Đề tài Điều hòa biểu hiện gen

ững cơ thể đơn bào, sống tự do, sinh trưởng và phân chia trong điều kiện thích hợp và được cung cấp đấy đủ chất dinh dưỡng Eukaryote :cấu trúc phức tạp, có màng nhân ngăn cách giữa nhân với tế bào chất . Sự điều hòa biểu hiện gen xãy ra ở nhiều mức độ khác nhau: phiên mã, biến đổi sau sau phiên mã, dịch mã, biến đổi sau dịch mã.Eukaryote là những cơ thể đa bào. Tế bào eukaryote ít chịu ảnh hưởng của môi trường.. Prokaryote và EukaryoteA.SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN Ở PROKARYOTE: Có 2 đặc điểm: - Có khả năng nhận biết các điều kiện trong môi trường. - Có khả năng tắt hoặc mở sự phiên mã của mỗi gen chuyên biệt hoặc các nhóm gen.Cơ chế phân tử cho mỗi mô hình điều hòa hoàn toàn khác nhau, nhưng thường theo một trong hai kiểu chính: - Điều hòa âm tính:liên kết với protein ức chế ngăn cản quá trình phiên mã. - Điều hòa dương tính: liên kết với protein hoạt hoán khởi động quá trình phiên mã.-> Điều hòa âm tính phổ biến phổ biến cho prokaryote, trong khi điều hòa dương tính lại phổ biến cho eukaryote.Mô hình điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote:Operon cảm ứng: - operon lac. - operon arabinose.Operon kìm hãm. operon tryptophan.operon là gì? C¸c gen cÊu tróc liªn quan vÒ chøc năng th­êng ph©n bè liÒn nhau thµnh côm vµ cã chung mét c¬ chÕ ®iÒu hoµ ®­îc gäi lµ Opªron. Nhiễm sắc thể E. coli với vị trí tương đối của các operon khác nhau. Sơ đồ cấu trúc của operon lac:Gồm: - Gen cấu trúc ( Z, Y, A ): tổng hợp enzim để phân giải lactozo - Vùng vận hành (O): chứa protein ức chế quá trình phiên mã. - Vùng khởi động (P): nơi mARN polymeraza bám vào và khởi động phiên mã. - Gen điều hòa (R): tạo protein ức chế và liên kết với vùng vận hành ngăn cản quá trình phiên mã. Gen này không nằm trong cấu trúc của operon lac.PRP0ZYAGen ®iÒu hoµOpªron Lac(A). bản đồ của operon lac.(B). sơ đồ của operon lac ở trạng thái bị kìm hãm.(C). sơ đồ của operon lac ở trạng thái được kích thích.A.1.Sự điều hòa hoạt động của operon lac:Khi môi trường có chứa lactozo: gen điều hòa tổng hợp protein ức chế liên kết với vùng vận hành ngăn cản quá trình phiên mã.Khi môi trường có lactozo: lactozo liên kết với protein ức chế nên ARN polymeraza liên kết được với vùng khởi động để tiến hành phiên mã.Trong phiên mã các mARN của các gen cấu trúc tạo ra các enzim phân giải đường lactozo.A.2.Điều hòa âm ở tryptophane operon: -Tryptophane trong tế bào được tổng hợp bởi sự tham gia của 5 loại enzyme xúc tác. - Nếu tế bào được nuôi trong môi trườn có trytophane thì tryptophane trở thành một chất đồng ức chế, gắn vào repressor khiến cho repressor hoạt động, ngăn cản quá trình phiên mã tạo các enzyme để tổng hợp tryptophane. - Khi trong tế bào thiếu tryptophane thì repressor trở nên bất hoạt, quá trình phiên mã diễn ra, các enzyme xúc tác quá trình tổng hợp tryptophan được tổng hợp.A.3.Điều hòa dương operon lac: - Xảy ra khi cả glucose và lactose cùng tồn tại. Khi đó việc tổng hợp enzyme phân hủy lactose bị glucose ức chế. Khi đó cần một cơ chế điều hòa khác. - Nồng độ glucose điều hòa nồng độ của cAMP(những phân tử nhỏ adenosine monophosphate vòng, được tổng hợp bởi enzymee adenyl cyclase), và nồng độ cAMP lại điều hòa hoạt tính của lac operon. - Khi nồng độ glucose cao thì nồng độ của cAMP ở mức thấp. Khi nồng độ glucose rất thấp thì nồng độ cAMP tăng cao.