Điều hòa hậu dịch mã ở vi khuẩn thường gặp là

Các gen bao gồm DNA. Chiều dài của gen quy định độ dài của protein được gen mã hóa. DNA là một chuỗi xoắn kép, trong đó các nucleotide (các bazơ) liên kết với nhau:

• Adenine (A) liên kết với thymine (T)

• Guanine (G) liên kết với cytosine (C)

DNA được phiên mã trong quá trình tổng hợp protein, trong đó một sợi ADN được dùng làm khuôn mẫu tổng hợp RNA thông tin (mRNA). RNA có các base như DNA, ngoại trừ uracil (U) thay thế thymine (T). mRNA di chuyển từ nhân đến tế bào chất và sau đó đến ribosome, nơi diễn ra quá trình tổng hợp protein. RNA vận chuyển (tRNA) mang các axit amin đến ribosome, và gắn axit amin vào chuỗi polypeptide đang phát triển theo một trình tự xác định bởi mRNA. Khi một chuỗi axit amin được lắp ráp, nó tự gấp nếp cuộn xoắn để tạo ra một cấu trúc protein ba chiều phức tạp dưới ảnh hưởng của các phân tử đi kèm lân cận.

DNA được mã hóa bằng mã bộ ba, chứa 3 trong số 4 nucleotides A, T, G, C. Các axit amin cụ thể được mã hóa bởi các mã bộ ba xác định. Vì có 4 nucleotide, nên số lượng mã bộ ba có thể có là 43 (64). Tuy nhiên chỉ có 20 axit amin, nên có một số mã bộ ba dư thừa. Bởi vậy, một số mã bộ ba cùng mã hóa một axit amin. Các bộ ba khác có thể mã hóa các yếu tố mở đầu hoặc kết thúc quá trình tổng hợp protein và sắp xếp, lắp ráp các axit amin.

Gen bao gồm exon và intron. Exons mã hóa cho các axit amin cấu thành protein. Còn introns chứa các thông tin chi phối việc kiểm soát và tốc độ sản xuất protein. Exons và intron cùng được sao chép vào mRNA, nhưng các đoạn được sao chép từ intron được loại bỏ sau đó. Nhiều yếu tố điều hòa việc phiên mã, bao gồm RNA antisense, được tổng hợp từ chuỗi DNA không được mã hoá thành mRNA. Ngoài DNA, các nhiễm sắc thể chứa histon và các protein khác cũng ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen (protein và số lượng protein được tổng hợp từ một gen nhất định).

Kiểu gen cho biết thành phần và trình tự di truyền cụ thể; nó quy định những protein nào được mã hóa để sản xuất.

Ngược lại, bộ gen nói đến toàn bộ thành phần tất cả của các nhiễm sắc thể đơn bội, bao gồm các gen mà chúng chứa.

Kiểu hình hướng tới biểu hiện cơ thể, sinh hóa và sinh lý của một người - nghĩa là, làm thế nào các tế bào (hay cơ thể) thực hiện chức năng. Kiểu hình được xác định bởi loại và số lượng protein tổng hợp, tức là, sự biểu hiện của các gen ra môi trường như thế nào. Kiểu gen cụ thể có thể có hoặc không tương quan tốt với kiểu hình.

Khiếm khuyết trong đáp ứng miễn dịch có thể liên quan

Thiếu hụt miễn dịch dịch thể Thiếu miễn dịch dịch thể Các rối loạn suy giảm miễn dịch có liên quan hoặc khiến bệnh nhân dễ mắc các biến chứng khác nhau, bao gồm nhiễm trùng, rối loạn tự miễn dịch, u lympho và... đọc thêm thường do sự suy yếu của tế bào B để tạo ra các globulin miễn dịch có chức năng. Bệnh nhân với loại khuyết tật này thường có nhiễm trùng liên quan đến các sinh vật có vỏ (ví dụ, H. influenzae Nhiễm khuẩn Haemophilus Haemophilus sp gây nhiều nhiễm trùng nhẹ và nghiêm trọng, bao gồm bệnh nhiễm trùng máu, viêm màng não, viêm phổi, viêm xoang, viê... đọc thêm phế cầu Nhiễm liên cầu Liên cầu là các vi khuẩn Gram dương hiếu khí gây ra nhiều chứng rối loạn, bao gồm viêm họng, viêm phổi, nhiễm trùng vết thương và da, nhiễm trù... đọc thêm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾPHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC.…   ……TIỂU LUẬNĐỀ TÀIĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Giảng viên hướng dẫn: Học viên thực hiện: PGS.TS. Nguyễn Bá Lộc Trần Đình Nam1 Lớp PPDHSH K22Huế, 1/2014. 