vào tiểu đơn vị 40S (Hinnebusch và cộng sự, 2007). Phức hợp tiền khởi đầu 43s sau đó đã sẵn sàng để liên kết với đầu mút vùng 5' của mRNA. Trong một số trường hợp sự ức chế dịch mã có thể được thực hiện ngay ở bước này thông qua sự ức chế hoạt động chuyển đổi GDP-GTP của eIF2B. Trong trường hợp tế bào bị stress - căng thẳng (căng thẳng bị oxy hoá, chất dinh dưỡng hạn chế, tình trạng thiếu oxy, căng thẳng nhiệt độ), quá trình dịch mã có thể bị điều hòa giảm (downregulation) bằng cách điều khiển hoạt động của những phức hợp cấu trúc bậc 3 sẵn có (Hình 5.4) Ym: michaeljacson_1989 Page 5
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression Hình 5.4. Sự ức chế sự hình thành của phức hợp cấu trúc bậc 3 hoạt động Sau khi tế bào bị phơi nhiễm với sự căng thẳng, tiểu đơn vị α của eIF2 (eIF2α) được phosphoryl hóa (tại Ser 51) và do đó ức chế sự chuyển đổi của GDP thành GTP bởi eIF2B và kết quả là sự hình thành các phức hợp cấu trúc bậc ba hoạt động bị giảm mạnh, và dịch mã được điều hòa giảm (Dever và cộng sự, 1992; Gebauer và Hentze, 2004; Holcik và Sonenberg, năm 2005, Ron và Harding, 2007). Cơ ch ế phân tử của sự ức chế này được dựa trên một thực tế là do bị phosphoryl hóa nên eIF2α-GDP biến thành một chất ức chế cạnh tranh của eIF2B, vì eIF2B có ái lực đối với eIF2α-GDP đã phosphoryl hóa cao hơn đối với eIF2α GDP chưa được phosphoryl hóa (Rowlands và cộng sự., 1988). Ym: michaeljacson_1989 Page 6
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression b) Điều hòa sự gắn vào mRNA của phức hợp tiền khởi đầu 43S Sự gắn của phức hợp tiền khởi đầu vào mRNA phụ thuộc vào mũ Sự nhận diện của mũ m7G tại đầu mút vùng 5' của mRNA được thông qua bởi eIF4F, trong đó có ba tiểu đơn vị eIF4E eIF4G, và eIF4A (Hình 5.6): eIF4E liên kết trực tiếp với mũ m7G, eIF4A có hoạt tính helicase (ATPase/RNA helicase) được cho là để giãn thẳng trúc bậc 2 trong 5'UTR để phức hợp tiền khởi đầu 43s có thể quét dọc theo mRNA, và eIF4G được cho là có chức năng như protein giá đỡ (Hinnebusch và cộng sự, 2007; Pestova và cộng sự, 2007; Preiss, Hentze, 2003). Khi eIF4G và eIF4A gắn được vào eIF4E thì phức hợp tiền khởi đầu có thể tiến đến và gắn được vào mRNA. Ở đây có sự điều khiển sự kết hợp của eIF4G và eIF4A vào eIF4E và do đó có thể ngăn chặn hoặc cho phép phức hợp tiền khởi đầu gắn vào mRNA (Hình 5.6) Hình 5.5. Ức chế khởi đầu dịch mã thông qua 4E-BP Sự điều khiển trên thông qua 1 loại protein ức chế bám vào eIF4E gọi là 4E-BP. Những protein ức chế này đã được trình diện để kiểm soát một loạt các quá trình sinh học như sự tăng trưởng hoặc phát triển của tế bào, và cũng có thể ngăn chặn sự hình thành khối u (Richter và Sonenberg, 2005). Bình thường thì các 4E-BP bám vào eIF4E và do đó eIF4G không thể gắn được vào eIF4E nên sự khởi đầu dịch mã bị ức chế. Tuy nhiên ái lực liên kết của những 4E-BP này được kiểm soát thông qua sự phosphoryl hóa. Khi các Ym: michaeljacson_1989 Page 7
