2.9. CƠ SỞ THỰC HIỆN THÔNG TIN DI TRUYỀN
2.9.4. Điều hoà hoạt động của gen
Trong chu trình tế bào cũng như trong quá trình phát triển cá thể, có cả một hệ thống hoàn chỉnh các cơ chế điều hoà. Chúng giúp cơ thể sống đáp ứng lại các biến đổi của môi trường bên trong cũng như bên ngoài cơ thể. Việc điều hoà được thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau và liên quan đến từng giai đoạn phát triển của cơ thể. Một cơ thể của sinh vật bậc cao thường chứa nhiều tỷ tế bào, chúng đều được bắt nguồn từ một hợp tử ban đầu bằng phân bào nguyên nhiễm liên tiếp, nên chúng có hệ gen như nhau, đó là hệ gen của cơ thể. Song các tế bào của cơ thể lại gồm nhiều loại với cấu trúc và chức năng khác nhau, do ở mỗi loại có các gen khác nhau được hoạt động mặc dù chúng vẫn mang hệ gen giống như ở những loại tế bào khác. Đó là do kết quả điều hoà hoạt động của gen.
2.9.4.1. Điều hoà hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ
Khác với sinh vật nhân chuẩn có sự điều hòa hoạt động của gen diễn ra ở nhiều khâu khác nhau, sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ chủ yếu diễn ra ở khâu phiên mã.
Cơ chế điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân sơ đã được nghiên cứu khá kỹ. Các enzym trong tế bào ở sinh vật nhân sơ được chia thành hai nhóm: enzym cơ định luôn có mặt trong tế bào, không phụ thuộc vào điều kiện môi trường và enzym thích ứng (cảm ứng) chỉ xuất hiện khi có sự thay đổi của môi trường. Các enzym xúc tác phân giải lactose thuộc loại thích ứng, các enzym xúc tác phân giải glucose thuộc loại cơ định.
Nếu tế bào E.Coli được cấy trên môi trường chứa glucose thì vi khuẩn lập tức hấp thụ nó và phân chia nhanh chóng. Còn nếu đưa chúng vào môi trường chứa β – galactoside (lactose) thì sau một giai đoạn thích ứng với đường này các vi khuẩn mới
có thể hấp thụ nó và phân chia. Trong thời gian thích ứng đó trong tế bào vi khuẩn xuất hiện đồng thời ba loại enzym: β – galactosidase có tác dụng thủy phân lactose thành glucose và galactose; galactoside permease có tác dụng vận chuyển lactose vào tế bào và transacetylase (không tham gia vào hoạt động chuyển hóa lactose). Ba enzym này cùng tham gia xúc tác cho một quá trình phân giải lactose và được xuất hiện với số lượng bằng nhau. Công trình nghiên cứu sự kiểm soát di truyền việc hấp thụ lactose ở E.coli đã cho phép F.Jacob và J.Monod (1961) phát biểu thuyết operon - đơn vị cơ sở của vật chất di truyền được điều hòa ở mức độ phiên mã ở vi khuẩn.
F.Jacob và J.Monod cho rằng lactose chính là nhân tố tác động tới sự hình thành ba loại enzym nói trên. Các enzym này được mã hóa bởi ba gen cấu trúc là: gen Z mã hóa cho β – galactosidase, gen Y mã hóa cho galactoside permease và gen A mã hóa cho transacetylase. Các gen này được điều hòa hoạt động theo cùng một hệ thống được gọi là operon.
Operon gồm có các thành phần: Các gen cấu trúc liên kết chặt chẽ với nhau trên một đoạn ADN, chúng có nhiệm vụ điều khiển tổng hợp các protein enzym. Liên kết chặt với các gen cấu trúc là vùng chỉ huy O (operator), đóng vai trò là vị trí chốt cho phép hay ngăn chặn ARN – polymerase vượt qua tới tiếp cận với các gen cấu trúc để xúc tác quá trình phiên mã các gen này. Đứng bên cạnh vùng chỉ huy là vùng khởi động P (promoter), đóng vai trò là vị trí nhận biết của ARN – polymerase để bám vào.
Tất cả các gen cấu trúc của một operon cùng phiên mã thành một phân tử mARN, cùng chịu sự kiểm soát chung của một nhân tố tác động, được gọi là chất cảm ứng (trong thí nghiệm ở E.coli trên đây, nhân tố tác động này chính là đường lactose).
