Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA SINH HỌC  TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: SINH HỌC PHÂN TỬ ĐỀ TÀI: SỰ ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GEN Ở SINH VẬT Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Bá Lộc Học viên: Lê Hà Quý Tâm Chuyên ngành: LLvàPPDH Sinh học Khoá: 22 Lê Hà Quý Tâm 1 Huế, 1/2014 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật MỤC LỤC Trang Phần I: Mở đầu 4 I. Đặt vấn đề 4 II. Mục đích nghiên cứu 4 III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 II. Phương pháp thực hiện đề tài 5 Phần II: Nội dung 6 I. Các hiện tượng điều hòa 6 I.1. Điều hòa thích nghi 6 I.2. Hoạt động nối tiếp của các gen 6 I.3. Biệt hóa tế bào 6 II. Các mức độ điều hòa 7 II.1. Mức độ chất nhiễm sắc 7 II.2. Mức độ phiên mã 7 II.3. Mức độ hậu phiên mã 7 II.4. Mức độ dịch mã 8 II.5. Mức độ hậu dịch mã 8 III. Điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote III.1. Cấu trúc của promoter 9 III.2. Cấu trúc của operon 10 III.3. Điều hòa thoái dưỡng: Kiểm soát âm-cảm ứng 11 III.3.1. Cấu trúc của operon lactose 12 III.3.2. Hoạt động của hệ thống 12 III. Điều hòa biến dưỡng: Kiểm soát âm-ức chế 14 III.1. Cấu trúc và hoạt động Lê Hà Quý Tâm 2 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật 14 III.2. Sự suy yếu (attenuation) 15 III.5. Kiểm soát dương và cảm ứng 17 IV. Điều hòa hoạt tính của eukaryote IV.1. Các promoter 19 IV.2. Các enhancer 19 IV.3. Các protein là nhân tố có tác động trans 19 IV.4. Hormone 21 IV.5. Kiểm soát các chất thường gặp trong nhân 22 IV.5.1. Sự phong phú 22 IV.5.2. Sự khuếch đại gen 22 V. Sự biệt hóa tế bào V.1. Các tế bào biệt hóa mang thông tin giống nhau 23 V.2. Các tế bào biệt hóa tổng hợp các nhóm protein khác nhau 23 Lê Hà Quý Tâm 3 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật V.3. Sự điều hòa ở mức phiên mã là nguồn gốc căn bản của các sai khác giữa những tế bào biệt hóa 25 VI. Nhận xét về điều hòa ở prokaryote và eukaryote VI.1. Sự biểu hiện của gen ở prokaryote 27 VI.2. Sự biểu hiện của gen ở eukaryote 27 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ I. Kết luận 30 II. Kiến nghị 31 Tài liệu tham khảo 32 Lê Hà Quý Tâm 4 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề Ở mỗi loài sinh vật vào một thời điểm nhất định không phải tất cả các gen đều được biểu hiện. Sự điều hoà hoạt động của gen có xu hướng giúp tế bào chỉ tổng hợp các protein và enzym cần thiết cho sự sống của chúng vào từng thời điểm, mà không tổng hợp các sản phẩm không có nhu cầu. Điều này đảm bảo cho hệ thống sống sử dụng năng lượng một cách có hiệu quả. Để tế bào hoạt động được thì cần một số quá trình thiết yếu như: tự nhân đôi, phiên mã, dịch mã… Tuy nhiên, tế bào không thể tồn tại độc lập, tách rời môi trường xung quanh. Sự trao đổi liên tục giữa tế bào với môi trường ngoài là một trong những đặc trưng cơ bản của cơ thể sống. Đối với tế bào của prokaryote, môi trường này là tập hợp các nhân tố lý, hoá xung quanh tế bào. Còn đối với eukaryote thì đó là tập hợp các tế bào lân cận. Do đó, ở prokaryote đã có một khả năng thích ứng với các điều kiện của môi trường thường xuyên biến đổi. Sự thích ứng đó phụ thuộc vào khả năng “bật” và “tắt” và “sự điều chỉnh” sự biểu hiện của tập hợp các gen nhằm đáp ứng các thay đổi của môi trường. Ở eukaryote, sự điều hoà hoạt động của gen không chỉ là sự đáp ứng với sự thay đổi của các điều kiện