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression 4E-BP này bị siêu phosphoryl hóa thì chúng không còn khả năng bám vào eIF4E được nữa mà do vậy eIF4E được tự do để eIF4G gắn vào và quá trình khởi đầu dịch mã được thực hiện. Ngoài ra thì ở một số mRNA (trong sự phát triển sớm của phôi), sự gắn của eIF4G vào eIF4E còn được điều khiển thông qua một loại protein bám vào CPE (CPEB – cytoplasmic polyadenylation-element binding protein) (Hình 5.6) Translation is blocked Hình 5.6. Sự điều hòa khởi đầu dịch mã thông qua CPEB Theo Gebauer và Hentze (2004) CPEB gắn với một loại protein được gọi là mặt nạ (Maskin), nó có chứa một vùng gắn được vào eIF4E và do đó cạnh tranh với eIF4G tương tự như 4E-BP. Khi phôi trưởng Ym: michaeljacson_1989 Page 8
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression thành, một loại enzym kinase sẽ phosphoryl hóa CEBP – Maskin làm cho phức hợp này không thể báo vào eIF4E, kết quả là sự dịch mã được kích hoạt. Cơ chế gắn phức hợp tiền khởi đầu vào phức hợp bám mũ dần được làm sáng tỏ. Trong các tế bào động vật có vú, người ta xác định được eIF3 từ phức hợp tiền khởi đầu tương tác với vùng trung tâm của eIF4G (Lamphear và cộng sự, 1995). Sự tương tác này vẫn chưa được tìm thấy trong chồi nấm men, trong đó eIF4A được cũng liên kết không ổn định với eIF4E và eIF4G (Goyer và cộng sự, 1989;. Hinnebusch và cộng sự, 2007). Tóm lại, sự gắn kết của phức hợp tiền khởi đầu vào mRNA liên quan đến các hoạt động giúp đỡ của eIF4F, eIF3, eIF4B, và có thể có PABP (ploly A binding protein). PABP bước đầu đã được xác định là một loại protein gắn vào đuôi poly A tại 3'UTR của mRNA. Sự phối hợp liên kết của PABP và eIF4E eIF4G được cho là gởi thông tin giả (pseudo-circularize) mRNA (Hình 5.5 và 5.7) (Wells và cộng sự, 1998). Hơn nữa, PABP Pab1p rất cần thiết để khởi đầu dịch mã trong chồi nấm men (Sachs, 2000). Việc gửi thông tin này cung cấp một khung sườn thích hợp bởi thế 3' UTR-binding protein có thể điều khiển sự khởi đầu dịch mã, đây là trình tự điều hòa được biết rõ nhất trong 3'UTR, mặc dù thực tế là dịch mã khởi đầu tại đầu mút 5' của mRNA (Gebauer và Hentze, 2004). Ym: michaeljacson_1989 Page 9
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression Hình 5.7. Quá trình khởi đầu dịch mã phụ thuộc mũ ở eukaryote Theo Gebauer và Hentze (2004) Ym: michaeljacson_1989 Page 10
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression Sự gắn của phức hợp tiền khởi đầu vào mRNA không phụ thuộc vào mũ Sự khởi đầu dịch mã phụ thuộc mũ (cap – dependent initiation) đã mô tả ở trên là phổ biến nhất cho các mRNA trong tế bào. Tuy nhiên, một cách khởi đầu dịch mã không phụ thuộc mũ có thể xảy ra thông qua các vị trí tiếp nhận ribosome nội bộ (IRESs- internal ribosome entry sites). IRESs là những trình tự cấu trúc đặc biệt trong 5'UTRs của một số mRNA (Baird và cộng sự, 2006). IRES có cấu trúc phân đoạn trong 5'UTR có một vai trò tích cực trong việc tiếp nhận tiểu đơn vị 40S. Các yếu tố IRES được tìm thấy trong mRNA virus (tế bào bị virus xâm nhiễm) và cả trong một số mRNA nhất định của tế bào có liên quan đến kiểm soát tăng trưởng, sự biệt hóa, chương trình chết của tế bào, hoặc sự phát sinh ung thư (Doudna và Sarnow, 2007; andMerrick Elroy-Stein, 2007). Trong những trường hợp này sự khởi đầu dịch mã có thể không còn bị kiểm soát bởi những cơ chế thông qua 