TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Điều hòa biểu gen sinh vật bậc cao L/O/G/O GV HD : PGS TS Khuất Hữu Thanh HV : Bùi Văn Hiệu Đặt vấn đề Như biết chế hoạt động ba trình thiết yếu cho tồn tế bào, chép, phiên mã dịch mã Sự trao đổi chất liên tục tế bào môi trường đặc tính sống Đối với tế bào prokaryote, môi trường tập hợp nhân tố lý hóa bao quanh tế bào, tế bào eukaryote, tập hợp tế bào lân cận Như nảy sinh vấn đề lớn: cách tế bào điều chỉnh hoạt động cho phù hợp với biến đổi môi trường để tồn thích ứng Tất loài, dù sinh vật nhân sơ hay sinh vật nhân thật, phải điều hòa biểu gen chúng vào thời điểm định Và tất gene có biểu liên tục, thông tin di truyền điều hòa theo cách khác Trong tiểu luận xin trình bày về: “Cơ chế điều hòa hoạt động biểu gen sinh vật bậc cao” I Nguyên lý chung Không phải tất gene có biểu liên tục Mức độ biểu gene khác tế bào khác theo giai đoạn chu trình tế bào Hoạt tính gene khác theo chức tế bào Ở động vật có xương sống chuột, chứa khoảng 200 loại tế bào phân hóa chức khác Trong nhiều trường hợp, hoạt tính gene điều hòa mức độ phiên mã, qua tín hiệu bắt đầu bên tế bào phản ứng với điều kiện bên Tuy nhiên thông tin di truyền điều hòa theo cách khác Các bước điều khiển hoạt động gene bao gồm: - Cấu trúc lại DNA, thay đổi biểu gene phụ thuộc vào vị trí trình tự DNA genome - Điều hòa phiên mã tổng hợp phiên mã RNA điều khiển, mở đầu kết thúc - Quá trình chế biến RNA điều hòa qua trình cắt-nối RNA (RNA splicing) - Điều hòa dịch mã trình tổng hợp chuỗi polypeptid - Sự bền vững mRNA II Cơ chế biểu gen sinh vật bậc cao Có nhiều chế hoạt động biểu gen khác nhau: Điều hòa biểu thay đổi cấu trúc NST hay cấu trúc phân tử DNA Điều hòa mức độ phiên mã Cắt bỏ intron, nối exon (Splicing) mARN gắn với số protein đặc hiệu xuyên qua lỗ nhân bào tương Huỷ mARN không dùng để dịch mã Dịch mã, tổng hợp Protein Biến đổi protein Điều hòa chế phân hủy Các giai đoạn biểu gen điều hòa sinh vật nhân thật Điều hòa biểu gen thay đổi cấu trúc NST hay cấu trúc phân tử DNA • Chủ yếu điều hòa cấu trúc chất nhiễm sắc (chromatin) • Trong vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) nơi chất nhiễm sắc đóng xoắn chặc, gen thường không biểu • Sự biến đổi hóa học histone DNA chromatin có ảnh hưởng đến cấu trúc chromatin biểu gen 12/23/15 a Sự Acetyl hóa histone Nhóm acetyl gắn vào lysine tích điện dương đuôi histone → chromatin tháo xoắn → phiên mã Sự acetyl hóa histon Có thể tóm tắt bước chung trình hoạt hoá gen Eukaryote sau: Một yếu tố phiên mã gắn vào DNA Enzym histone acetyl transferase gắn vào yếu tố phiên mã HAT (enzyme histon acetyl transferase) acetyl hoá histon kế cận làm cho mối liên kết histon bị nới lỏng Phức hệ tái cấu trúc nhiễm sắc chất làm trượt tái cấu trúc nucleosome, cho phép DNA bộc lộ Các yếu tố phiên mã khác gắn vào DNA RNA polymerase gắn vào DNA Quá trình phiên mã khởi động xuất tín hiệu dương tính truyền tới thông qua phức hệ trung gian từ hay nhiều yếu tố phiên mã đặc biệt b Sự methyl hóa DNA Nhóm methyl gắn vào chromatin Sự gắn thêm nhóm phosphate gần acid amin bị methyl hóa làm cho chromatin tháo xoắn Trong sinh vật đa bào, metyl hoá ADN dấu hiệu biểu gen liên quan tới biệt hoá mô tế bào Trình tự nhận biết cho metyl hoá ngắn, động vật thường CG thực vật CNG Sự Methyl hóa ADN Diễn biến gồm họat hóa acid amin dịch mã ribôxôm Họat hóa acid amin gắn vào tARN + Quá trình họat hóa diễn tế bào chất + Mỗi acid amin(aa) kết hợp đồng hóa trị với tARN đặc hiệu nhờ lượng ATP, xúc tác aminoacyl-tARN Mỗi enzyme đặc hiệu cho aa tARN ứng với aa Dich mã Riboxom gồm giai đọan – Mở đầu – Kéo dài – Kết thúc Giai