môi trường mà còn gắn với nhiều hoạt động sống quan trọng khác như sự biệt hoá tế bào, sự phát triển của cơ thể. Sự biển hiện gen ở eukaryote được biểu hiện ở nhiều mức độ khác nhau từ trước dịch mã, sau dịch mã và dịch mã. Nghiên cứu sự điều hòa biểu hiện của gen là một nội dung quan trọng nhằm giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các yếu tố tác động và cơ chế biểu hiện của gen. Và hơn thế nữa để tạo cơ sở cho việc chẩn đoán trong y học, trong kỹ nghệ dược phẩm, trong nông nghiệp đáp ứng nhu cầu của con người. Xuất phát từ mục đích đó tôi chọn đề tài tiểu luận về: “Sự điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật” để nghiên cứu. II. Mục đích nghiên cứu: - Làm rõ một số cơ chế, quá trình điều hoà sự biểu hiện của gen ở sinh vật. Có cái nhìn tổng thể về sự biểu hiện của gen trong mối quan hệ so sánh vấn đề này ở procaryot và eucaryot. - Làm quen dần với phương pháp nghiên cứu đề tài bằng lý thuyết, biết cách đọc và xử lý số liệu Tạo tiền đề cho việc nghiên cứu các đề tài sâu hơn. Lê Hà Quý Tâm 5 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Sinh vật prokaryote và sinh vật eukaryote. Phạm vi nghiên cứu: chỉ nghiên cứu sự điều hòa biểu hiện của gen. IV. Phương pháp thực hiện đề tài: Sưu tầm, phân tích, tổng hợp tài liệu từ nhiều nguồn như giáo trình, bài giảng, tạp chí khoa học, đời sống, internet,… các tài liệu, tranh ảnh sưu tập được chúng tôi đã tiến hành so sánh, đối chiếu để đảm bảo tính chính xác. Lê Hà Quý Tâm 6 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật PHẦN II: NỘI DUNG I. Các hiện tượng điều hoà. Để duy trì nội cân bằng (homeostasis) và sự phát triển của cơ thể, các sinh vật đã có các cơ chế điều hòa khác nhau. Các kiểu điều hòa đều bắt nguồn từ sự biểu hiện của các gen. I.1. Điều hòa thích nghi. Một số amip (ameba) biểu hiện sự thay đổi hình thái và sinh lý đặc biệt để đáp lại các điều kiện môi trường khác nhau. Khi các amip được cho vào nước, chúng chuyển từ dạng amip sang dạng có lông để bơi. Khi môi trường thiếu dinh dưỡng chúng có thể chuyển 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 amino acid. Lúc nguồn amino acid từ ngoài bổ sung vào đã hết, tế bào vi khuẩn lại tự tổng hợp lại amino acid cho bản thân. Các biến đổi nêu trên là thuận nghịch, chứng tỏ sự thay đổi chức năng ở đây không phải do biến dị di truyền. Các hiện tượng trên còn cho thấy việc xuất hiện hay biến mất các cấu trúc mới không làm ảnh hưởng đến tiềm năng di truyền sẵn có. Có thể cho rằng, có trường hợp một số gen hoạt động, nhưng cũng có trường hợp một số gen ngừng biểu hiện. Các hiện tượng được đề cập trên đều do cơ chế điều hòa thích nghi (adaptive regulation) chi phối. I.2. Hoạt động nối tiếp của các gen. Khi bacteriophage xâm nhiễm vi khuẩn, DNA của nó lúc đầu sẽ tái bản, sau đó các protein khác nhau mới được tổng hợp nên để tạo thành vỏ. Như vậy, có các gen “sớm” tạo ra enzyme tái bản DNA và các gen “muộn” xác định các thành phần vỏ protein. Điều đó 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 còn thể hiện rõ trong quá trình phát triển cá thể của các sinh vật eukaryote đa bào. I.3. Biệt hóa tế bào. Nhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiều tỷ tế bào bắt nguồn từ một hợp tử do phân chia nguyên nhiễm. Từ một hợp tử ban đầu đến khi trưởng thành, cơ thể người có khoảng 200 loại tế bào khác nhau. Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin của mình. Quá trình chuyên môn hóa chức năng của tế bào được gọi là sự biệt hóa hay phân 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 Lê Hà Quý Tâm 7 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật culture): người ta có thể nuôi cấy một phần mô phân sinh trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp cho đến khi chúng phát triển thành cây in vitro hoàn chỉnh (plantlet), các cây này sau đó được đưa ra trồng trong điều kiện tự nhiên và đã ra hoa kết quả. II. Các mức độ điều hòa. Các cơ chế điều hòa sự biểu hiện của gen có thể tác động ở một hay nhiều mức độ khác nhau. Sự điều hòa có thể xảy ra ở mức độ gen bằng sự kiểm soát thời gian và tốc độ phiên mã. Các cơ chế khác có thể hoạt động lúc dịch mã hoặc sau dịch mã. II.1. Mức độ chất nhiễm sắc. Ngay trên chất nhiễm sắc có thể thực hiện các kiểu sau: - DNase cắt một số vùng trên genome làm tháo xoắn để các gen biểu hiện. Hai vùng 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 đã qua biểu hiện rồi (như các gen hoạt động ở phôi). Các vùng siêu nhạy cảm liên quan đến các gen có hoạt tính rất cao (như các gen histone). - DNA Z (DNA 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 A và C, còn ở eukaryote sự methyl hóa chỉ thực hiện với C vị trí thứ 5. Methyl hóa làm gen ngừng hoạt động. Ví dụ: nhiễm sắc thể X bất hoạt ở người thuộc loại siêu methyl hóa. Nói chung, sự thay đổi cấu hình (reconfiguration) có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen. II.2. Mức độ phiên mã. Đây là sự điều hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen. Kiểu điều hòa 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 DNA như enhancer (vùng tăng cường) làm tăng sự phiên mã. - Điều hòa bởi các nhân tố trans (cách quãng, từ xa) do các nhân tố không nằm cùng trên một mạch DNA. - Chọn lựa promoter thích hợp. - Sự suy yếu/suy thoái. II.3. Mức độ hậu phiên mã. Lê Hà Quý Tâm 8 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật mARN vừa được phiên mã không được dịch mã ngay mà còn phải trải qua một giai đoạn "trưởng thành". Ở giai đoạn này tồn tại nhiều cơ chế cho phép điều hòa tính chất cũng như số lượng, số loại mARN sẽ được dịch mã: cắt nối khác nhau, điểm poliadenin hóa khác nhau, sự bảo tồn ARN trong tế bào * Hiện tượng ghép - nối khác nhau (alteARNtive splicing) Hê thống loại bỏ intron và nối exon của tiền mARN để hình thành mARN trưởng thành khác nhau tùy từng loại tế bào, mô. Việc ghép nối khác biệt các êxon dẫn đến sự hình thành các mARN khác nhau. Thông thường các mARN này mã hóa cho các prôtêin có chức năng tương tự, nhưng đôi khi chúng lại có chức năng hoàn toàn khác nhau. * Điều hòa biểu hiện gen bằng cách tăng giảm thời gian sống của các mARN. Kiểu điều hòa này mang tính số lượng, mARN càng tồn tại lâu trong tế bào thì càng được dịch mã thành nhiều prôtêin. Hiện tượng này thấy rỗ trong trường hợp một số tế bào ung thư. Quá trình tổng hợp prôtêin từ một số mARN bền vững tạo ra một số lượng rất lớn các prôtêin tương ứng. Điều này giải thích được phần nào khả năng sinh sôi vô tận của các tế bào ung thư. * Sự dự trữ các mARN trong tế bào cũng là một phương thức điều hòa. Rất nhiều gen được phiên mã nhưng không bao giờ được dịch mã. Khi có một tín hiệu xuất hiện (hoocmôn chẳng hạn), bộ máy dịch mã lập tức hoạt động tổng hợp prôtêin từ các mARN đã trữ sẵn. II.4. Mức độ dịch mã. Sự biến đổi của các nhân tố khởi đầu IF (inititation factor). Là các protein kết hợp với tiểu đơn vị của ribosome vào giai đoạn khởi động của quá trình dịch mã. II.5. Mức độ hậu dịch mã. Ở đây có sự điều hòa hoạt tính của protein. Sau khi mạch polypeptide được tổng hợp, 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 hoạt tính sau khi chất tiền thân của nó (pro-enzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạn polypeptide. Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể như sự kết hợp các enzyme với một số sản phẩm đặc biệt có thể làm thay đổi cấu trúc không gian của chúng dẫn đến mất hoạt tính. Lê Hà Quý Tâm 9 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật - Các quá trình glycosylation, phosphorylation… tức là gắn thêm các nhóm chất như 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 của polypeptide, có vai trò gắn polypeptide và ribosome đang tổng hợp mạch này với mạng lưới 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. III. Điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote Cơ chế điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật nhân sơ đã được F.Jacôp và J.Monod phát hiện lần đầu tiên ở vi khuẩn E.coli năm 1961. Hai tác giả này đưa ra mô hình opêrôn Lac, trong đó đề cập thành phần và vai trò của các gen điều hòa (regulator : R), gen vận hành (operator: O), vùng khởi động (promoter: P) và nhóm gen cấu trúc (structural genes). Nhóm gen cấu trúc ở đây khi được phiên mã tạo ra policistronic (đa cistron - đa gen), gồm 3 gen Z, Y, A trong đó gen Z mã hóa enzim β galactosidaza có vai trò thủy phân đường lactozơ thành galactozơ và glucozơ, đồng thời còn có vai trò chuyển hóa lactozơ thành allolactozơ là phân tử bất hoạt prôtêin ức chế. Hình 1. Phương thức chung điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote III.1. Cấu trúc của promoter Thực chất của khởi sự phiên mã là quan hệ trực tiếp giữa RNA polymerase và promoter. Khi RNA polymerase gắn vào promoter, nó sẽ phiên mã tạo phân tử RNA. Lê Hà Quý Tâm 10 [...]... tài, đặc biệt là sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật eucaryot Lê Hà Quý Tâm 32 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Đái Duy Ban và Lữ Thị Cẩm Vân, 1994: Công nghệ gen và công nghệ sinh học ứng dụng trong y dược học hiện đại, NXB Y học 2 Trình Đình Đạt: Công nghệ sinh học, tập 4, Công nghệ di truyền, NXB giáo dục 3 Đái Duy Ban, 2006: Công nghệ gen, NXB Khoa học và Kỹ thuật... tạp hơn nhiều, mà hiện nay lại được biết ít hơn prokaryote Lê Hà Quý Tâm 30 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ I Kết luận: Trên cơ sở phân tích, tổng hợp, đối chiếu, so sánh các tài liệu thu thập được để đảm bảo độ chính xác của kiến thức trong quá trình thực hiện đề tài, tiểu luận rút ra một số kết luận sau: Sự điều hoà biểu hiện của gen tức sự điều hoà quá trình tổng... thành phần chính của sự điều hòa biểu hiện gen là: 1) Tín hiệu gây ra đáp ứng làm thay đổi biểu hiện gen; 2) Giai đoạn được thực hiện sự điều hòa trong quá trình từ tái bản đến dịch mã; và 3) Cơ chế phân tử của sự điều hòa biểu hiện gen VI.1 Sự biểu hiện của gen ở prokaryote Bộ máy di truyền của sinh vật prokaryote là một DNA mạch vòng chứa một số lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc... thật thành cấu trúc cuỗi hạt có thể càn thiết cho sự biểu hiện gen Sự nghiên cứu trên một số gen, như genn mã hoá những a- va ßhemoglobin rất có hiệu quả Sự điều hoà xảy ra chủ yếu ở giai đoạn phiên mã Lê Hà Quý Tâm 31 