4E-BP, CPEB-Maskin, như đã trình bày ở trên do phức hợp tiền khởi đầu có thể gắn vào mRNA thông qua IRES. Hình 5.8. Sự gắn của phức hợp tiền khởi đầu thông qua mũ (a) hoặc qua IRES (b) theo Gebauer và Hentze (2004) Cơ chế liên quan đến IRES khá phức tạp và để hiểu rõ hơn xin tham khảo những nghiên cứu chuyên sâu về chủ đề IRES hiện có (Fraser và Doudna, 2007; Hellen và Sarnow, năm 2001; Jackson, năm 2005; Spriggs và cộng sự, 2005; Stoneley và Willis, 2004). Ym: michaeljacson_1989 Page 11
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression c) Điều hòa sự quét và nhận diện bộ ba mở đầu của phức hợp tiền khởi đầu Sau khi lắp ráp đúng vào đầu 5' của mRNA, phức hợp tiền khởi đầu cần phải quét dọc mRNA để tìm bộ ba AUG mở đầu (Kozak, 1989, 2002). Mô hình của quá trình quét đã được đề xuất bởi Kozak (1999). eIF4A helicase và eIF4F được cho là để thúc đẩy sự tháo xoắn của cấu trúc bậc 2 của mRNA, trong khi eIF1 và eIF1A được cho là để thúc đẩy một cấu cấu trúc phù hợp của phức hệ tiền khởi đầu 43s, để cho phép nó quét theo chiều 5' -3'. Phức hợp tiền khởi đầu 43s nhận biết codon khởi đầu thông qua sự hình thành liên kết của các cặp baz giữa bộ ba đối mã của tRNA khởi đầu và bộ ba AUG khởi đầu (Hình 5.7). Phức hợp ổn định này được biết đến như là phức hợp khởi đầu 48S. Sự lựa chọn chính xác codon khởi đầu phụ thuộc vào eIF1 (Pestova và Kolupaeva năm 2002; Pestova và cộng sự, 1998). Sự hình thành ribosome 80S để đi vào giai đoạn kéo dài được thông qua 2 bước thủy phân GTP (Hình 5.9). Ở bước đầu tiên, eIF5 thúc đẩy sự thủy phân của eIF2-GTP, và như một hệ quả là, hầu hết những yếu tố khởi đầu bao gồm cả eIF2 - GDP phân tách từ các tiểu đơn vị nhỏ của ribosome, cho phép tRNA mở đầu kết hợp được với codon mở đầu khi đó tiểu đơn vị 60S đã sẵn sàng để gắn vào tiểu đơn vị nhỏ (Hinnebusch và cộng sự, 2007). Ở bước 2 vùng hoạt động GTPase của eIF5B được kích thích bởi các tiểu đơn vị 60S và thậm chí mạnh mẽ hơn bởi ribosome 80S. Phức hợp GTP- eIF5B kích thích tiểu đơn vị 60S tham gia, và sự thủy phân GTP xảy ra sau khi hình thành tiểu đơn vị 80S là cần thiết cho sự giải phóng eIF5B (Lee và cộng sự, 2002; Pestova và cộng sự, 2000;. Shin và cộng sự, 2002). Nhìn chung, để hình thành ribosome 80S thì yêu cầu phải có hai bước thủy phân GTP, điều này cũng cung cấp một trạm kiểm soát cho sự nhận diện codon khởi đầu phù hợp. Ym: michaeljacson_1989 Page 12
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression Hình 5.9. Sự hình thành ribosome 80S để dịch mã http://ars.sciencedirect.com/content/image/1-s2.0-S0092867409000907-gr1.jpg Sự điều hòa thông qua uORFs Chúng tôi đưa ra 1 ví dụ về sự điều hòa tăng sự tổng hợp acid amin trong trường hợp tế bào bị “đói” acid amin. Trong khi sự dịch mã của hầu hết các mRNA được điều hòa giảm bởi sự phosphoryl hóa eIF2α được thực hiện nhờ kinase của gen GCN2 sẽ làm giảm sự hình thành của phức hợp cấu trúc bậc 3, thì sự dịch mã của một số mRNA riêng biệt cụ thể là GCN4 (nấm men) lại có thể được điều hòa tăng bằng cách phản ứng lại sự giảm sự có mặt của phức hợp cấu trúc bậc 3 (khi sự có ít phức hợp cấu trúc bậc 3 thì nó lại có khả năng dịch mã còn khi có nhiều phức hợp cấu trúc bậc 3 thì nó lại bị ức chế dịch mã). Sự điều hòa biểu hiện của GCN4 (mã hóa cho một nhân tố kiểm soát phiên mã chính mà có thể kích hoạt gen phiên mã tổng hợp acid amin) là sự điều hòa tăng dưới Ym: michaeljacson_1989 Page 13