2A - Mở đầuNhư chúng ta đã biết ba quá trình thiết yếu cho sự tồn tại của tế bào, đó là: tái bản,sao mã và dịch mã. Tuy nhiên, tế bào không thể tồn tại độc lập với môi trường chungquanh. Tuy nhiên trong bất kỳ tế bào nào, tất cả các gen đều không hoạt động đồng thời.Ví dụ, tế bào E.Coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3000 loại khác nhau. Như vậy,trung bình mỗi loại có khoảng 3000 phân tử. Nhưng thực tế, có những lúc trong tế bào cóloại protein đạt đến khoảng 500.000 phân tử, còn loại khác chỉ khoảng 10 phân tử. Nhưvậy, không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng như nhau, đồng thời tếbào không thể tồn tại độc lập với môi trường chung quanh, do đó sẽ nảy sinh một vấn đềquan trọng: Tế bào điều chỉnh hoạt động của mình như thế nào cho phù hợp với các biếnđổi của môi trường bên ngoài cũng như đảm bảo tính ổn đinh bên trong tế bào để có thểtồn tại và thích ứng? Đó chính là vấn đề tôi xin được đề cập qua bài tiểu luận “Điều hòabiểu hiện gen”3B - Nội dungI. Mục đích của việc điều hòa biểu hiện gen:Biểu hiện gen (thuật ngữ tiếng Anh: gene expression hay expression), ám chỉ mọiquá trình liên quan đến việc chuyển đổi thông tin di truyền chứa trong gen (gen là mộtđoạn/chuỗi ADN) để chuyển thành các axít amin (hay protein) (mỗi loại protein sẽ thểhiện một cấu trúc và chức năng riêng của tế bào). Tuy nhiên, cũng tồn tại các gen khôngmã hóa cho protein (ví dụ: gen rARN, gen tARN).Sự biểu hiện của các gen chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hoà. Các cơ chếnày đóng vai trò quan trọng cho các hoạt động sống, đáp lại những biến đổi môi trườngbên trong và bên ngoài cơ thể. Không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với sốlượng giống nhau và tế bào phải có cơ chế điều hòa để tổng hợp protein hợp lý và tiếtkiệm nhất. Ví dụ. một số gen hoạt động liên tục trong suốt quá trình sống, ví dụ nhưhemoglobin của máu; có loại chỉ được tổng hợp trong một giai đoạn nhất định nào đótrong chu trình sống, ví dụ như hormone sinh trưởng, hormone sinh sản, Như vậy, mộtsố gen sẽ hoạt động nhiều hơn, thường xuyên hơn, một số khác chỉ hoạt động ở nhữnggiai đoạn nhất định hoặc trong những điều kiện nhất định của chu trình sống.Sự điều hoà biểu hiện gen ở nhân sơ và ở nhân thực có những nét khác nhaunhưng đều diễn ra ở cả ba giai đoạn- Điều hoà phiên mã.- Điều hoà dịch mã.- Điều hoà bài tiết protein.II. Các hiện tượng điều hòa:Để duy trì nội cân bằng (homeostasis) và sự phát triển của cơ thể các sinh vật đãcó các cơ chế điều hòa khác nhau. Các kiểu điều hòa đều bắt nguồn từ sự biểu hiện củacác gen.41. Điều hòa thích nghi :Một số amip (ameba) biểu hiện sự thay đổi hình thái và sinh lý đặc biệt để đáp lạicác điều kiện môi trường khác nhau. Khi các amip được cho vào nước, chúng chuyển từdạng amip sang dạng có lông để bơi. Khi môi trường thiếu dinh dưỡng chúng có thểchuyển 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 aminoacid. Lúc nguồn amino acid từ ngoài bổ sung vào đã hết, tế bào vi khuẩn lại tự tổng hợplại amino acid cho bản thân.Các biến đổi nêu trên là thuận nghịch, chứng tỏ sự thay đổi chức năng ở đâykhông phải do biến dị di truyền. Các hiện tượng trên còn cho thấy việc xuất hiện hay biếnmất các cấu trúc mới không làm ảnh hưởng đến tiềm năng di truyền sẵn có. Có thể chorằng, có trường hợp một số gen hoạt động, nhưng cũng có trường hợp một số gen ngừngbiểu hiện. Các hiện tượng được đề cập trên đều do cơ chế điều hòa thích nghi (adaptiveregulation) chi phối.2. Hoạt động nối tiếp của các genKhi bacteriophage xâm nhiễm vi khuẩn, ADN của nó lúc đầu sẽ tái bản, sau đó cácprotein khác nhau mới được tổng hợp nên để tạo thành vỏ. Như vậy, có các gen “sớm”tạo ra enzyme tái bản ADN và các gen “muộn” xác định các thành phần vỏ protein. Điềuđó 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 cònthể hiện rõ trong quá trình phát triển cá thể của các sinh vật eukaryote đa bào.53. Biệt hóa tế bào Nhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiều tỷ tế bào bắt nguồn từ một hợptử do phân chia nguyên nhiễm. Từ một hợp tử ban đầu đến khi trưởng thành, cơ thể ngườicó khoảng 200 loại tế bào khác nhau. Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tincủa mình. Quá trình chuyên môn hóa chức năng của tế bào được gọi là sự biệt hóa hayphân 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 cóthể nuôi cấy một phần mô phân sinh trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp cho đến khichúng phát triển thành cây in vitro hoàn chỉnh (plantlet), các cây này sau đó được đưa ratrồng trong điều kiện tự nhiên và đã ra hoa kết quả.III . Các mức độ điều hòa:1. Mức độ chất nhiễm sắc Ngay trên chất nhiễm sắc có thể thực hiện các kiểu sau: - ADNse cắt một số vùng trên genome làm tháo xoắn để các gen biểu hiện. Haivùng được lưu ý đó là các vùng nhạy cảm (sensible) và siêu nhạy cảm (hypersensible). - Các vùng nhạy cảm có liên quan đến các gen có hoạt tính cao và những gen đãqua biểu hiện rồi (như các gen hoạt động ở phôi). Các vùng siêu nhạy cảm liên quan đếncác gen có hoạt tính rất cao (như các gen histone).- ADN Z (ADN trái) là dạng cấu trúc siêu xoắn có thể liên quan đến đóng mở gen.- Methyl hóa các base. Ở các prokaryote sự methyl hóa có thể thực hiện đối với Avà C, còn ở eukaryote sự methyl hóa chỉ thực hiện với C vị trí thứ 5. Methyl hóa làm genngừng hoạt động. 6Ví dụ: nhiễm sắc thể X bất hoạt ở người thuộc loại siêu methyl hóa. Nói chung, sựthay đổi cấu hình (reconfiguration) có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen.2. Mức độ phiên mã Đây là sự điều hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen. Kiểu điềuhòa này thường gặp trong điều hòa trao đổi chất, cũng như các quá trình biệt hóa tế bào. - Sự tác động của các trình tự cis (gần kề, liền kề) nằm trên cùng mạch ADN nhưenhancer (vùng tăng cường) làm tăng sự phiên mã. - Điều hòa bởi các nhân tố trans (cách quãng, từ xa) do các nhân tố không nằmcùng trên một mạch ADN.- Chọn lựa promoter thích hợp.- Sự suy yếu/suy thoái.3. Mức độ hậu phiên mã Sự điều hòa có thể biểu hiện ở mức tác động lên mARN, chúng ta đã gặp trườnghợp trên khi mARN bị cắt bỏ các intron và gắn các exon lại với nhau để tạo thành mARNhoàn chỉnh (ARN processing). Như vậy, các hệ thống ảnh hưởng đến sự hoàn chỉnh củamARN có thể kiểm tra gián tiếp biểu hiện của gen tương ứng. Các mARN của eukaryotecòn có những đoạn không mã hóa liên quan tới thời gian tồn tại và ra khỏi nhân vào tếbào chất. - Splicing khác nhau.- Điểm polyadenine hóa khác nhau (polyadenylation).- Đột biến trên phân tử mARN.7- Bán chu kỳ phân hủy của mARN.- Sự bảo tồn các ARN trong tế bào.4. Mức độ dịch mãSự biến đổi của các nhân tố khởi đầu IF (inititation factor). Là các protein kết hợpvới tiểu đơn vị của ribosome vào giai đoạn khởi động của quá trình dịch mã.5. Mức độ hậu dịch mã Ở đây có sự điều hòa hoạt tính của protein. Sau khi mạch polypeptide được tổnghợp, các protein nhiều khi phải trải qua các biến đổi thứ cấp trước khi biểu hiện hoạt tính(chức năng). Ví dụ: trypsin là enzyme phân giải protein trong dạ dày chỉ có được hoạttính sau khi chất tiền thân của nó (pro-enzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạnpolypeptide.Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể như sự kết hợp các enzyme với mộtsố sản phẩm đặc biệt có thể làm thay đổi cấu trúc không gian của chúng dẫn đến mất hoạttính.- Các quá trình glycosylation, phosphorylation… tức là gắn thêm các nhóm chấtnhư đường, phosphor… để protein có hoạt tính/chức năng sinh học.- Peptide tín hiệu là đoạn gồm khoảng 20 amino acid nằm gần phía đầu N củapolypeptide, có vai trò gắn polypeptide và ribosome đang tổng hợp mạch này với mạnglưới nội sinh chất. Trong bộ máy Golgi, polypeptide được phóng thích ra ngoài. - Sự phóng thích ra protein có chức năng sinh học từ một phức hợp, như từ pro-insulin thành insulin.8I V . Sơ lược về điều hòa biểu hiện gen ở P rokaryote v à E ukaryote:Có sự khác nhau đáng kể giữa Prokaryote và Eukaryote trong điều hòa biểu hiệncủa gen.Prokaryote là những cơ thể đơn bào sống tự do, sinh trưởng và phân chia trongđiều kiện thích hợp và được cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng. Do đó mục đích của sựđiều hòa biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các tác nhân dinhdưỡng và lý hóa của môi trường, đảm bảo được hai yêu cầu chính của tế bào là sinhtrưởng và sinh sản. Sự điều hòa ở đây rất linh động và có tính thuận nghịch. Khác với prokaryote, eukaryote là những cơ thể đa bào. Trong cơ thể đang pháttriển, một tế bào không chỉ sinh trưởng và