1

Điều hòa sự biểu hiện của genĐiều hòa biểu hiện gen Prokaryote

– 1. Điều hòa ở mức độ phiên mã• A. Lac operon• B. Trp operon• C. Điều hòa từng tầng

– 2. Điều hòa ở mức độ dịch mã• A. Khởi đầu dịch mã• B. Kéo dài dịch mã khác• C. Tốc độ phân rã của các mRNA

• Quá trình kiểm soát gen Prokaryote đòi hỏi đápứng nhanh với những thay đổi của môi trường.

• Đối với eukaryote, sự điều hòa của gen hướngđến việc duy trì cân bằng nội môi – một môitrường bên trong ổn định thích hợp đối mặt vớimôi trường bên ngoài lúc nào cũng thay đổi.Cơ thể đa bào đòi hỏi những gen khác nhau vàonhững thời điểm khác nhau của quá trình sinhtrưởng và phát triển trong sự biệt hóa của cácmô

• Kiểm soát gen có thể là dương – có nghĩa làhoạt hóa hoạt động của gen, hoặc âm – kìmhãm sự hoạt động của gen

Điểu hòa sự biểu hiện của gen ởProkaryote ở mức độ phiên mã

DNA → mRNA → Protein

Mô hình Operon điều hòa• Phức hợp gọi là operon được mô tả vào năm 1961 bởi Francois

Jacob và Jacques Monod.• Một operon có ba phần: promoter, operator và các gen cấu trúc.

Thêm vào đó là một gen điều hòa liên quan đến việc cho phép gencấu trúc được phiên mã hay không

• Operon – Một cụm các gene cấu trúc đặt dưới sự kiểm soát của một vùng điềuhòa

• Repressor binding site = operator• RNAP binding site = promoter

promoter operator

Phức hợp Operon

1.Promoter: được nhận diện bởi RNA polymeraselà nơi bắt đầu quá trình phiên mã

2.Operator: kiểm soát việc gắn RNA polymerasevào promotervà thông thường nằm trongpromoter hoặc nẳm giữa promoter và gen cầnđược phiên mã.

3.Gen cấu trúc: gene cấu trúc (hoặc gen thiết kế)mã hóa cho chuỗi polypeptide.

2

Operon Mô hình Operon điều hòa

• Một operon cảm ứng (inducible) chứa một cụm gen cấutrúc thông thường ở dạng đóng (off), bị khóa bởirepressor của nó. Khi tác nhân kiểm soát gắn vàorepressor, tách nó khỏi vị trí khóa gen(vì thế ngừng ứcchế). Gen sau đó trở thành trạng thái mở (on) cho đếnkhi một repressor gắn trở lại operator. Operon cảmứng- được hoạt hóa bởi các phân tử cảm ứng nhỏ VD.Lac operon

• Một operon ức chế (repressible) chứa một cụm gen cấutrúc thông thường ở dạng mở (on). Khi tác nhân kiểmsoát gắn vào repressor, repressor gắn vào operator,khóa gen cấu trúc và gen trở thành trạng thái đóng(off).Operon ức chế- bị đóng bởi những chất đồng kìm hãm.VDTrp operon

Operon Cơ chế điều hòa gene

• Kiểm soát dương: quá trình phiên mã chỉ xảy rakhi promoter được hoạt hóa bởi activator

• Kiểm soát âm thường là cơ chế phổ biến ởprokaryote

• Kiểm soát dương thường phổ biến ở eukaryote• Sự tự điều hòa: protein điều hòa quá trình phiên

mã của chính nó

Kiểm soát dương:Kiểm soát dương = activator gắn vào vị trí điều hòa đểkích thích quá trình phiên mã gene, cần sự có mặt củamột nhân tố activator để sự phiên mã xảy ra

Kiểm soát âm:Kiểm soát âm = repressor gắn lên bị trí điều hòa để chặnlại quá trình phiên mã của geneSự có mặt của nhân tố repressor ức chế quá trình phiênmã, sự phiên mã chỉ xảy ra khi repressor bị bất hoạt bởimột inducerCả hai kiểu operon cảm ứng và ức chế, gen đóng khirepressor gắn vào operator của nó. Sự khác biệt đó làcách hoạt động của tác nhân kiểm soát repressor