Ngoài ra, trong tế bào còn có gen R có chức năng điều hòa hoạt động của operon thông qua sản phẩm do nó mã hóa là protein ức chế (còn gọi là protein điều hòa). Gen R được gọi là gen điều hòa (regulator) hay là gen của chất ức chế (inhibitor, kí hiệu là gen I), có thể tồn tại trên cùng phân tử ADN với operon, nhưng không phải là thành phần của operon, hoặc nằm trên các phân tử ADN khác.
Gen R hoạt động theo cơ chế tự điều khiển để tạo nên protein ức chế. Protein ức chế được tổng hợp liên tục trong tế bào nhưng với lượng rất nhỏ, nó có ái lực với vùng O. Khi trong môi trường sống không có mặt của chất cảm ứng thì protein ức chế sẽ bám vào vùng O để bao vây vùng này, ngăn cản không cho ARN polymerase (đã bám sẵn vào vùng P) vượt qua để tới tiếp cận với các gen cấu trúc, do vậy quá trình phiên mã của các gen cấu trúc không diễn ra.
Khi trong môi trường sống có mặt lactose: Với vai trò là chất cảm ứng, lactose sẽ tác động tương hỗ với protein ức chế (ở trung tâm thứ hai), làm cho protein ức chế biến đổi cấu trúc không gian, không còn hoạt tính bao vây vùng O, làm cho vùng này được giải vây. ARN polymerase tự do vượt qua vùng O tới tiếp cận với các gen cấu
trúc để xúc tác quá trình phiên mã của các gen này. Mặc dù cả ba gen cấu trúc đều được phiên mã cùng nhau thành một mARN chung, song sự dịch mã lại được tiến hành theo ba đoạn khác nhau tương ứng với ba gen cấu trúc để tổng hợp nên ba loại protein khác nhau.
Sơ đồ điều hòa operon Lactose, trong đó lactose là chất cảm ứng được gọi là sơ đồ điều hòa cảm ứng âm tính. Gọi là âm tính là vì protein ức chế - sản phẩm tổng hợp của gen điều hòa khi bám vào vùng O có tác dụng làm ngừng quá trình phiên mã, nghĩa là nó tác dụng âm tính đến sự biểu hiện của các gen cấu trúc trong operon.
Hình 2.17. Mô hình diễn tả hoạt động của operon Lac
Ngoài sơ đồ điều hòa cảm ứng âm tính còn có kiểu điều hòa theo sơ đồ ức chế âm tính. Trong sơ đồ này không có vai trò tác động của chất cảm ứng, mà có vai trò tác động của chất đồng ức chế.
Cũng giống như trường hợp điều hòa cảm ứng âm tính, khi protein ức chế bám vào vùng O thì quá trình phiên mã bị đình chỉ. Sự khác nhau giữa hai kiểu điều hòa cảm ứng âm tính và ức chế âm tính là ở chỗ trong cảm ứng âm tính chất cảm ứng làm cho protein ức chế mất tác dụng bám vào vùng O, cho phép sự phiên mã diễn ra và protein được tổng hợp. Còn ở điều hòa ức chế âm tính, chất đồng ức chế làm cho protein ức chế biến đổi từ trạng thái không hoạt động ức chế thành trạng thái hoạt động ức chế mạnh, bám vào vùng O ngăn cản sự phiên mã, do đó quá trình tổng hợp protein bị đình chỉ.
Kiểu điều hòa ức chế âm tính có thể thấy ở các operon điều khiển tổng hợp các protein enzym có liên quan đến hoạt động xúc tác tổng hợp các axit amin trong tế bào.
với protein ức chế thành phức hợp ức chế có hoạt tính. Phức hợp này bám vào và bao vây vùng O, làm ngừng quá trình phiên mã của các gen cấu trúc và quá trình tổng hợp các protein enzym không diễn ra. Còn khi trong tế bào thiếu axit amin, sự phiên mã được diễn ra do vắng mặt chất đồng ức chế đã làm cho protein ức chế mất hoạt tính.
Kết quả là các protein enzym được tổng hợp, kéo theo hoạt động tổng hợp các axit amin được diễn ra.
Kiểu điều hòa ức chế âm tính được nghiên cứu kỹ là hoạt động của operon Tryptophan gồm 5 gen cấu trúc mã hóa cho 5 protein enzym liên quan đến hoạt động xúc tác tổng hợp Tryptophan trong tế bào.