phân chia mà tế bào thế hệ sau trải qua nhữngthay đổi quan trọng về hình thái và hóa sinh và duy trì trạng thái biến đổi của nó. Hơnnữa trong quá trình phát triển phôi, tế bào eukaryote ít chịu ảnh hưởng của môi trườnghơn so với vi khuẩn. Cuối cùng, ở cơ thể trưởng thành, sự sinh trưởng và phân chia tế bàocủa hầu hết các loại tế bào bị ngừng, mỗi tế bào chỉ phải duy trì các tính chất riêng biệtcủa nó. Sự điều hòa ở eukaryote hướng đến việc chuyên biệt hóa từng loại tế bào vàotừng cấu trúc và chức năng riêng và vì thế không mang tính thuận nghịch.Các tế bào eukaryote có cấu tạo phức tạp hơn nhiều nên cơ chế điều hòa cũngphức tạp hơn prokaryote.Ba thành phần chính của sự điều hòa biểu hiện gen là:- Tín hiệu gây ra đáp ứng làm thay đổi biểu hiện gen- Giai đoạn được thực hiện sự điều hòa trong quá trình từ tái bản đến dịch mã- Cơ chế phân tử của sự điều hòa biểu hiện genV. Điều hòa biểu hiện gen ở Prokaryote:1. Sự biểu hiện gen ở Prokaryote:Bộ máy di truyền của sinh vật prokaryote là một ADN mạch vòng chứa một sốlượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất (Hình 1).9Chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào. Vì thế, hoạt động của các gen đượcđiều hòa do các nhu cầu của tế bào khi cần thiết. Tác động của các nhân tố môi trườnglàm những gen tương ứng được mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệuquả ngược làm dừng lại.Hình 1: Sự biểu hiện gen ở Prokaryote2. Điều hòa biểu hiện gen ở Prokaryote2.1. Điều hòa ở giai đoạn phiên mã: Các gen được phiên mã tạo ARN, được gọi là các gen cấu trúc. Các protein đượcdịch mã từ mARN có thể là enzyme hoặc không phải enzyme. Trong số các proteinkhông phải enzyme có các protein điều hòa (regulatory protein), chúng tương tác với các10trình tự ADN đặc hiệu để kiểm soát hoạt tính phiên mã của các gen cấu trúc. Các gentổng hợp các protein điều hòa được gọi là các gen điều hòa (regulatory gen). Phía trướcmỗi gen cấu trúc (hoặc một nhóm gen) có một trình tự promoter, nơi ARN polymerasenhận biết (Hình 8.3). Cơ chế điều hòa ở Prokaryote chủ yếu được thực hiện thông quaoperon. Đây là khái niệm chỉ tồn tại ở prokaryote.Hình 2: Phương thức chung điều hòa biểu hiện gen ở prokaryoteTa sẽ nghiên cứu tiếp tục:- Sự cảm ứng (Induction) tức bằng cách nào sự tổng hợp protein được bắt đầu- Sự kìm hãm (repression) tức bằng cách nào sự tổng hợp protein phải dừng lại.112.1.1. Sự cảm ứng (ví dụ: operon lactose)2.1.1.1 Cấu trúc operon lactose: Khái niệm operon. Năm 1965, J.Monod và E.Jacob đưa ra khái niệmoperon: operon là một đoạn ADN, trên đó có một nhóm gen hoạt động phối hợp với nhauđể điều hoà sự tổng hợp một nhóm protein.Cấu trúc của operon lactose tương đối đơn giản, đó là một đoạn ADN có chứa 3gen cấu trúc (structural gene) mã hóa 3 loại enzim cần thiết của trực khuần coli để sửdụng lactose là β-galactosidase (Z), permease (Y) và transacetylase (A). Ngoài gen cấutrúc trên, operon lactose còn chứa:Gen khởi động hay vị trí khởi động ( promoter site) ký hiệu là P:Thực chất của khởi sự phiên mã là quan hệ trực tiếp giữa ARN polymerase vàpromoter. Khi ARN polymerase gắn vào promoter, nó sẽ phiên mã tạo phân tử ARN.Phần lớn promoter ở E. oli về căn bản có cùng cấu trúc:Nếu base đầu tiên được phiên mã thành ARNm (luôn là purine, thường là adenine)được đánh số +1, thì tất cả các base phía 5’ hay “phía trước” so với nó không được phiênmã là số trừ (-). Ngay phía trước +1 có 6 base thường với trình tự TATAAT ở xungquanh - 10, và trình tự TTGACA (trình tự liên ứng - consensus sequence) ở xung quanh -35. Cả hai trình tự phối hợp nhau cho phép ARN polymerase gắn vào và khởi sự dịch mã,trình tự - 35 tạo điều kiện đầu tiên cho việc gắn vào.12Gen chỉ huy (operator gene) ký hiệu là ONằm giữa gen P và gen cấu trúc đầu tiên của operon,, nơi mà protein ức chế gắnvào. Việc gắn protein ức chế lên operator ngăn cản sự phiên mã của tất cả các gen cấutrúc trên cùng một operon. Gen điều hòa (regulatory gene), gọi là gen I. Gen I mã hóa 1 protein có tên làchất kìm hãm.Chất kìm hãm của operon lactose là một protein