Kiểm soát dương - Kiểm soát âm

3/9/2009 11

3

Kiểm soát dương: cảm ứng

Phức hợp activator- inducer gắn lênvị trí điều hòaXảy ra sự phiênmã

3/9/2009 13

Kiểm soát dương: ức chế

3/9/2009 14

Phức hợp activator- repressor khôngthể gắn với vị tríđiều hòaKhông phiên mã

Kiểm soát âm: cảm ứng

Khi inducer hiệndiện, repressorkhông thể gắn lênvị trí điều hòaXảy ra sự phiênmã

Allolactose, inducer3/9/2009 15

Kiểm soát âm: ức chế

Phức hợp repressor-corepressor gắn lên vị tríđiều hòaKhông phiên mã

Tryptophan, corepressor

3/9/2009 16

Lactose operonOperon cảm ứng

Lac operon

4

Lac Operon

• Sự biểu hiện của gene là do cảm ứng haytheo chương trình

• Repressor thường được biểu hiện từ geni

• Repressor gắn vào operator để chặn quátrình phiên mã của gene cấu trúc

• Inducer lactose gắn và làm bất hoạtrepressor cho phép khởi đầu quá trìnhphiên mã

Lac Operon

• Lactose operator là một vị trí cần thiết cho sự ứcchế

• Lactose promoter là một vị trí cần thiết cho sựphiên mã

• Lac operon chứa vùng gen cấu trúc liên kết vớigene điều hòa.

Lac Operon

• Cấu trúc các protein của lac operon:

Khi không có lactose (controller), repressorgắn vào operator ức chế quá trình phiên mãbằng cách năng RNA polymerase gắn vàopromoter.

Khi có cơ chất, allolactose (controller), gắn vào phân tửrepressor đang nằm trên vùng operator của gene, khi đórepressor được tách khỏi gen. RNA polymerase có thể gắnvào promoter và gene mã hóa cho ba enzyme cần thiếtcho việc sử dụng lactose được phiên mã.

5

Lac operon• Khi các enzyme được tổng hợp , lactose được sử dụng,

bao gồm cả phân tử allolactose gắn vào repressor. Khiallolactose không còn gắn vào repressor protein,repressor khóa promoter (bằng cách gắn vào operator),làm quá trình phiên mã ngừng. Đây là cơ chế kiểm soátâm, bởi vì promoter bị khóa do operator bị gắn bởirepressor .

• Lactose operon là một ví dụ điều hòa hoạt động của gencảm ứng, bởi vì khi hiện diện cơ chất của con đườngchuyển hóa (metabolic pathway) có thể cảm ứng quátrình tổng hợp enzyme. Bởi vì allolactose cảm ứngphiên mã, lactose operon được gọi là operon cảm ứng( hoặc trong một số trường hợp, gọi là operon được giảiức chế - derepressable operon vì lactose làm ngừnghoạt động của repressor).

Lac operonHoạt động của gen có thể được điều hòa bởi một phân tửactivator. Không có phân tử activator hiện diện, gen đượcphiên mã rất ít.Lac operon cảm ứng hoạt động trong hệ thống hoạt độngsong song với một activator, CRP (cyclic AMP receptorprotein), hay còn gọi CAP (catabolite activator protein) kiểmsoát lượng glucose trong tế bàoMức cAMP nội bào có mối tương quan tỉ lệ nghịch với mứcglucose. cAMP có thể hoạt hóa CRP. CRP là một activatortrong Lac operon và trong một số operon khác (nhưng là mộtrepressor cho chính gene tổng hợp ra nó).Dimer cAMP-CRP với một HTH motif gắn vào DNA tạiupstream của Lac promoter và uốn cong vùng DNA xungquanh nó tạo điều kiện thuận lợi cho khởi sự phiên mã. (CRPmột mình không thể gắn vào DNA.)