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật Những gen (hoặc một loại gen) được hoạt hoá bởi những yếu tố phiên mã Những TF gắn với ADN ở phía trước hoặc phía sau của những trình tự mã hoá... ngắn và không có sự biệt hóa tế bào Vì thế, hoạt động của các gen được điều hòa do các nhu cầu của tế bào khi cần thiết Tác động của các nhân tố môi trường làm những gen tương ứng được mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu quả ngược làm dừng lại 27 Lê Hà Quý Tâm Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật Hình 10 Sự biểu hiện gen ở prokaryote VI.2 Sự biểu hiện của gen ở eukaryote Khác với... có sự tham gia của các protein histone có vai trò điều hòa biểu hiện của gen Sự điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote phải qua nhiều mức điều hòa phức tạp hơn so với prokaryote và qua nhiều giai đoạn như: nhiễm sắc thể tháo xoắn, phiên mã, biến đổi hậu phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến đổi hậu dịch mã (Hình 11) Lê Hà Quý Tâm 28 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật Hình 11 Sự biểu. .. Gen O nằm giữa gen P và gen cấu trúc đầu tiên của operon - Gen điều hoà (regulatory gene), gọi là gen I (hoặc R) gen I mã hoá một protein có tên là chất kìm hãm (repressor) III.3.2 Hoạt động của hệ thống Hoạt động của một operon phụ thuộc vào một vùng của ADN là gen O Gen O, liên kết với những gen mà nó kiểm soát sự phiên mã, tác dụng Lê Hà Quý Tâm 13 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật tương tác... ra ở 5 - 6 mức độ khác nhau Trong phần này chỉ nhấn mạnh thêm một số đặc điểm của điều hòa hoạt động gen ở eukaryote: - Ở các operon của prokaryote, các gen điều hòa và các promoter thường nằm gần nhau, nhưng ở eukaryote các gen điều hòa ít khi nằm gần các promoter do chúng kiểm soát Lê Hà Quý Tâm 19 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật - Các enhancer là những trình tự cùng nằm trên một phân tử. .. sống hài hoà của tế bào Ở những procaryot, lượng protein tổng hợp được điều hoà bằng nhiều cách Sự biểu hiện phần lớn các gen được điều hoà chủ yếu ở giai đoạn phiên mã, chứ không phải ở giai đoạn dịch mã Những gen của tế bào procaryot thường được tập hợp thành operonvà được phiên mã thành ARNm Một operon gồm một gen chỉ huy (O), một gen khởi động (P) và những gen cấu trúc Những gen điều hoà (I) tổng... nhau và sự chuyên hóa là ổn định thường xuyên trong đời sống cá thể Ngoài sự biệt hóa tế bào, các cơ thể eukaryote đa bào còn trải qua quá trình phát triển cá thể với nhiều giai đoạn phức tạp nối tiếp nhau, trong đó có những gen chỉ biểu hiện ở phôi và sau đó thì dừng hẳn Lê Hà Quý Tâm 29 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật Tất cả những điểm nêu trên cho thấy sự điều hòa biểu hiện của gen eukaryote . Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA SINH HỌC  TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: SINH HỌC PHÂN TỬ ĐỀ TÀI: SỰ ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GEN Ở SINH VẬT Giáo. Quý Tâm 4 Sự điều hoà biểu hiện của gen ở sinh vật PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề Ở mỗi loài sinh vật vào một thời điểm nhất định không phải tất cả các gen đều được biểu hiện. Sự điều hoà hoạt. chọn đề tài tiểu luận về: Sự điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật để nghiên cứu. II. Mục đích nghiên cứu: - Làm rõ một số cơ chế, quá trình điều hoà sự biểu hiện của gen ở sinh vật. Có cái