gồm 4 tiểu đơn vị giống nhau,mỗi tiểu đơn vị có một ví trí dành cho chất cảm ứng.Mỗi gen cấu trúc mã hoá một prôtêin Sự kiểm soát như vậy đối với với gen gọi làkiểm soát âm. Các operon của vi khuẩn thường tạo ra các ARNm đa gen, nhưng ARNmcủa Eukaryote chỉ một gen.Các protein cần thiết cho biểu hiện gen được gọi là chất hoạt hóa. Chúng có thểgắn với các điểm khởi sự nằm bên trong của promoter của operon hay điểm tăng cườnghoặc có thể gắn ở những trình tự xa operon. Việc gắn của protein điều hòa vào điểm khởiđầu (initiator) hay enhancer, kích thích sự phiên mã của các gen cấu trúc, được gọi là cơchế kiểm soát dương. Sự kích thích để các gen điều hòa phản ứng có thể là từ các phân tửtương đối nhỏ như đường, amino acid đến các phân tử lớn hơn như các phức hợphormone steroid và các protein thụ thể (receptor). Chất làm cho gen phiên mã được gọi là chất cảm ứng, có tác động ngược với chấtkìm hãm. Các gen cảm ứng thường tham gia vào các phản ứng thoái dưỡng (catabolicreaction), như phân hủy các polysaccharide thành đường đơn. Các gen ức chế thườngtham gia vào các phản ứng biến dưỡng thực hiện việc tổng hợp các chất như amino acidtừ các tiền chất đơn giản hơn.132.1.1.2. Hoạt động của operon lactose:Hoạt động của một operon phụ thuộc vào một vùng của ADN là gen O, Gen O lienkết với những gen mà nó kiểm soát sự phiên mã, tác dụng tương tác với một gen điềuhòa. Nếu phân tử này lag chất kìm hãm, thì chất kìm hãm sẽ kết hợp với gen O để làmdừng lại sự tổng hợp ARNm. Nếu là chất hoạt hóa, chất hoạt hóa sẽ kết hợp với gen O vàsẽ kích thích sự khởi động tổng hợp ARNm bởi ARN polymerase. ARNm được bắt đầutổng hợp ở vị trí P, vị trí này chứa một trình tự đặc biệt gọi là hộp Pribnow.- Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi có mặt glucose (a)Tế bào có xu hướng sử dụng glucose hơn là lactose để làm nguồn carbon vìglucose được biến dưỡng trực tiếp cung cấp carbon và tạo năng lượng. Các enzyme biếndưỡng glucose thuộc loại cấu trúc và tế bào tăng trưởng tối đa với nguồn glucose. Khi cómặt glucose, ba gen cấu trúc mã hóa ba enzim có chức năng sử dụng lactose không hoạtđộng (tức không biểu hiện), trong điều kiện này, v khuẩn không cần tổng hợp nhữngenzim để sử dụng lactose.Gen điều hòa của operon thường xuyên tổng hợp protein kìm hãm (repressorprotein) ở mức độ thấp, vì nó có promoter ít hiệu quả. Sự tổng hợp các protein này bị tácđộng do nồng độ lactose trong tế bào. Ngược lại, promoter bình thường của operon lacgắn với ARN polymerase rất có hiệu quả. Khi không có đường lactose, gen điều hòa – gen I mã hóa một protein điều hòahoạt động (active regulator protein) còn gọi là protein kìm hãm gắn vào promoter hay“đọc” trình tự operator vì protein kìm hãm chiếm đoạn này. Như vậy, sự phiên mã của tấtcả các gen cấu trúc của operon lac bị dừng.Bản thân gen điều hòa I chỉ có một promoter (Pi) và gen cấu trúc của protein kìmhãm. Promoter này yếu, khi các protein kìm hãm có số lượng lớn, nó bị các protein nàygắn vào làm dừng phiên mã14Hình 3: Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi không có lactose- Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi có mặt lactose (b)Trong trường hợp này, môi trường nuôi cấy không có glucose mà là lactose. Vikhuẩn nếu muốn tồn tại, sẽ phải sử dung lactose. Chính vì lý do đó, vi khuẩn phải tổnghợp những enzim có thể thủy phân lactose thành glucose và galactose.Nói them một vấn đề nữa về β – galactosidase. β – galactosidase là enzyme cóchức năng đôi. Chức năng đầu tiên của nó là thoái dưỡng lactose thành glucose vàgalactose. Chức năng thứ hai của nó là chuyển liên kết 1 - 4 của glucose và galactosethành liên kết 1 - 5 của allolactose. Bình thường enzyme này không hiện diện ở nồng độcao trong tế bào, khi vắng mặt lactose trong môi trường. Ngay sau khi cho lactose vàomôi trường nuôi khi không có glucose, enzyme này bắt đầu được tạo ra. Sự vận chuyểnlactose xuyên qua màng tế bào có hiệu quả nhờ protein vận chuyển galactoside permease.Khi vào trong tế bào, một số lactose (liên kết β-1,4) được chuyển thành