Bài giảng Sinh học đại cương A1 - Chương 10: Điều hòa sự biểu hiện của gen

chất cảm ứng 
 Chất ức chế gắn bị bất hoạt, không thể gắn vào 
vùng vận hành
 ARN polymerase có thể gắn vào vùng khởi động
 Các gen cấu trúc phiên mã
(b) Có lactose present, chất ức chế bất hoạt , operon mở
mARN
Protein
DNA
mARN 5
Chất ức chế 
bất hoạt
Allolactose
(chất cảm ứng)
5
3
ARN
polymerase
Permease Transacetylase
lac operon
 -Galactosidase
lacYlacZ lacAlacI
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Trp operon
• Trp operon là một operon ức chế, có các gen mã hóa
cho các enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp
tryptophan từ acid chorismic.
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Môi trường không có tryptophan → gen “mở”
• Bình thường, khi môi trường thiếu tryptophan, trp
operon “mở” do protein ức chế (được tổng hợp từ
gen điều hòa) ở dạng bất hoạt → các gen cấu trúc
phiên mãi
• Khi có tryptophan, nó sẽ gắn vào protein ức chế → 
protein hoạt động → operon bị “đóng” 
• Vì chất ức chế chỉ hoạt động khi có tryptophan → 
trp opẻon bị “đóng” nên tryptophan được gọi là
chất đồng ức chế (corepressor)
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Các enzyme cần cho sự tổng hợp 
tryptophan
(a) Không có Tryptophan, chất ức chế bất hoạt, operon mở
ADN
mARN 5
Protein Chất ức chế 
bất hoạt
ARN
polymerase
Gen 
điều hòa
Promoter
trp operon
Các gen cấu trúc
Vùng vận hành
mARN
trpA
5
3
trpR trpE trpD trpC trpB
ABCDE
4Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
(b) Có Tryptophan, chất ức chế hoạt động, operon đóng
Tryptophan
(corepressor)
Không tổng hợp 
ARN
Chất ức chế 
hoạt động
mARN
Protein
ADN
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Tryptophan
(corepressor)
mARN
Protein
ADN
Không tổng hợp 
ARN
(b) Có Tryptophan, chất ức chế hoạt động, operon đóng
Chất ức chế 
hoạt động
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
• Các enzyme cảm ứng thường có vai trò trong con 
đường dị hóa; sự tổng hợp chúng được cảm ứng
bởi một tín hiệu hóa học
• Các enzyme ức chế thường có vai trò trong con 
đường đồng hóa; sự tổng hợp chúng bị ức chế khi
lượng sản phẩm tạo ra nhiều.
• Sự điều hòa của trp và lac operons đều là sự kiểm
soát âm tính của gen vì các operon luôn bị “đóng” 
khi chất ức chế hoạt động
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Kiểm soát dương tính
• Một số operon được kiểm soát dương tính nhờ một
protein kích hoạt, chẳng hạn như catabolite
activator protein (CAP), một chất hoạt hóa
(activator) của sự phiên mã
• Khi glucose (một nguồn thức ăn ưa thích của E. 
coli) trong môi trường rất ít, CAP được hoạt hóa
bằng cách gắn với AMP vòng (cyclic AMP)
• CAP đã kích hoạt sẽ gắn vào vùng hoạt hóa (phía
trước vùng khởi động) của lac operon và làm tăng
ái lực của RNA polymerase → tốc độ phiên mã
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
• Khi lượng glucose trong môi trường tăng, CAP 
tách khỏi lac operon, và tốc độ phiên mã trở lại
bình thường
• CAP giúp điều hòa các operon khác mã hóa cho
các enzymes được dùng trong con đường dị hóa
(b) Có lactose, nhiều glucose (cAMP ít): lac mARN được tổng hợp ít
cAMP
ADN
Chất ức chế 
bất hoạt
Allolactose
CAP bất 
hoạt
lacI
Vị trí gắn CAP
Promoter
CAP 
hoạt 
động
Vùng vận hành
lacZ
ARN
Polymerase
gắn vào và 
phiên mã
lacZ
Promoter
ADN lacI
ARN
polymerase gắn 
lỏng lẽo
(a) Có lactose, ít glucose (cAMP nhiều): lac mARN được tổng hợp nhiều
Vùng vận hành
Chất ức chế 
bất hoạt
CAP bất 
hoạt
Vị trí gắn CAP
5Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Điều hòa sự biểu hiện gen ở TB chân hạch
• Ở sinh vật đa bào, sự biểu hiện gen rất cần cho sự 
biệt hóa tế bào.