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression những điều kiện thiếu acid amin. Sự điều hòa tăng này được kiểm soát bởi khung đọc mở thượng nguồn (uORFs - upstream open reading frames). Bốn trong số những uORFs có thể được tìm thấy trong 5 ' UTR của mRNA GCN4 (Hinnebusch, năm 2005; Hinnebusch và Natarajan, 2002): Trong điều kiện phát triển tối ưu và sự sẵn có của các phức hợp bậc ba, ribosome bắt đầu quét tại uORF1 sau đó tiếp tục quét để dịch mã uORF2, uORF3, và uORF4 (Hình 5.10). Tuy nhiên, các ribosome không thể tái khởi đầu dịch mã sau khi kết thúc trượt tại những uORFs sau đó và 2 tiểu phần của ribosome bị tách ra trước khi tới bộ ba mở đầu AUG thực sự, hệ quả là vùng mã hóa chính của GCN4 mRNA không được dịch mã. Nếu eIF2a được phosphoryl hóa thì phức bậc ba trở nên hạn chế, các ribosome có nhiều khả năng để tiếp tục quét qua các uORF mà không tái khởi đầu dịch mã tại những uORFs sau đó cho tới khi gặp bộ 3 AUG mở đầu thực sự của GCN4 và dịch mã được thực hiện (Hình 5.10). Hình 5.10. Sự điều hòa dịch mã của GCN4 bởi uORFs theo Holcik và Sonenberg (2005) Ym: michaeljacson_1989 Page 14
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression 2.3. Một số ví dụ khác về điều hòa dịch mã a) Điều hòa protein dự trữ và thu hút sắt Ferritin và thụ thể của transferrin là các protein chịu trách nhiệm dự trữ và thu hút sắt của tế bào. Ferritin nằm bên trong tế bào có vai trò dự trữ sắt khi nồng độ sắt cao trong khi thụ thể transferrin nằm trên màng tế bào có vai trò tiếp nhận sắt từ bên ngoài vào. Khi các tế bào gan được ủ với sắt, sự dịch mã mRNA của ferritin tăng cao trong khi mRNA thụ thể của transferrin không được dịch mã hay nói đúng hơn là nó bị phân hủy. Phân tích cấu trúc của hai loại mRNA này cho thấy chúng có mang một trình tự gọi là IRE (Iron Responsive Element – nhân tố đáp ứng với sắt) nằm ở đầu 5‟ đối với ferritin và ở đầu 3‟ đối với thụ thể transferrin. IRE có khả năng tiếp nhận protein điều hòa tùy theo sự có mặt của sắt nhiều hay ít. Khi không có mặt của sắt hay nồng độ sắt thấp, protein điều hòa gắn vào các IRE ngăn cản sự dịch mã của mRNA ferritin nhưng đồng thời lại giúp ổn định mRNA transferrin (protein điều hòa có chức năng bảo vệ mRNA thụ thể transferrin khỏi sự thoái hóa bởi nuclease). Ngược lại khi có mặt nhiều sắt thì protein điều hòa không bám vào được IRE của 2 loại mRNA trên và hệ quả là mRNA ferritin được dịch mã còn mRNA của thụ thể transferrin thì bị phân hủy (Hình 5.10). Hình 5.10. Điều hòa ferritin và thụ thể của transferrin theo Frank M. Torti and Suzy V. Torti Ym: michaeljacson_1989 Page 15
