Mục đích của điều hoà biểu hiện gen
Mục đích của sự điều hoà biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý hóa và môi trường, tạo số lượng và số loại cần thiết để đảm bảo nhu cầu của tế bào là phát triển và sinh sản.
Trong bất kỳ tế bào nào, tất cả các gen đều không hoạt động đồng thời, bởi vì nhu cầu protein của tế bào thay đổi liên tục. Trong cơ thể sống, không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng như nhau. Có loại được tổng hợp một cách liên tục trong suốt quá trình sống, ví dụ như hemoglobin của máu; có loại chỉ được tổng hợp trong một giai đoạn nhất định nào đó trong chu trình sống, ví dụ như hormone sinh trưởng, hormone sinh sản, ... Như vậy, một số gen sẽ hoạt động nhiều hơn, thường xuyên hơn, một số khác chỉ hoạt động ở những giai đoạn nhất định hoặc trong những điều kiện nhất định của chu trình sống. Để đáp ứng đầy đủ và đúng số lượng protein cho cơ thể sống, trong cơ thể sống phải có cơ chế điều hoà sinh tổng hợp protein, làm sao cho lượng protein tạo ra vừa đủ, không thừa và cũng không thiếu. Có như vậy, hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống mới đảm bảo bình thường, ngược lại sẽ làm rối loạn trao đổi chất, phát sinh bệnh tật hoặc tử vong.
Các yếu tố điều hoà biểu hiện gen
Để thực hiện điều hoà biểu hiện gen, đầu tiên, phải có tín hiệu gây điều hoà, sau đó, thực hiện quá trình điều hoà.
Ở tế bào procaryote, tín hiệu gây điều hoà thường là những yếu tố dinh dưỡng hay những yếu tố vật lý của môi trường. Sự thay đổi các yếu tố dinh dưỡng hay yếu tố vật lý của môi trường có tác động làm thay đổi hoạt động của cơ thể sống, nhằm thích nghi với điều kiện mới để phát triển.
Ở tế bào eucaryote, tín hiệu điều hoà là những phần tử do tế bào chuyên biệt phát sinh. Ví dụ như các hormone được tổng hợp ở các bộ phận chuyên biệt như tuyến yên, tuyến giáp, ... đi vào trong máu, đem tín hiệu đến các mô thực hiện điều hoà biểu hiện gen.
Điều hoà biểu hiện gen có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau như thay đổi cấu trúc của DNA, tác động trực tiếp đến các giai đoạn tổng hợp protein như phiên mã, dịch mã, ..., quá trình xảy ra rất phức tạp.
Phần lớn sinh vật procaryote đều ở dạng đơn bào, tế bào chưa có màng nhân, quá trình phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời trong tế bào chất, nên sự điều hoà biểu hiện gen được tiến hành chủ yếu ở giai đoạn phiên mã. Đối với các sinh vật đơn bào, sự điều hoà là nhanh và nhạy, vì các tín hiệu điều hoà tác động trực tiếp ngay tế bào. Ngược lại, sinh vật eucaryote là những cơ thể đa bào: Mỗi tế bào là một thành phần của cơ thể sống, nên phải tuân thủ nghiêm ngặt theo một chương trình phát triển chung của cơ thể, mỗi bộ phận có một chức năng riêng biệt, sự điều hoà ở đây mang tính thống nhất cho toàn bộ cơ thể. Thêm vào đó, tế bào eucaryote có cấu tạo hoàn chỉnh, sự phiên mã xảy ra trong nhân tế bào, còn sự dịch mã thực hiện ở ngoài tế bào chất, do vậy, sự điều hoà biểu hiện gen phức tạp hơn nhiều và được tiến hành ở nhiều giai đoạn.
Mô hình điều hoà biểu hiện gen ở vi khuẩn
Cấu trúc operonBộ gen của vi khuẩn được tổ chức theo operon. Một operon có một vùng điều khiển và vùng mã hóa. Vùng điều khiển bao gồm gen điều hoà, promoter và điểm điều hành (operator). Vùng mã hóa bao gồm một số gen cấu trúc nằm kề nhau, mỗi gen cấu trúc mã hóa cho một polypeptide. Các protein được mã hóa trong một operon thường có quan hệ mật thiết với nhau trong một quá trình chuyển hóa sinh hóa nào đó trong tế bào.
Một operon có ít nhất một promoter, tuy nhiên, operon có thể có nhiều hơn một promoter và ái lực của các promoter này đối với RNA-polymerase là khác nhau. Operator là trình tự DNA, nơi mà protein ức chế (repressor protein) gắn vào.