- cAMP được nhận bởi protein CAP(cyclic AMP receptor protein). Phức hợp cAMP-CAP gắn vào vị trí có tên CAP trên operon kích thích RNA-polymerase gắn chặt hơn vào operon và thực hiện phiên mã để tổngBốn trạng thái điều hòa của operon lacPhiên mã dở (Attenuation).Kiểu điều hòa thứ hai được phát hiện ở operon tryptophan được gọi là attenuation. Attenuation là kết quả sự tương tác giữa các trình tự DNA trong vùng leader  của  bản  phiên  mã  trp. Trình tự leader có các đặc điểm: Một vùng có codon AUG và phía sau là codon kết thúc UGA, mã hóa cho một polypeptide chứa 14 amino acid được gọi là leader polypeptide. Hai  codon  tryptophan  ở  vị  trí  10  và  11  trên  mRNA  của  leader polypeptide. Trình tự lặp lại ngắn này có ý nghĩa trọng điều hòa. Bốn đoạn của RNA leader là vùng 1, 2, 3 và 4 tạo thành do khả năng kết cặp của các base với nhau. Các base ở vùng 1 kết cặp với vùng 2, vùng 3 kết cặp với vùng 4 A. Sơ đồ phiên mã của leader trp.B. Chi tiết cấu trúc của 2 codon trp ở vòng 1-2 Attenuation là cơ chế điều hòa tinh tế trên cơ sở điều hòa âm tính: Khi  tRNAtrp đến đủ cung cấp cho sự dịch mã leader polypeptide , sự phiên mã  bị dừng,  các trp enzyme không được tổng hợp. Khi nồng độ tRNAtrp quá thấp, sự phiên mã xảy ra cho đến hết, các trpenzyme được tạo nên. Điều hòa kiểu attenuation không thể xảy ra ở eukaryote vì ở eukaryote sự phiên mã và dịch mã không xảy ra đồng thời. Sự phiên mã xảy ra trong nhân, còn sự dịch mã xảy ra ở tế bào chất. Điều hòa ở operon lac và operon trp là ví dụ về một trong số các cơ chế quan trọng điều hòa hoạt động gene ở mức phiên mã  của prokaryote. B.Sự điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote:Điều  hòa  hoạt  động  gene  ở  eukaryote  phức  tạp  hơn  nhiều  so  với prokaryote.Lý do dẫn đến sự khác biệt: Ở Eukaryote, TB không tiếp xúc với môi trường 1 cách trực tiếp Cấu trúc TB Eukaryote và TB Prokaryote khác nhau nhiều: Eukaryote có vỏ nhân: có phiên mã, giải mã.NST = ADN + histon.NST xoắn vặn -> tháo xoắn.Cấu tạo gen phức tạp hơn.Quá trình điều hòa gồm 6 bước: Phiên mã.Cắt bỏ intron, nối exon ( spling).ARN thông tin gắn với một số protein đặc hiệu xuyên qua lỗ nhân ra bào tương.Hủy các mARN không được dùng để dịch mã.Dịch mã, tổng hợp protein.Sự trưởng thành của protein.1. Phiên mã ( transcription)Định nghĩa: Phiên mã là quá trình chuyển thông tin di truyền từ AND sang mARN. AND làm khuôn trực tiếp để tổng hợp ra protein mà thông qua trung gian là mARN.Đặc điểm: - Chỉ có 1 trong 2 mạch phân tử AND được dùng làm khuôn để tộng hợp ARN theo nguyên tắc bổ sung A=U, G=X. mARN chứa thông tin của một gen. - ARN-polymerase bám vào AND làm tách mạch và di chuyển theo hướng 3’-5’ trên mạch khuôn AND, để ARN được tổng hợp theo hướng 5’-3’.Diễn biến quá trình phiên mã:Các nhân tố tham gia:Enzim: cần nhiều enzim khác nhau, và các yếu tố trợ giúp. Vai trò chính là của ARN polimeraza (ARN pol) Khuôn: 1 mạch của ADN. Chiều tổng hợp mạch mới từ 5'-3'. TFIIE cho phép khởi động sự phiên mã.Nguyên liệu: Các riboNu và nguồn cung cấp năng lượng (ATP, UTP, GTP...) Diễn biếna. Mở đầu: ARN pol nhận biết điểm khởi đầu phiên mã.ADN tháo xoắn, tách mạch tại vị trí khởi đầu phiên mã. Các riboNu tới vị trí ADN tách mạch, liên kết với ADN mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung, cụ thể: A (ADN) liên kết với U môi trường (mt)T (ADN) liên kết với A mtG (ADN) liên kết với X mtX (ADN) liên kết với G mt