Kiểm soát dương của Lac operon

Lac Operon

• Lactose operon có một phần của kiểm soátdương

• Kiểm soát dương của lac operon liên quan đếncAMP-CRP ( cyclic AMP receptor protein) gắnvào promoter để hoạt hóa quá trình phiên mãbởi RNA polymerase

• Phức cAMP-CRP điều hòa hoạt tính của lacoperon

Khi mức glucose trong tế bào xuống thấp, cAMP (cyclic adenosinemonophosphate), một chất truyền tin thứ hai trong việc truyền tínhiệu tế bào tích lũy lại. cAMP gắn vào vị trí allosteric của CRP hìnhthành một phức CRP- cAMP

CRP-cAMP gắn vào vị trí kế lactose operon promoter và nó làm RNApolymerase dễ dàng gắn vào vùng promoter tăng cường việc phiênmã các enzyme lactase (nếu lactose hiện diện sẽ tách phân tửlactose repressor).

6

Tryptophan operonOperon ức chế

Trp Operon

• Trp operon chứa các gen cấu trúc cầnthiết cho quá trình sinh tổng hợptryptophan

• Trp operon hoạt hóa quá trình phiên mãkhi không có sự hiện diện của tryptophan

• Hệ thống ức chế được điều hòa bởi mộtcơ chế kiểm soát ngược âm

Trp Operon

7

Trp Operon

• Trp operon được đóng khi tryptophan gắnvào và làm bất hoạt aporepressor

• Phức hợp tryptophan-repressor gắn vàooperator và ngăn chặn quá trình phiên mãkhi mức tryptophan cao

• Nếu mức tryptophan sụt giảm,phức hợptrp-repressor sẽ tách khỏi operator

Tryptophan, được gọi là corepressor bởi vì nó hoạt động cùng vớiprotein repressor để khóa sự phiên mã, và operon tryptophan làmột operon ức chế (repressible operon). Đây là một cơ chế kiểmsoát âm bởi vì repressor năng chặn quá trình phiên mã

Giảm bớt (Attenuation)

• Attenuation – một hình thức rất nhạy kếthợp với sự điều hòa dịch mã của trpoperon

• Trình tự trp attenuator có chứa một trìnhtự base bổ sung ở đầu 5’ trong mRNA vàcó thể bắt cặp bổ sung tao thành cấu trúcthân (stem) và vòng (loop)

Trp Operon - Giảm bớt(Attenuation)

Giảm bớt (Attenuation)

• Sự giảm bớt là nguyên nhân gây ra kếtthúc phiên mã sớm mRNA vì sự hìnhthành cấu trúc kẹp tóc ngừng phiên mã ởvùng đầu 5’ của mRNA

• Nếu tRNA-trp hiện diện , quá trình tổnghợp peptide leader dẫn tới sự bắt cặp bổsung của mRNA tạo thành cấu trúc ngăncản hoạt động của RNAP

8

Giảm bớt (Attenuation)

• Tại nồng độ thấp của tRNA-trp, ribosomebị trì hoãn, và mRNA được mở vì vậy quátrình phiên mã tiếp tục

• Điều hòa giảm bớt cho phép tế bào đápứng với mức thay đổi của mức tryptophan

9

+ trpDNA

RNACấu trúc ngừngphiên mã

RNA polymerase Ngừngphiên mã

- trp

DNA

RNA

Leader peptide

DNA

RNA

Leader peptide

DNA

RNA

RNA polymerasePhiên mãtiếp tục

Một số Operon điều hòa giảm bớt

Điều hòa từng tầng(CASCADE REGULATION)

Điều hòa từng tầng(CASCADE REGULATION)

• Một cơ chế điều hòa nhanh chóng và tiết kiệm nănglượng ở prokaryote là sử dụng các nhâc tố σ khácnhau.

• Mỗi σ định hướng cho RNA polymerase xác định vàgắn lên promoter. Những promoter này kiểm soátsự biểu hiện của những nhóm genes liên quan đếnmột hoạt động chuyển hóa chuyên biệt của tế bào.

• Sau đây là hai ví dụ về sự điều hòa biểu hiện củagen bằng cách sử dụng các nhân tô sigma khácnhau– Sử dụng luân phiên nhân tố σ bởi E. coli cho sự tự điều

chỉnh thích hợp với môi trường mới– Sử dụng luân phiên nhân tố σ bởi SPO1 bacteriophage

trong suốt quá trình xâm nhiễm

Sử dụng luân phiên nhân tố σ ở E. coli• Ở trạng thái bình thường, RNA polymerase

holoenzyme chứa σ70, nhân tố σ phổ biến nhất, sựnhận biết promoter của các gen cấu trúc hầu hết lànhờ σ70.