Khái niệm về operon được F. Jacob và các cộng sự của ông nêu ra năm 1961 khi nghiên cứu sự kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose ở E. Coli. Với sự khám phá ra cơ chế điều hoà biểu hiện gen, ông đã nhận được giải thưởng Nobel 1965.
Operon cảm ứng - Operon lactose ở E. ColiVi khuẩn E. Coli có khả năng sử dụng đường lactose như nguồn cacbon chính để phát triển. Lactose là một disacarit, nên khi có mặt lactose trong môi trường, vi khuẩn sản sinh ra enzyme β-galactosidase để thuỷ phân lactose, tạo thành các phân tử monosacarit là glucose và galactose thuận lợi cho quá trình chuyển hóa. Ngoài β-galactosidase ra, tế bào vi khuẩn còn tổng hợp enzyme permease làm nhiệm vụ vận chuyển lactose qua màng tế bào. Khi nghiên cứu sự kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose, F. Jacob đã phát hiện cơ chế tổng hợp các enzyme hấp thụ đường lactose. Quá trình thí nghiệm có thể mô tả như sau
- Khi nuôi vi khuẩn E. Coli trên môi trường không có lactose, thì ta thấy nồng độ enzyme β-galactosidase và permease do vi khuẩn sinh ra rất thấp: khi đưa đường lactose vào môi trường nuôi thì nồng độ hai enzyme này ở tế bào vi khuẩn tăng lên rất nhiều. Nhưng nếu nuôi vi khuẩn trên môi trường có đường glucose và lactose đồng thời thì nồng độ hai enzyme nêu trên trong tế bào thấp hơn so với trường hợp chỉ có đường lactose. Khi phân tích tổng nồng độ mRNA có mặt trong tế bào trước và sau khi đưa lactose vào trong môi trường nuôi, thấy rằng: Khi không có mặt lactose trong môi trường thì không xuất hiện mRNA mã hóa cho β-galactosidase và permease. Khi bổ sung lactose vào môi trường nuôi thì trong tế bào xuất hiện mRNA mã hóa cho hai enzyme nêu trên. Từ kết quả thí nghiệm trên, cùng với những kết quả thu được về đột biến gen, F. Jacob và J. Monod đã đưa ra mô hình điều khiển operon lactose như hình bên dưới
Cấu trúc của operon lactose gồm: gen điều hoà (R), promoter (P), operator (O) và ba gen cấu trúc là lacZ mã hóa cho enzyme β-galactosidase, lacY mã hóa cho enzyme permease và lacA mã hóa cho enzyme ansacetylase.
Khi không có mặt lactose trong môi trường, gen điều hoà thường xuyên tổng hợp protein ức chế. Protein ức chế có ái lực với điểm điều hành (operator) nên nó gắn vào điểm điều hành, ngăn cản không cho enzyme RNA- polymerase thực hiện phiên mã, mRNA không thể tổng hợp được, operon đóng.
Khi có mặt lactose trong môi trường, nhờ enzyme permease có sẵn ở màng tế bào chuyển một lượng rất ít vào trong tế bào. Khi đã vào trong tế bào, lactose chuyển thành allolactose (có chứa liên kết β-1,6). Allolactose là chất cảm ứng, nó liên kết với protein kìm hãm. Phức hợp này không có ái lực với operator, nên không gắn lên operator được, lúc này, operon mở. RNA- polymerase thực hiện phiên mã các gen cấu trúc.
Mô hình hoạt động của operon lactose
Phần lớn sự tổng hợp các enzyme hoạt động trong các quá trình phân giải ở tế bào được sự kiểm soát theo cơ chế của operon cảm ứng.
Operon kìm hãm - Operon tryptophan ở E. ColiOperon tryptophan cũng có cấu trúc tương tự như operon lactose, nghĩa là, bao gồm gen điều hoà (R), promoter (P), operator (O) và 5 gen cấu trúc. Mỗi gen cấu trúc mã hóa cho một enzyme, xúc tác phản ứng tổng hợp tryptophan. Trong tế bào, tryptophan được tổng hợp bằng một chuỗi 5 phản ứng, mỗi phản ứng được xúc tác bằng một enzyme mã hóa trong operon. Năm gen cấu trúc mã hóa cho 5 enzyme, lần lượt được ký hiệu là trpE, trpD, trpC, trpB và trpA. Gen trpE nằm ngay sau vùng điều hoà, được phiên mã đầu tiên.