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression b) Điều hòa dịch mã thông qua độ dài của đuôi polyA Một cơ chế khác ngăn cản sự dịch mã được tìm thấy trong tế bào trứng của nhiều mRNA khác nhau trong tế bào trứng của nhiều loài: Đầu tiên các phân tử mRNA được tích lũy sẵn thiếu đuôi poli A có chiều dài đủ để có thể khởi đầu phiên mã. Tuy vậy vào một thời điểm phù hợp trong qua 1trình phát triển phôi, một enzym ở tế bào chất bổ sung thêm đuôi poili A vào đầu 3‟ của những phân tử mRNA và thúc đẩy sự khởi đầu dịch mã. Đặc biệt trong quá trình phát triển mô phôi, rất nhiều loại ARNm được phiên mã từ các gen của mẹ và được dự trữ trong tế bào trứng. Chúng thường có đuôi polyA rất ngắn (10-30 A) nên không được dịch mã. Chỉ sau khi trứng thụ tinh, các ARNm này được thêm đuôi polyA và trở thành khuôn để tổng hợp protein. c) Điều hòa dịch mã bởi hormone Rất nhiều gen được phiên mã nhưng không bao giờ được dịch mã. Khi có một tín hiệu xuất hiện (hormone) thì bộ máy dịch mã lập tức hoạt động tổng hợp các protein từ các mRNA đã trữ sẵn. Ví dụ: một loại phân tử mRNA có thời gian sống được kéo dài là mRNA mã hóa cho casein, một loại protein chính của sữa có ở các tuyến vú. Bình thường thì mRNA sau khi được phiên mã ra một thời gian sẽ bị phân hủy bởi các ribonuclease. Khi tuyến vú tiếp nhận hoocmon tín hiệu prolactin thì thời gian sống của mRNA casein tăng lên đồng thời sự dịch mã của mRNA mã hóa cho casein được diễn ra. Sự tổng hợp mRNA cũng được tiếp tục, nên tốc độ sản xuất casein cũng được tăng lên rõ rệt nhờ hoocmon prolactin. Khi cơ thể không còn cung cấp prolactin nữa thì nồng độ mRNA casein giảm xuống bởi vì RNA bị thoái biến nhanh hơn và sự tiết sữa kết thúc (Hình 5.11). Ym: michaeljacson_1989 Page 16
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression Hình 5.11. Điều hòa dịch mã của mRNA casein bởi prolactin hormone Trong một số trường hợp sự điều hòa dịch mã có thể được thực hiện bởi các miRNA hoặc siRNA nhờ khả năng bắt cặp bổ sung được với mRNA gây ức chế dịch mã hoặc phân hủy mRNA. Ym: michaeljacson_1989 Page 17
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression VI. ĐIỀU HÒA SAU DỊCH MÃ Cơ hội cuối cùng của điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote là ở cấp độ sau dịch mã và sự điều hòa biểu hiện của gen có thể xuất hiện trong mỗi bước liên quan đến quá trình hoàn thiện và vận chuyển protein. Thông thường, các chuỗi polypeptide ở eukaryote phảỉ trải qua giai đoạn hoàn thiện để thu được dạng phân tử protein biểu hiện chức năng. Khi mới được tổng hợp ra thì chuỗi polypeptide (được gọi là proprotein) còn gắn đoạn peptide tín hiệu ở đầu N để có thể đi đến được các cơ quan đích và sau đó đoạn peptide tín hiệu này được cắt đi. Tuy nhiên protein vẫn chưa thể hoạt động cho đến khi bị cắt ra thêm 1 lần nữa bởi các protease khác. Protein kích hoạt cơ chế này bao gồm một số protein như trypsin, albumin huyết thanh, insulin, vasopressin, và oxytocin. Chẳng hạn như, việc cắt bỏ một phần chuỗi polypeptide của tiền insulin (pro-insulin) để hình thành nên dạng insulin hormone hoạt động. Pro-insulin Hình 6.1. Sự biến đổi của insulin sau dịch mã http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lecturesf04am/insulin.gif Ngoài ra nhiều protein phải trải qua các biến đổi hóa học mới chuyển được sang dạng biểu hiện chức năng. Những biến đổi hóa học trên phân tử protein rất đa dạng, 3 ví dụ phổ biến nhất về điều này là sự phosphoryl hóa, glycosyl, và sự đánh dấu bởi ubiquitin. Phosphoryl hóa: Các protein điều hòa thường được hoạt hóa hoặc bất hoạt bằng việc được gắn thêm nhóm phosphate hoặc loại bớt đi nhóm phosphate (thường ở các Ym: michaeljacson_1989 Page 18