allolactose(liên kết β-1,6) nhờ β-galactosidase. Allolactose là chất cảm ứng, nó gắn vào protein kìmhãm và gây biến đổi cấu hình tạo phức hợp allolactose - repressor. Phức hợp này mất khảnăng gắn operator. Lúc này operon được mở, ARN polymerase bắt đầu phiên mã các gencấu trúc.15Hình 4: Cơ chế điều hòa biểu hiện gen khi có lactoseTóm lại:- Khoảng dưới 10 phân tử β – galactosidase được tổng hợp cho mỗi trực khuẩncoli khi có mặt glucose- Hàng triệu phân tử β – galactosidase được tổng hợp khi có mặt của lactose (vàkhông có mặt glucose)- Khi có mặt của hỗn hợp glucose + lactose: điều hòa dương tính (vai trò củaAMP vòng (cAMP) và protein CAP)Khi có mặt hỗn hợp glucose + lactose, vi khuẩn chọn trước tiên glucose để chuyểnhóa, khi glucose đã cạn kiệt, nó sẽ sử dụng lactose. Ở đây, khi có mặt glucose, việc sửdụng lactose bị kìm hãm.Sự có mặt của glucose làm ARNm không được tổng hợp, do đó không có sự tổnghợp β-galactosidase, vì sự thêm vào nhân tố cảm ứng làm bất hoạt chất kìm hãm - mộtyếu tố khác cần cho sự bắt đầu tổng hợp ARNm. Hoạt tính của yếu tố này được điều hòabởi nồng độ glucose.16Glucose có ảnh hưởng ức chế gián tiếp lên sự biểu hiện của operon lac. Nhữngphân tử nhỏ adenosine monophosphate vòng (cAMP) phân bố rộng rãi trong mô động vậtvà trong các cơ thể eukaryote đa bào, có vai trò quan trọng làm chất trung gian hoạt độnghormone. Chất này cũng có trong tế bào E. coli và nhiều tế bào vi khuẩn khác với chứcnăng khác nhau. cAMP được tổng hợp bởi enzyme adenyl cyclase, và nồng độ của cAMPđược điều hòa gián tiếp qua trao đổi chất glucose. Khi vi khuẩn sinh trưởng ở môi trườngchứa glucose, hàm lượng cAMP rất thấp. Trong môi trường chứa glycerol hoặc cácnguồn carbon không thể đi vào con đường hóa sinh được sử dụng để trao đổi chất glucose(con đường glycolytic) hoặc khi vi khuẩn bị đói nguồn năng lượng, nồng độ cAMP cao.Hàm lượng glucose giúp điều hòa nồng độ cAMP trong tế bào và cAMP lại điều hòa hoạttính của operon lac.Hình 5: Cấu trúc của cAMPE. coli chứa protein nhận cAMP hay CRP (cyclic AMP receptor protein) còn đượcgọi là protein hoạt hóa dị hóa CAP (catabolite activator protein), được mã hóa bởi genecrp. Đột biến ở gene crp và gene adenyl cyclase làm ngăn cản sự tổng hợp của ARNmlac. Điều này cho thấy chức năng của CAP và cAMP cần thiết cho tổng hợp ARNm lac.CAP và cAMP kết hợp tạo phức hợp cAMP - CAP, sau đó phức hợp này kết hợp vớivùng khởi động P ở sát vị trí gần ARN polymerase. Một khi được gắn vào vị trí P, phức17hợp cAMP - CAP tăng ái lực của ARN polymerase đối với vị trí khởi động, tăng cườngsự phiên mã. Quá trình phiên mã có thể được nhân lên gấp bội, khoảng 50 lần.Các thí nghiệm ở điều kiện in vitro cho thấy: ARNm lac được tổng hợp chỉ khi cócAMP vòng và không có chất ức chế. Khi vắng mặt phức hợp cAMP - CAP, ARNpolymerase chỉ bám lỏng lẽo vào promotor. Vì vậy hiếm khi dẫn đến phiên mã vì khôngcó sự tương tác đúng giữa ARN polymerase và promotor. Nhưng ARN polymerase đượckích thích gắn vào promotor khi cAMP - CRP được gắn vào ADN.Những kết quả này giải thích chức năng lactose và glucose cùng nhau tham giađiều hòa phiên mã operon lac như thế nào. 2.1.2.Sự kìm hãm (ví dụ: operon Triptophan):2.1.2.1. Tổng hợp Tryptophan ở vi khuẩn:Tryptophan (Tryp) là một acid amin cần thiết đối với người và được cung cấp bởithức ăn. Đối với với khuẩn thì khác: trực khuẩn coli hoàn toàn có thể tổng hợp được acidamin này.Hệ thống tryptophan cũng có cấu trúc tương tự hệ thống lactose gồm gen điều hòatrypR và operon tryptophan (promoter, operator và 5 gen cấu trúc). Các gen cấu trúc xácđịnh 5 enzyme được xếp theo thứ tự tương ứng với chức năng xúc tác theo trình tự cácphản ứng của chuỗi biến dưỡng tryptophan.Để tổng hợp Tryp cần một loạt phản ứng, ở mỗi giai đoạn cần sự tham gia của mộtenzim (E).18ABNếu tất cả những enzim trên được tổng hợp bởi với khuẩn, những phản ứng dẫnđến sự tạo thành Tryp xảy ra tự nhiên và cuối cùng người ta được Tryp.Nếu những enzim trên không được tổng hợp, thì sự sản xuất Tryp sẽ bị dừng lại.Ta sẽ thấy các enzim sẽ được tổng hợp, nếu tế bào thiếu Tryp. Ngược lại, sự tổnghợp enzim sẽ bị kìm hãm khi tế bào có đầy đủ Tryp.2.1.2.2. Hoạt động của operon Tryp:Hình 6: Hoạt động của operon Tryp19Toàn bộ các gen mã hóa các enzim cần thiết cho sự tổng hợp Tryp tạo thành operon Tryp.