• Tất cả các tế bào trong cơ thể đều có kiểu di truyền 
giống nhau. Sự khác biệt giữa các tế bào chính là 
do sự biểu hiện khác nhau.
• Những sai sót trong sự biểu hiện gen có thể dẫn 
đến một số bệnh như ung thư
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
• Sự biểu hiện của gen được điều hòa ở nhiều mức:
– Trước phiên mã
– Phiên mã
– Sau phiên mã
ADN
Tín hiệu
Gene
NHÂN
Biến đổi chromatin
Chromatin
Exon
Intron
Đuôi
ARN
Mũ
Biến đổi sau phiên mã
ARN sơ cấp
mARN chức năng
đi vào tế bào chất
TẾ BÀO CHẤT
Phiên mã
mARN
Giải mã
TẾ BÀO CHẤT
mARN 
bị phân hủy
Biến đổi protein
Polypeptide
Protein chức năng
Chuyển đến các nơi 
trong tế bào
Protein
bị phân hủy
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Điều hòa trước phiên mã
• Chủ yếu là điều hòa cấu trúc của chất nhiễm sắc 
(chromatin)
• Trong vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) là nơi 
chất nhiễm sắc đóng xoắn chặc, các gen thường 
không biểu hiện
• Sự biến đổi hóa học của các histone và ADN của 
chromatin có ảnh hưởng đến cấu trúc của 
chromatin và sự biểu hiện của gen
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Sự biến đổi Histone 
• Acetyl hóa histone (histone acetylation): 
– nhóm acetyl được gắn vào lysine tích điện 
dương trong đuôi histone → chromatin tháo 
xoắn → phiên mã
• Methyl hóa (methylation) & Phosphoryl hóa:
– nhóm methyl được gắn vào chromatin. Sự gắn 
thêm nhóm phosphate gần các acid amin bị 
methyl hóa sẽ làm cho chromatin tháo xoắn
6Đuôi 
Histone
ADN
(a) Đuôi histone đưa ra từ một nucleosome
Histone bị acetyl hóa
Các acid 
amin có thể 
bị biến đổi
(b) Acetyl hóa histone làm chromatin tháo xoắn
Không bị acetyl hóa 
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Sự methyl hóa ADN
• Ở một số loài, sự gắn nhóm methyl vào các 
nucleotide xác định có thể làm giảm sự phiên mã
• Sự methyl hóa ADN có thể làm gen bất hoạt một 
thời gian dài trong sự biệt hóa tế bào
• Trong sự ghi dấu bộ gen (genomic imprinting) sự 
methyl hóa điều hòa sự biểu hiện của một số gen 
xác định nhận từ cha hoặc mẹ trong giai đoạn đầu 
của sự phát triển
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Sự di truyền biểu sinh
• Mặc dù những biến đổi của chromatin vừa được đề 
cập không làm thay đổi trình tự các nucleotide của 
ADN nhưng chúng vẫn được di truyền lại cho các 
thế hệ tế bào tiếp theo
• Sự di truyền của các tính trạng do các cơ chế 
không bao gồm trình tự của nucleotide được gọi là 
sự di truyền biểu sinh hay sự di truyền hậu thành 
(epigenetic inheritance)
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Điều hòa phiên mã
• Các enzyme làm biến đổi chromatin có vai trò 
kiểm soát bằng cách làm cho một vùng của ADN 
có khả năng gắn chặc hoặc lỏng lẽo với bộ máy 
phiên mã
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Tổ chức của một gen tiêu biểu ở TB chân hạch
• Có quan hệ với hầu hết các gen ở TB chân hạch là 
yếu tố kiểm soát (control elements). Đây là một 
đoạn ADN không mã hóa giúp điều hòa sự phiên 
mã bằng cách gắn với các protein xác định
• Yếu tố kiểm soát cùng với các protein gắn vào có 
vai trò kiểm soát chính xác sự điều hòa biểu hiện 
của gen ở những loại TB khác nhau
Vùng tăng cường
(yếu tố kiểm soát từ xa)
Yếu tố kiểm soát 
gần
Poly-A
Vùng kết thúc
Xuôi chiều