Hình thành liên kết photphođieste giữa các riboNu -> tạo mạch.b. Giai đoạn kéo dài: ARN pol di chuyển trên mạch gốc theo chiều 3'-5', cứ như thế, các riboNu liên kết tạo thành phân tử ARN. ARN tách dần khỏi mạch ADN, 2 mạch ADN sau khi ARN pol đi qua lại liên kết trở lại. c. Gian đoạn kết thúc:Nhờ tín hiệu kết thúc, ARN pol kết thúc việc tổng hợp ARN, rời khỏi ADN.d. Gắn chóp và thêm đuôi poly A:Khi mạch mARN dài độ 20-30 ribonu. Đầu 5’ nối thêm chất 7-methylguanylate. Chất này giúp ổn định mARN, bảo vệ chống lại sự phân hủy và giúp riboxom nhận biết mARN.Khi mạch mARN tách khỏi AND , poly A polymerase (PAP) cắt đứt đoạn ARN nối với các nhân tố, đồng thời gắn thêm vào đầu 3’ chừng 200-250A.2.Cắt bỏ intron, nối exon SplicingCắt rời các intron và nối các exon lại với nhau nhờ splicesome (gồm snRNP và các protein).Hai nu đầu tiên GU ở đầu 5’ và AG ở đầu 3’ của mỗi intron là vị trí nhận biết để cắt intron ra khỏi phân tử tiền mARN.Có 3 bước cơ bản: - Cắt tại biên giới exon-intron tại đầu 5’ + U1, U2 bám vào đầu 5’ của intron, tiếp xúc với A. + U4, U5, U6 đến gắn vào tạo thành splicesome, cắt đầu 5’-ribonu 5’G ở đầu intron vừa bị cắt liên kết với 2’ OH của A nằm gần vị trí cắt 3’ khoảng 20-50 ribonu tạo hình thòng lọng. - Cắt tại biên giới exon-intron tại đầu 3’, intron bị loại ra và 2 exon được nối với nhau.Ví dụ quá trình splicing khác nhau xảy ra ở tế bào tuyến nước bọt và tế bào gan của chuột 3.mARN xuyên qua lỗ nhân ra bào tương mARN gắn với 1 số protein đặc hiệu hnRNP, nhận diện lỗ nhân nhờ các thụ thể bên trong màng nhân, xuyên màng nhân ra ngoài tương theo hướng 5’-3’.4.Hủy mARN ( nếu mARN không được dịch mã)Nếu mARN không được dịch mã, tức không có quá trình tổng hợp protein, thì dưới tác dụng của ribonuclease, sẽ phân hủy phân tử mARN này.5.Dịch mã, tổng hợp protein (protein synthesis)Dịch mã là quá trình giải mã thông tin di truyền từ mARN để tạo thành protein tương ứng.Ngoài mARN thì 2 nhân tố quan trọng khác tham gia quá trình dịch mã là riboxom và ARN vận chuyển.Riboxom có 2 đơn vị dưới là đơn vị dưới lớn 60s và đơn vị dưới bé 40s.Trên 2 đơn vị dưới: lớn và bé đều có 3 vị trí ký hiệu là A, P và E. A(aminoacyl) là nơi tARN mang acid amin đến. P(peptidyl) là nơi hình thành liên kết peptid. E(exit) là nơi tARN rời khỏi riboxom.ARN vận chuyển:+ đầu 3’ có bộ ba CCA.+ đầu DHU- chứa dihydrouridine.+ đầu 5’ được phosphorine hóa.+ đầu TpsiC chứa bộ ba T-Psi-C.+ anticodon chứa bộ ba đối mã, đặc hiệu cho acid amin nó mang.Sơ đồ quá trình dịch mã:Quá trình tổng hợp riboxom6. Sự trưởng thành của phân tử protein:Protein sau khi được tổng hợp sẽ được gắn thêm một số chức hóa học như acetat, photphat, lập cầu nối disulfide hoặc cắt bỏ 1 đoạn peptit ở giữa protein.III.Ví dụ một số biểu hiện genNhững tế bào cơ và tế bào gan chứa những gen như nhau, nhưng chức năng của những tế bào này không được quyết định bằng những khác nhau trong hệ gen của chúng mà được quyết định bằng những mô hình điều hòa biểu hiện gen – chi phối sự phát triển và biệt hóa.IV. Kết luận: Hoạt động của một tế bào không chỉ được quyết định bởi sự có mặt của những gen nó được kế thừa mà còn do sự biểu hiện của những gen đó như thế nào trong tế bào và đối với môi trường sống. Sự điều hòa biểu hiện gen cho phép các tế bào thích ứng linh hoạt với những thay đổi của môi trường sống và phù hợp với những hoạt động khác nhau của các loại tế bào khác nhau.