- Trường hợp không có Tryp:Gen điều hòa tổng hợp ra chất kìm hãm, chất kìm hãm này được gọi là “khônghoạt động” vì nó không kết hợp với vị trí O. Chất kìm hãm này có tên là apo – repressor.Như vậy ARN polymerase có thể kết hợp với vị trí khởi động P và khởi đấuwjphiên mã. Các gen cấu trúc thực hiện phiên mã thành ARNm, các enzim được tổng hợpvà Tryp được tạo thành (Hình 6A)- Trường hợp có Tryp:Cho them Tryp vào môi trường nuôi cấy làm ngừng tức khắc sự tổng hợp Tryp (vìđã có Tryp trong môi trường nuôi cấy nên vi khuẩn không cần tổng hợp Tryp; người tahọi sự tổng hợp bị kìm hãm).Bằng cách nào Tryp dư thừa có thể làm ngưng sự tổng hợp ra nó?Tryp trong trường hợp này được gọi là một “co – repressor”, nó kết hợp với apo –repressor, tức chất kìm hãm không hoạt động. Hỗn hợp apo – repressor + Tryp có thể gắnvào vị trí O như vậy ngăn chặn ARN polymerase phiên mã ra ARNm. Quá trình phiên mãkhông xảy ra (Hình 6B). Người ta gọi đây là sự kìm hãm bởi sản phẩm chuyển hóa cuốicùng (trong trường hợp này là Tryp). Sản phẩm này ức chế sự tổng hợp của chính bảnthân nó.20Sự tổng hợp này sẽ bị dừng lại cho đến khi nào tất cả Tryp được sử dụng hết bởi vikhuẩn. Khi không còn Tryp trong môi trường, sự tổng hợp bắt đầu lại.Tóm lại:- Khi không có Tryp, sự phiên mã xảy ra.- Khi có Tryp, sự phiên mã bị ngừng lại.Thực ra, hoạt động của operon Tryp phức tạp hơn. Ngoài vị trí O ra, còn có sựtham gia của chất làm yếu đi (attenuator) hay điều hòa theo phương thức phiên mã dở(Attenuation)2.1.2.3. Phiên mã dở (Attenuation) Kiểu điều hòa thứ hai được phát hiện ở operon tryptophan được gọi là attenuation.Nó dùng sử dịch mã để điều khiển sự phiên mã. Khi có mặt tryptophan nội bào, ngay cảvới nồng độ thấp, sự dịch mã một phần vùng leader của mARN ngay khi vừa được tổnghợp, kết quả làm dừng sự phiên mã trước khi gene cấu trúc đầu tiên của operon được saochép.Phiên mã dở (attenuation) là kết quả sự tương tác giữa các trình tự ADN trongvùng leader của bản phiên mã tryp. Ở tế bào kiểu dại, sự phiên mã operon tryp thườngđược bắt đầu. Tuy nhiên khi có mắt một lượng nhỏ tryptophan, hầu hết phân tử mARNkết thúc ở vùng 28 base đặc biệt ở trong trình tự leader. Kết quả của sự kết thúc sớm nàytạo phân tử mARN chứa 140 nucleotide chấm dứt một đoạn ngắn của các gene mã hóacho các enzyme tryp. Vùng 28 base xảy ra sự kết thúc phiên mã sớm như thế được gọi làattenuator. Trình tự base của vùng này thường có các tính chất điểm kết thúc, gồm dạngđoạn và vòng (stem-loop) trên mARN theo sau là trình tự của 8 uridine.21Hình 7: (A) Sơ đồ phiên mã của leader tryp;(B) Chi tiết cấu trúc của 2 codon tryp ở vòng 1 – 2.Trình tự leader có các đặc điểm: - Một vùng có codon AUG và phía sau là codon kết thúc UGA, mã hóa cho mộtpolypeptide chứa 14 amino acid được gọi là leader polypeptide. - Hai codon tryptophan ở vị trí 10 và 11 trên mARN của leader polypeptide. Trìnhtự lặp lại ngắn này có ý nghĩa trọng điều hòa. - Bốn đoạn của ARN leader là vùng 1, 2, 3 và 4 tạo thành do khả năng kết cặp củacác base với nhau. Các base ở vùng 1 kết cặp với vùng 2, vùng 3 kết cặp với vùng 4(Hình 7).Khi sự kết cặp xảy ra ở dạng này, sự phiên mã kết thúc ở đoạn đi qua uridine phíatrước nucleotide 140. Kiểu kết cặp này xảy ra ở mARN leader được tinh sạch. 22- Một kiểu kết cặp biến đổi có thể xảy ra, trong đó các base vùng 2 kết cặp vớivùng 3 nhờ các cặp base ở 2 vùng này gần như bổ sung nhau (Hình 7B). Qua mô hình kếtcặp base biến đổi này (3 - 4 hoặc 2 - 3), sự tổ chức trình tự ARNm có thể điều hòa phiênmã qua dịch mã của leader polypeptide (Hình 8). Khi vùng leader được phiên mã, sự dịchmã leader polypeptid cũng bắt đầu. Vì có 2 codon của tryptophan trong trình tự mã hóa,nên sự dịch mã nhạy cảm với số lượng tARNtryp đưa vào.Nếu môi trường cung cấp đầy đủ tryptophan, ribosome trượt qua codon