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression chuỗi acid amin bên ngoài). Nhóm phosphate thường được gắn vào nhóm OH của serine, threonine hay tyrosine. Nhóm phosphate có thể được gắn vào nhờ enzym kinase và ATP, đồng thời cũng có thể được gỡ bỏ bở một enzym khác là phosphatase. Sự phosphoryl hóa sai lầm có thể dẫn đến sự gián đoạn của chu kỳ tế bào và có khả năng gây ung thư. Glycosyl hóa: là sự gắn thêm một hay nhiều đơn phân của đường vào chuỗi amio acid bên diễn ra cả ở trong và sau khi dịch mã để tạo thành một glycoprotein. Thường diễn ra ở các protein được chuyển đến bề mặt tế bào động vật. Đường có thể được gắn vào đầu nitơ phụ của asparagine hoặc gắn vào nhóm –OH của serine hay threonine (Hình 5.2). Cấu trúc của gốc đường có thể đơn giản hay phức tạp nhưng thường không ảnh hưởng đến chức năng của protein. Tuy nhiên sự glycosyl cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của protein, khả năng đi tới các khu vực đặc biệt của tế bào, sự gấp cuộn thành cấu trúc bậc ba và thời gian tồn tại của nó trước khi nó tương tác với các protein khác hoặc bị suy thoái. A B Hình 6.2. Sự gắn nhóm đường vào asparagine (A) và serine (B) Các protein bề mặt tế bào và nhiều protein khác phải được vận chuyển đến đích ở trong tế bào là nơi chúng có thể biểu hiện chức năng. Cuối cùng thời gian mà mỗi phân tử protein biểu hiện chức năng trong tế bào cũng được điều khiển nghiêm ngặt bởi cơ chế phân giải chọn lọc. Nhiều loại protein, như các protein cycline liên quan đến điều hòa chu kỳ tế bào, có thời gian tồn tại tương đối ngắn nếu tế bào hoạt động bình thường. Cơ chế phổ biến để phân giải một protein là protein đó cần được đánh dấu bằng việc tế bào gắn vào protein đó một phân tử protein nhỏ gọi là ubiquitin. Sau đó một phức hệ protein kích thước “khổng lồ” có tên là thể phân giải Ym: michaeljacson_1989 Page 19
Phạm Xuân Bằng Translational Control of Gene Expression protein (proteasome) sẽ nhận ra các protein được đánh dấu bằng ubiquitin và phân giải chúng (Hình 5.3). Hình 6.3. Sự phân giải protein bởi proteasome Proteasome là một protein lớn có dạng giống như một phức hệ protein lớn có dạng giống như “hộp chứa rác” có khả năng “băm” nhỏ các protein không còn cần nữa đối với tế bào. Trong phần lớn trường hợp, các protein này bị proteasome “tấn công” bởi chúng được đánh dấu bởi ubiquitin, là một protein nhỏ. Các bước 1 và 3 được miêu tả ở trên hình cần có ATP. Các proteasome ở eukaryote có khối lượng lớn như các tiểu phần ribosome và được phân bố khắp tế bào. Hình dạng của nó khá giống các protein chaperon vốn có chức năng “bảo vệ” chứ không phải phân giải protein. Tầm quan trọng của proteasome được nhận thấy qua việc các đột biến dẫn đến sự hình thành một số protein điều hòa chu kì tế bào trở nên trơ với hoạt động phân giải của proteasome thì tế bào đó có thể trở thành tế bào ung thư. Ym: michaeljacson_1989 Page 20