Hình 2.18. Mô hình diễn tả hoạt động của operon Tryptophan
Hai kiểu điều hòa tổng hợp protein đã xét trên đây có đặc điểm chung là protein do gen R điều khiển tổng hợp khi bám vào vùng O đều gây đình chỉ tổng hợp protein enzym, hoạt động của protein do gen R điều khiển tổng hợp là hoạt động ức chế tổng hợp protein enzym. Còn một kiểu hoạt động khác của protein do gen R điều khiển tổng hợp là hoạt động kích thích tổng hợp protein enzym. Kiểu này được gọi là kiểu điều hòa dương tính.
Khi protein do gen R điều khiển tổng hợp (protein điều hòa dương tính) gặp và kết hợp với chất cảm ứng, chúng sẽ bám vào vùng O và kích thích sự phiên mã của operon. Khi gặp và kết hợp với chất đồng ức chế, protein điều hòa dương tính mất khả năng bám vào vùng O, do đó vùng O không được kích thích và hoạt động phiên mã không diễn ra.
2.9.4.2. Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn
Về cơ bản sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn cũng được thực hiện theo những nguyên lý cơ bản như ở sinh vật nhân sơ. Chỉ có một số khác biệt quan trọng đáng lưu ý, đó là: các thành phần tham gia điều hòa, các tác nhân điều hòa và mức độ điều hòa.
- Các thành phần trên ADN tham gia vào quá trình điều hòa: Ở sinh vật nhân chuẩn, các thành phần tham gia vào điều hòa quá trình phiên mã của gen phức tạp hơn nhiều so với ở sinh vật nhân sơ. Ở sinh vật nhân sơ, các gen cấu trúc có liên quan được ghép liền nhau thành một đơn vị phiên mã và cùng chịu sự kiểm soát của một hệ thống các yếu tố tham gia điều hòa (promoter và operator), Hệ thống các yếu tố này chiếm một lượng ADN nhỏ hơn nhiều so với lượng ADN có chức năng mã hóa protein (các gen cấu trúc). Ngược lại, ở sinh vật nhân chuẩn, giữa các gen cấu trúc thường được phân cách bởi các đoạn lớn ADN không tham gia mã hóa protein. Ở đoạn này tồn tại rải rác nhiều yếu tố tham gia vào sự điều hòa phiên mã của gen, như: vùng khởi động (promoter), vùng tăng cường phiên mã (enhancer), vùng gây bất hoạt (hay vùng gây giảm phiên mã- silencer). Như vậy, cùng với các intron, sự tồn tại của các đoạn này đã làm cho lượng ADN mã hóa protein (các exon) ở sinh vật nhân chuẩn chiếm tỉ lệ nhỏ hơn nhiều so với lượng ADN không mã hóa protein.
- Các tác nhân tham gia vào quá trình điều hòa: Ở sinh vật nhân sơ, điều hòa quá trình phiên mã của gen phần lớn là sự đáp lại tín hiệu từ bên ngoài. Trong khi đó ở sinh vật nhân chuẩn, quá trình điều hòa này phần lớn lại là sự đáp lại tín hiệu tồn tại bên trong của cơ thể.
Tác động của các hooc mon: Hooc mon là các chất do một loại tế bào tạo ra để tác động đến các tế bào khác. Các tế bào có hooc mon tới tác động được gọi là các tế bào đích. Ở tế bào đích có sự hoạt động của các protein tiếp nhận (còn được gọi là thụ thể). Hooc mon được vận chuyển đến các tế bào đích, phối hợp với thụ thể để tạo thành phức hợp thụ thể - hooc mon. Sau một số biến đổi ở hình dạng của thụ thể, phức hợp này đi vào nhân tế bào. Trong nhân tế bào, phức hợp thụ thể - hooc mon liên kết với những vùng điều hòa đặc trưng (vùng khởi động) của gen. Từ đó gây nên hiệu quả kích thích phiên mã. Ở đây, cơ chế có thể xảy ra tương tự sự điều hòa dương tính ở vi khuẩn.
Tác động của vùng tăng cường phiên mã và vùng gây giảm phiên mã: Sự điều hòa phiên mã xảy ra thông qua kết quả tương tác của protein điều hòa với vùng tăng cường phiên mã và vùng gây giảm phiên mã.
- Các mức độ điều hòa: Ngoài điều hòa ở mức phiên mã như ở sinh vật nhân sơ, hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn còn có thể được điều hòa ở nhiều mức khác, như: mức nhiễm sắc thể, mức sau phiên mã, mức dịch mã và mức sau dịch mã.