tryptophanvà đi vào vùng 2 (Hình 8B). Sự có mặt của ribosome loại bỏ khả năng kết cặp của vùngkhoảng 10 base ở mỗi phía của codon đang dịch mã. Sự có mặt của ribosome ở vùng 2ngăn cản nó kết cặp với vùng 3. Trong trường hợp này vùng 3 kết cặp với vùng 4, tạo rađiểm kết thúc phiên mã. Sự phiên mã kết thúc khi qua các uridine nằm phía sau vùng 4.Khi số lượng tARNtryp không đủ, sự dịch mã leader polypeptide bị dừng lại độtngột ở các codon tryptophan. Sự dùng lại này ngăn cản ribosome tiến vào vùng 2, vì vậyvùng 2 được tự do sẽ kết cặp với vùng 3 làm cản trở sự hình thành cấu trúc kết thúc. Vìvậy phân tử tryp mARN hoàn chỉnh được tạo thành, chứa cả trình tự mã hóa cho genecấu trúc. Tóm lại, attenuation là cơ chế điều hòa tinh tế trên cơ sở điều hòa âm tính: KhitARNtryp đến đủ cung cấp cho sự dịch mã leader polypeptide, sự phiên mã bị dừng, cáctryp enzyme không được tổng hợp. Khi nồng độ tARNtryp quá thấp, sự phiên mã xảy racho đến hết, các tryp enzyme được tạo nên.Nhiều operon chịu trách nhiệm tổng hợp các amino acid khác (như các operon củaleucine, isoleucine, phenylalanine, histidine) cũng được điều hòa nhờ attenuator với chứcnăng tạo ra vùng kết cặp biến đổi ở bản phiên mã. Ở operon histidine vùng mã hóa củaleader polypeptide chứa 7 codon histidine kế nhau. Ở operon phenylalanine vùng mã hóacho leader polypeptide chứa 7 codon phenylalanin chia 3 nhóm.Điều hòa kiểu attenuation không thể xảy ra ở eukaryote vì ở eukaryote sự phiênmã và dịch mã không xảy ra đồng thời. Sự phiên mã xảy ra trong nhân, còn sự dịch mãxảy ra ở tế bào chất. Điều hòa ở operon lac và operon tryp là ví dụ về một trong số các cơchế quan trọng điều hòa hoạt động gene ở mức phiên mã của prokaryote. 23Hình 8: Phiên mã dở (attenuation) của operon tryp ở E.ColiA. Ở mARN tự do có sự kết cặp base giữa 1 - 2 và 3 - 4 B. Ở nồng độ cao của tryptophan, ribosome tiến đến vùng 2 và sự kết cặp 3 - 4 làm kết thúc phiên mãC. Ở nồng độ tryptophan thấp, ribosome ở vùng codon tryp cho phép kết cặp 2 - 3 và phiên mã không bị kết thúc sau khi qua vùng 42.1.3. So sánh giữa sự cảm ứng và kìm hãm:Như vừa trình bày ở trên, sự cảm ứng và kìm hãm là hai cơ chế khác nhau mà tế bào vi khuẩn có thể điều hòa tổng hợp protein của mình, đáp ứng với vấn đề tiết kiệm.2.1.3.1. Sự kìm hãm liên tục:Sự kìm hãm lien tục, nhưng cũng có thể bị loại bỏ bởi một chất cảm ứng. Đó là quá trình khử kìm hãm bằng cảm ứng (kiểu điều hòa âm tính này thường thấy trong đời sống hang ngày: nước, gaz, điện, thường được đóng và chỉ mở khi dung).Ví dụ kiểu điều hòa này, thường được gặp đối với những enzim có chức năng thoái hóa như β – galactosidase.242.1.3.2. Sự tổng hợp liên tục:Sự tổng hợp protein là một hiện tượng liên tục nhưng cũng có thể bị ngắt quãng bởi sản phẩm chuyên hóa cuối cùng của chính nó (tình trạng này có thể so sánh với việc nước chảy lien tục vào một bể và được khóa lại khi mực nước đã tới một mức độ nhất định).Ví dụ kiểu điều hòa này được gặp ở những enzim có chức năng tổng hợp như những enzim tổng hợp tryptophan.2. 2 . Điều hòa ở giai đoạn hậu phiên mã: Ở sinh vật eucaryote, sợi mARN đầu tiên được tổng hợp (tiền mARN) phải trảiqua giai đoạn hoàn thiện như tạo mũ chụp, cắt bỏ intron, nối exon, gắn đuôi poly-A đểhình thành sợi mARN trưởng thành. mARN đi qua màng nhân, vào tế bào chất đếnribosome, thực hiện quá trình tổng hợp protein.Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn sau phiên mã chủ yếu tác động vàogiai đoạn hoàn thiện mARN. Các kiểu tác động có thể xảy ra như cắt các intron và nốiexon khác nhau, gây đột biến trên mARN. Ngoài ra, thời gian tồn tại của mARN cũng cóảnh hưởng đáng kể đến số lượng protein tổng hợp. mARN tồn tại càng lâu thì số lượngprotein được tổng hợp càng nhiều.2.3. Điều hòa ở giai đoạn dịch mã:2.3.1. Lợi ích:Một kiểu điều hòa nữa của sự tổng hợp protein đó là ở giai đoạn dịch mã. Một trong những ví dụ được nghiên cứu kỹ là sự tổng hợp protein ribosome (protein – r) ở trực khuẩn E.Coli.Một ribosome của E.Coli chứa:- 52 protein – r khác nhau, mã hóa bởi 52 gen khác nhau.25