Mô hình hoạt động của operon tryptophan
Hoạt động của operon tryptophan khác với operon lactose ở chỗ là protein kìm hãm, bản thân nó không có ái lực với operator nên khi đứng riêng một mình, nó không thể gắn vào điểm điều hành, nên operon mở. Ngược lại, khi protein kìm hãm kết hợp với chất đồng kìm hãm (corepressor), thì sẽ có ái lực với operator nên dễ dàng gắn vào đó, làm operon đóng. Hoạt động của operon có thể mô tả như hình trên .
Như vậy, khi lượng tryptophan dư, operon đóng, còn khi thiếu tryptophan thì operon mở.
Nhìn chung, cách điều hoà biểu hiện gen ở sinh vật procaryote chủ yếu được thực hiện ở giai đoạn phiên mã.
Mô hình điều hoà biểu hiện gen ở eucaryote
Cấu tạo tế bào eucaryote là hoàn chỉnh, có màng nhân ngăn cách nhân tế bào với tế bào chất. Bộ máy di truyền tập trung chủ yếu trong nhân tế bào. Quá trình phiên mã được thực hiện trong nhân, còn dịch mã xảy ra trong tế bào chất. Hai quá trình này không xảy ra đồng thời như ở tế bào procaryote.
Bộ gen của sinh vật eucaryote có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp, phần lớn các gen đều chứa các đoạn không mã hóa, xen kẽ với đoạn mã hóa. Trong nhiều trường hợp, phần không mang mã lớn hơn phần mang mã. Do đặc điểm cấu tạo như vậy nên việc điều hoà biểu hiện gen rất phức tạp. Các gen điều hoà thường có kích thước lớn hơn nhiều so với ở sinh vật procaryote. Các gen điều hoà thường nằm cách xa promoter. Điều hoà biểu hiện gen có thể được thực hiện ở nhiều giai đoạn như: điều hoà bằng cách thay đổi cấu trúc của nhiễm sắc chất, điều hoà trong giai đoạn phiên mã, trong giai đoạn dịch mã và sau dịch mã.
Điều hoà hoạt động biểu hiện gen bằng cách thay đổi cấu trúc của nhiễm sắc chấtNhiễm sắc chất là cấu trúc liên kết giữa protein histon với DNA. Gen được phiên mã khi DNA phải giãn xoắn cục bộ, nếu nhiễm sắc chất xoắn chặt lại với các protein histon thì không xảy ra phiên mã. Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy: ở sinh vật eucaryote, nhiều gen hoạt động biểu hiện mạnh, liên tục, thường được sắp xếp vào một nhiễm sắc thể, như vậy, sẽ thuận lợi cho việc sao chép và phiên mã. Ví dụ các gen mã hoá cho hemoglobin (4 gen) được sắp xếp gần nhau, biểu hiện của các gen này được điều chỉnh phù hợp với từng thời kỳ phát triển của cơ thể.
Sự thay đổi thành phần cấu tạo của các bazơ nitơ trong nhiễm sắc chất cũng làm thay đổi hoạt động biểu hiện gen. Ví dụ như sự metyl hoá một số bazơ nitơ ở vùng 5' của gen ở động vật sẽ kìm hãm hoạt động biểu hiện gen hay nhiễm sắc thể X không hoạt động ở người thuộc loại siêu metyl hoá.
Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn phiên mãSự phiên mã được tăng cường hoặc kìm hãm do sự có mặt của một số nhân tố điều hoà sau
Sự có mặt của trình tự cis trong phần điều hành của gen và các nhân tố trans (protein điều hoà)Đoạn DNA tham gia vào quá trình điều hoà biểu hiện gen, có cấu trúc gồm hai phần đối xứng nhau, được gọi là trình tự cis. Trình tự này nằm ở phần điều hành, là nơi tiếp nhận các protein điều hoà (nhân tố trans).
Đặc điểm cấu tạo chung của nhân tố trans là chúng bao gồm hai vùng cấu trúc: vùng chịu trách nhiệm gắn nhân tố trans vào trình tự cis và vùng tác động lên sự phiên mã. Các vùng cấu trúc chức năng này là độc lập với nhau. Ngoài hai vùng chính kể trên, nhiều nhân tố trans còn có một số vùng phụ khác. Nhân tố trans gắn vào trình tự cis của DNA nhờ các liên kết yếu và nó tác động lên sự phiên mã, làm khởi sự phiên mã và đạt tốc độ cao. Nhân tố trans có thể là một hormone hay một protein điều hoà.
Sự có mặt của trình tự khuyếch đại hoặc trình tự dập tắtTrình tự khuyếch đại là đoạn DNA có tác dụng làm tăng sự phiên mã. Khi có mặt trình tự khuyếch đại (enhancer) trong gen thì sẽ làm tăng sự biểu hiện gen. Vị trí của trình tự khuyếch đại trong gen là không cố định, có thể nằm ở đầu 5', đầu 3' hay ngay trong intron của gen.