Promoter
Ngược chiều
ADN
ExonExon ExonIntron Intron
7Exon Exon ExonIntronIntron
Cắt đầu 3ARN sơ cấp
Poly-A
Phiên mã
5
Vùng tăng cường
(yếu tố kiểm soát từ xa)
Yếu tố kiểm soát 
gần
Poly-A
Vùng kết thúc
Xuôi chiều
Promoter
Ngược chiều
ADN
ExonExon ExonIntron Intron
Biến đổi ARN
Intron 
Vùng mã hóa
mRNA
5 Mũ 5 UTR
Start
codon
Stop
codon 3 UTR Poly-A
3
Exon Exon ExonIntronIntron
Cắt đầu 3ARN sơ cấp
Poly-A
Phiên mã
5
Vùng tăng cường
(yếu tố kiểm soát từ xa)
Yếu tố kiểm soát 
gần
Poly-A
Vùng kết thúc
Xuôi chiều
Promoter
Ngược chiều
ADN
ExonExon ExonIntron Intron
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Vai trò của các nhân tố phiên mã
• Để khởi đầu sự phiên mã ở tế bào chân hạch, ARN 
polymerase cần được sự hỗ trợ của các protein gọi 
là nhân tố phiên mã (TF = transcription factor)
• Các nhân tố phiên mã chung cần cho sự phiên mã 
của tất cả các gen mã hóa protein
• Ở tế bào chân hạch, tốc độ phiên mã tùy thuộc vào 
sự tương tác giữa các yếu tố kiểm soát và các nhân 
tố phiên mã đặc trưng
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Vùng tăng cường và các TF đặc trưng
• Các yếu tố kiểm soát gần nằm cạnh vùng khởi 
động
• Các yếu tố kiểm soát từ xa, còn được gọi là vùng 
tăng cường (enhancers), nằm cách gen rất xa, 
thậm chí có thể nằm trong một intron
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
• Chất hoạt hóa (activator) là một protein gắn vào 
vùng tăng cường và làm tăng tốc độ phiên mã của 
một gen
• Sự gắn của chất hoạt hóa làm cho các protein điều 
hòa tương tác với các protein tại vùng khởi động
Vùng tăng cường Hộp TATA
PromoterChất hoạt hóa
ADN
Gene
8Các protein điều hòa
Protein uốn 
cong ADN
Các TF chung
Vùng tăng cường Hộp TATA
PromoterChất hoạt hóa
ADN
Gene
ARN
polymerase II
ARN
polymerase II
Phức hệ 
khởi đầu phiên mã Tổng hợp ARN
Các protein điều hòa
Protein uốn 
cong ADN
Các TF chung
Vùng tăng cường Hộp TATA
PromoterChất hoạt hóa
ADN
Gene
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Kiểm soát sau phiên mã
• Chỉ một mình sự phiên mã chưa đủ cho sự biểu 
hiện của gen
• Các cơ chế điều hòa có thể tác động vào những 
giai đoạn khác nhau sau khi phiên mã
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Biến đổi ARN & phân hủy ARN
• Sau khi được phiên mã, nhiều loại mARN khác 
nhau có thể được tạo ra từ cùng một bản phiên mã 
sơ cấp, tùy thuộc vào những đoạn nào của ARN 
được xử lý như là các intron hay exon.
• Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, các mARN thường bị 
phân hủy. Đời sống của các ARN ở TB chân hạch 
dài hơn ở TB sơ hạch.
hoặc
RNA splicing
mARN
ARN
sơ cấp
Gen Troponin T
Exons
ADN
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Kiểm soát giải mã
• Sự giải mã của một mARN có thể bị ngừng lại do 
sự gắn các protein điều hòa vào một trình tự trên 
ARN
9Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Biến đổi và phân hủy protein
• Sau khi giải mã, việc tạo thành các loại protein 
chức năng khác nhau cũng được kiểm soát bằng 
cách cắt bỏ một số đoạn hoặc thêm vào các nhóm 
chất hóa học
• Tốc độ phân hủy của các protein khác nhau nhờ sự 
kiểm soát của các phức hệ gọi là proteasome
Proteasome
và ubiquitin
được tái tạoProteasome
Protein
đã bị cắt
Protein đi vào một
proteasome
Protein bị 
phân hủy
Ubiquitin