CHƯƠNG 7 BẢO TỒN NGUỒN GENE IN VITRO BẢO TỒN NGUỒN GENE IN VITRO
8.3. Điều hoà biểu hiện gene
8.3.1. Điều hoà biểu hiện gene ở mức độ nhiễm sắc thể
Cấu trúc và mức độ đóng xoắn của nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận trình tự gene mục tiêu của các yếu tố tham gia quá trình phiên mã. Qua đó điều hoà hoạt động biểu hiện gene. Cấu trúc càng xoắn chặt thì hoạt động biểu hiện gene càng khó diễn ra và ngược lại. Do đó, các histone tham gia cấu trúc nhiễm sắc thể sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc điều hoà biểu hiện gene.
Hầu hết các tế bào nhân thực đều chứa 5 loại histone: H1, H2A, H2B, H3 và H4.
Những protein này tồn tại với số lượng rất lớn, có cấu trúc tương đối đơn giản, có độ
142
kiềm cao và khá tương tự ở các loài khác nhau. Khi các liên kết cộng hoá trị giữa các histone hoặc nhóm thành phần hoá học của chúng thay đổi sẽ ảnh hưởng tới cấu trúc của nhiễm sắc thể. Các nghiên cứu cho thấy sự metyl hoá ở vị trí Lys9 của histone H3 sẽ làm nhiễm sắc thể co xoắn hơn. Ngược lại, nếu acetyl hoá tại vị trí Lys9, Lys14 cùng lúc với phosphoryl hoá vị trí Ser10 của protein này dẫn đến cấu trúc “mở” của nhiễm sắc thể. Ngoài ra, monoubiquitinyl hoá ở vị trí lysine của H2B có thể ức chế hoặc kích hoạt phiên mã của gene, hoặc monoubiquitinyl hoá H1 sẽ khiến chúng rời khỏi sợi DNA.
Những thay đổi này dẫn đến việc điều hoà biểu hiện của gene ở vị trí tương ứng.
8.3.2. Điều hoà biểu hiện gene ở mức độ phiên mã
Các trình tự thuộc vùng điều hoà của gene và thành phần tham gia vào quá trình phiên mã sẽ đóng vai trò chủ yếu trong việc điều hoà biểu hiện gene. Các thành phần điều hoà dạng cis: promoter, enhancer, silencer chứa các vị trí bám cho một số protein gọi là yếu tố phiên mã gọi là TF (transcription factor). Các TF được gọi là các thành phần điều hoà dạng trans, hoạt động của chúng nhờ chuỗi tín hiệu bắt nguồn từ các protoplast thực vật hoặc do các tác nhân khác. Tương ứng hai vùng trình tự, hai loại thành phần dạng trans, gồm activator và repressor, sẽ tương ứng bám vào các vùng enhencer hoặc silencer, qua đó điều hoà phiên mã bằng cách tạo ra các cấu trúc thứ cấp của gene như dạng vòng hoặc kẹp tóc.
8.3.3. Điều hoà biểu hiện gene ở mức độ sau phiên mã 8.3.3.1. Cắt nối RNA
Như đã đề cập ở mục 8.2, khung đọc mở của gene chứa các đoạn exon và intron.
Các đoạn intron này đa dạng về chiều dài, số lượng và trình tự ở các loài khác nhau, tuy nhiên chúng thường có điểm chung là cặp nucleotide bắt đầu (GU) và kết thúc (AG), là các trình tự có độ bảo toàn rất cao. Các cặp nucleotide này, cùng với một số trình tự ở xa, là dấu hiệu để spliceosome nhận biết và cắt chính xác các đoạn intron khỏi phân tử tiền mRNA trong quá trình hình thành mRNA trưởng thành. Dù được biết đến là vùng không mã hoá, nhưng trong một số trường hợp cho thấy các đoạn intron lại chứa một phần thuộc khung đọc mở hoặc các trình tự điều hoà. Do đó, quá trình cắt nối RNA (alternative splicing), trong đó có giữ lại đoạn intron hay loại bỏ đoạn exon, thường sẽ
143
có vai trò nhất định trong điều hoà biểu hiện gene vì sẽ ảnh hưởng đến sản phẩm của dịch mã theo cách:
- Một là, tạo ra nhiều protein khác nhau từ một loại sản phẩm mRNA, ví dụ mRNA trưởng thành của gene pyruvate Pi-dikinase ở ngô có thể mã hoá cho 2 sản phẩm protein.
Một dạng tham gia vào chu trình quang hợp C4 ở thịt lá, được dịch mã từ exon đầu tiên của mRNA, tức loại bỏ intron đầu tiên; một dạng khác tham gia vào các phản ứng ở tế bào chất để tạo nên phosphoenolpyruvate, được dịch mã từ mRNA chứa một vùng trình tự ở đầu 3’ của intron đầu tiên.
- Hai là, bảo toàn khung đọc mở của gene bằng cách dò tìm trên trình tự tiền mRNA và hạn chế sự xuất hiện của tín hiệu kết thúc dịch mã sớm (PTS). Tuy nhiên, một số trường hợp hoạt động cắt nối lại cũng có thể dẫn đến sự hình thành của các tín hiệu PTS.
Để bảo toàn khung đọc mở, tế bào sẽ có những cơ chế khác để loại bỏ các khung đọc mở chứa PTS.
8.3.3.2. RNA can thiệp
Hệ gene thực vật nói riêng, sinh vật nói chung tồn tại các trình tự mã hoá các phân tử RNA không mã hoá cho chuỗi polypeptide. Các trình tự này có liên quan chủ yếu tới quá trình điều hoà hoạt động của tế bào thông qua điều hoà biểu hiện gene. Tiêu biểu là nhóm các phân tử RNA ngắn với kích thước khoảng 21 nucleotide. Có 2 loại RNA ngắn thường được quan tâm là microRNA (miRNA) và RNA can thiệp ngắn (siRNA) có chức năng tương tự nhau dù con đường hình thành chúng có điểm khác biệt. Chúng tham gia vào quá trình ngăn cản quá trình dịch mã. Cơ chế ức chế dịch mã của chúng, hay còn gọi là gene silencing, bắt đầu bằng việc hình thành phức hợp ức chế RISC (RNA inducing silencing complex). Các phân tử miRNA hoặc siRNA bám vào đoạn mRNA mục tiêu theo nguyên tắc bổ sung dẫn đến phân hủy hoặc ức chế dịch mã đoạn mRNA.
8.3.3.3. RNA turnover
Các phân tử mRNA sau khi phiên mã được vận chuyển từ nhân ra tế bào chất để tiến hành quá trình dịch mã. Trong một số trường hợp, các mRNA không được dịch mã ngay vì yêu cầu sự có mặt sản phẩm dịch mã đối với chức năng của tế bào. Trong trường hợp này, các mRNA sẽ bị phá huỷ, thông thường bắt đầu từ đuôi polyA bằng enzyme
144
deadenylase hoặc từ mũ 5’ bằng enzyme tháo mũ decapping (DCP1, DCP2) và tiếp tục bằng các protein/phức hợp protein có tác dụng exonuclease.