Ngoài trình tự khuyếch đại, còn có trình tự dập tắt (silence), là đoạn DNA, mà khi có mặt trong gen thì sẽ có tác dụng ức chế phiên mã.
Như vậy, nếu trong gen có chứa trình tự khuyếch đại thì sự phiên mã sẽ xảy ra mạnh mẽ, ngược lại, nếu có trình tự dập tắt thì sự phiên mã sẽ không thực hiện.
Chọn lựa promoter thích hợpĐây là kiểu điều hoà dựa vào tương tác cis-trans thường gặp ở sinh vật eucaryote. Ví dụ điển hình là gen mã hoá cho α-amylase ở động vật bậc cao, gen này có hai promoter, mỗi promoter có hoạt tính phiên mã khác nhau và chịu trách nhiệm phiên mã cho một loại mRNA nhất định, đặc trưng cho các cơ quan khác nhau trong cơ thể (tuyến nước bọt và gan, tụy).
Sự lựa chọn promoter hoạt động tuỳ thuộc vào nhân tố trans hiện diện trong tế bào của các cơ quan có khả năng tổng hợp α-amylase. Nhân tố trans đặc trưng sẽ tương tác với trình tự cis làm cho sự tổng hợp mRNA được thực hiện, kết quả là protein được tổng hợp.
Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn sau phiên mãỞ sinh vật eucaryote, sợi mRNA đầu tiên được tổng hợp (tiền mRNA) phải trải qua giai đoạn hoàn thiện như tạo mũ chụp, cắt bỏ intron, nối exon, gắn đuôi poly-A để hình thành sợi mRNA trưởng thành. mRNA đi qua màng nhân, vào tế bào chất đến ribosome, thực hiện quá trình tổng hợp protein.
Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn sau phiên mã chủ yếu tác động vào giai đoạn hoàn thiện mRNA. Các kiểu tác động có thể xảy ra như cắt các intron và nối exon khác nhau, gây đột biến trên mRNA. Ngoài ra, thời gian tồn tại của mRNA cũng có ảnh hưởng đáng kể đến số lượng protein tổng hợp. mRNA tồn tại càng lâu thì số lượng protein được tổng hợp càng nhiều.
Điều hoà hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn dịch mã và sau dịch mãỞ giai đoạn dịch mã, sự điều hoà biểu hiện gen thường thể hiện ở sự biến đổi các nhân tố khởi động của quá trình dịch mã.
Điều hoà ở giai đoạn sau dịch mã thường được thể hiện ở sự biến đổi hoạt tính của phân tử protein. Sau khi được tổng hợp, chuỗi polypeptide phải trải qua một giai đoạn hoàn thiện mới trở thành phân tử protein hoạt động. Trong giai đoạn sau dịch mã, chuỗi polypeptide có thể được gắn thêm các gốc không có bản chất protein như đường, phosphat hay một nhóm hữu cơ hoạt động hoặc có sự sắp xếp, tạo cấu hình không gian, cắt bỏ hoặc gắn thêm đoạn peptit để tạo phân tử protein hoạt tính.
Sự biệt hóa tế bào
Các tế bào biệt hoá chứa thông tin như nhauỞ các sinh vật bậc cao, cơ thể trưởng thành bao gồm nhiều loại tế bào khác nhau (da, thịt, gan, thận,.. ). Sử dụng kỹ thuật lai DNA cho thấy, DNA từ những tế bào của các mô khác nhau của cùng một cá thể không bị biến đổi trong quá trình biệt hoá. Nói cách khác, số lượng DNA của tế bào biệt hoá, về căn bản, giống hợp tử ban đầu và chứa nguyên thông tin di truyền, đủ để phát triển thành cá thể nguyên vẹn.
Các tế bào biệt hoá tổng hợp các nhóm protein khác nhauỞ các tế bào biệt hoá, ngoài việc tổng hợp các protein chung cần thiết cho các quá trình sinh lý, chúng còn tổng hợp một hoặc một số protein chủ yếu, ví dụ
- Tế bào cơ tổng hợp nhiều myosine,
- Tế bào biểu bì tổng hợp nhiều keratine.
Như vậy, cùng chứa thông tin di truyền như nhau, nhưng mỗi loại tế bào biệt hoá chỉ sử dụng một phần thông tin để tổng hợp chủ yếu một số loại protein. Tóm lại, mặc dù tất cả các bước trong sự biểu hiện của gen về căn bản được điều hoà, nhưng đối với phần lớn các gen, việc khởi sự phiên mã là điểm kiểm soát quan trọng nhất.