• Khi E. coli gặp môi trường shock nhiệt (heat shock)do sự tăng lên đột ngột nhiệt độ của môi trường,một nhân tố σ mới, σ32, được tổng hợp một lượnglớn và thay thế cho σ70 để định hướng cho RNApolymerase gắn vào heat- shock gene promoter. Sảnphẩm biểu hiện của những gen này giúp cho tế bàochống lại những nguy hiểm do shock nhiệt.

• Sự gia tăng hàm lượng σ32 vì :– (1) tăng cường dịch mã mRNA σ32– (2) Sự ổn định của protein σ32.

• Các nhân tố σ cũng được luân phiên sử dụng trongnhững hoàn cảnh môi trường khác nhau để biểuhiện các gen khác nhau

10

Sử dụng luân phiên nhân tố σ bởi SPO1bacteriophage trong quá trình xâm nhiễm

• SPO1 phage xâm nhiễm vào Bacillus subtilis có bước biểu hiện gene– các gen sớm, trung gian và các gene muộn được biểu hiện ở nhữngthời điểm khác nhau của quá trình xâm nhiễm của phage.

• Các gen sớm của phage được biểu hiện bởi RNA polymerase của vikhuẩn với việc sử dụng nhân tố σ của vi khuẩn.

• Một trong những sản phẩm của gene sớm được biểu hiện đó là nhântố σ28 của phage. nhân tố σ28 của phage sẽ thay thế nhân tố σ của vikhuẩn để định hướng RNA polymerase đến các promoter của cácgene trung gian của phage. Trong số sản phẩm của các gene trunggian có một nhân tố σ34. Tới lượt nó, nhân tố σ34 tham gia vào quátrình biểu hiện của các gene muộn của phage.

Kiểm soát phiên mã của virus• Virus sử dụng vật liệu của tế bào chủ để nhân lên, phiên mã và dịch

mã các gene của virus, ngay khi hoạt hóa quá trình này chính lànguyên nhân làm tan tế bào chủ. Phage ôn hòa (temperate phage)được xác định khi provirus tách khỏi DNA tế bào chủ và trờ thànhdạng lytic. Virus sẽ làm ngừng mọi hoạt động phiên mã và dịch mãbộ gen tế bào chủ.

• Kiểm soát di truyền của Lamba () phage ôn hòa đã được nghiêncứu. Phage trở thành dạng lysogenic khi tế bào chủ ở trong mộtmôi trường thuận lợi và chúng có khả năng nhân lên nhanh chóng.Khi tế bào chủ tạo nên nhiều thế hệ mới, mỗi tế bào mang mộtphage . phage trở thành dạng tan khi tế bào chủ yếu đi.

• Hai virus protein, Cro và cI kiểm soát sức khỏe của tế bào chủ.Khi tế bào chủ khỏe, cI protein tích lũy để hoạt hóa chức năng genIysogenic gene và ức chế chức năng gen Iytic. Khi tế bào chủ suyyếu, Cro protein tích lũy, sẽ ức chế chức năng gen Iysogenic vàthúc đẩy hoạt động của gene Iytic. Tỉ lệ của Cro với cI quyết địnhkhi nào l phage sẽ là Iysogenic hay Iytic. Các virus khác có cơchế kiểm soát tương tự.

Kiểm soát phiên mã của virus Kiểm soát phiên mã của virus

Điểu hòa sự biểu hiện của gen ởProkaryote ở mức độ dịch mã

DNA → mRNA → Protein

Điều hòa sự biểu hiện của gen ởProkaryote ở mức độ dịch mã

• Ở prokaryotes, kiểm soát sự biểu hiện củagen ở mức độ dịch mã dựa vào các cơ chếsau :

• 1. Hiệu suất khởi đầu dịch mã khác nhau donhững trính tự xung quanh start codon AUG

• 2. Hiệu suất kéo dài dịch mã khác nhau doviệc hình thành cấu trúc thứ cấp trên mRNA

• 3. Tốc độ phân rã của các mRNA là khácnhau