đoạn mở đầu Bán đơn vị nhỏ ribosome gắn với mARN Met – tARN Bán đơn vị nhỏ di chuyển dọc theo mARN đến gặp mã mở đầu (AUG) Một proteins gọi yếu tố mở đầu (IF = initiation factor) mang bán đơn vị lớn đến gắn vào → phức hệ mở đầu Giai đoạn kéo dài • Trong giai đoạn này, acid amin gắn vào acid amin trước • Mỗi acid amin gắn thêm vào nhờ có hỗ trợ protein gọi yếu tố kéo dài (EF = elongation factor) • Giai đoạn gồm bước lặp lặp lại – Sự nhận dạng codon – Sự thành lập liên kết peptide – Sự chuyển vị (translocation) nên gọi chu kỳ giải mã GIAI ĐOẠN KẾT THÚC (TERMINATION) • Phiên mã kết thúc stop codon mARN vào vị trí A ribosome • Một protein gọi yếu tố phóng thích (RF = release factor) vào vị trí A làm gắn thêm phân tử nước thay acid amin • Phản ứng làm phóng thích chuỗi polypeptide hai bán đơn vị ribosome tách IV.1 Một số protein điều khiển nguyên nhân kìm hãm trình dịch mã • Một số protein điều khiển liên kết vào trình tự đặc hiệu mRNA điều khiển trình dịch mã Những phản ứng mRNA với sắt ví dụ kìm hãm trình dịch mã Điều hòa dịch mã ferritin mRNA IRP IV.2 Một số protein điều khiển hoạt hóa trình dịch mã Điều khiển dịch mã tích cực sử dụng để kiểm soát tổng hợp protein lục lạp sau ánh sáng kích thích Tổng hợp nhiều protein lục lạp nhiều tốt gấp hàng trăm lần ánh sáng Các mức độ số protein kiểm soát phiên mã, số khác dịch mã Sự hoạt hóa trình dịch mã mRNA lục lạp IV.3 Ảnh hưởng tiểu RNA (miRNA ) đến dịch mã mRNA • Từ năm 1993, số nghiên cứu phát phân tử RNA mạch đơn kích thước nhỏ, gọi tắt tiểu - RNA (miRNA hay microRNA) có khả liên kết vào trình tự bổ sung với mRNA Cơ chế điều hòa biểu gen miRN VII – Biến đổi Protein • Thông thường mARN gắn lúc với nhiều ribosomes, tạo thành polyribosome (còn gọi polysome) • Polyribosome cho phép tế bào nhanh chóng tạo nhiều chuỗi polypeptide giống • Thông thường chuỗi polypeptid vừa giải mã chưa thể thực chức • Sau tổng hợp, chuỗi polypeptide phải biến đổi: acid amin mở đầu, số đoạn chuỗi polypeptid bị cắt bỏ, protein biến đổi cấu hình, gắn them số chức hóa học acetat, photphat , lập cầu nối disulfide cắt bỏ đọan peptid protein VIII – Phân hủy Protein • Cơ hội cuối cho điều hòa biểu gen diễn giai đoạn sau dịch mã Thông thường chuỗi polypeptide sinh vật nhân thật phải trải qua giai đoạn hoàn thiện để thu dạng phân tử protein biểu chức Ngoài nhiều protein phải trải qua nhiều biến đổi hóa học chuyển sang dạng biểu chức • Các protein điều hòa thường hoạt hóa bất hoạt cách phổ biến tương ứng việc gắn thêm nhóm phosphate (phosphoryl hóa) loại bớt nhóm phosphate (loại phosphoryl hóa), protein chuyển đến bề mặt tế bào động vật thường gắn thêm gốc đường • Các protein bề mặt tế bào nhiều protein khác phải vận chuyển đến đích tế bào nơi chúng biểu chức • Sự biểu gen xuất bước liên quan đến trình hoàn thiện vận chuyển protein trước • Để đánh dấu protein đặc thù cần phân giải, theo chế phổ biến, tế bào gắn vào protein phân tử protein nhỏ gọi ubiquitin Sau phức hệ protein kích thước “khổng lồ” có tên thể phân giải protein (proteosome) nhận protein đánh dấu ubiquitin phân giải chúng [...]...Tắt gen gây ra bởi sự metyl hóa DNA Tắt gen là một thuật ngữ khá mơ hồ nó liên quan đến sự biểu hiện của một số lượng tương đối lớn các gen không theo kiểu đặc biệt nào Sự tắt gen tương đối hạn chế đã được biết đến ở vi khuẩn Tuy nhiên sư tắt gen là tương đối phổ biến ở sinh vật bậc cao nó liên quan tới sự thay đổi của cả DNA và histon Tắt gen ảnh hưởng đến từng gen riêng biệt, một cụm gen, một... kiểm soát chủ yếu trong biểu hiện gen ở sinh vật bậc cao, thời gian tồn tại của mRNA phụ thuộc vào độ dài trình tự AU ở vùng 3’ không dịch mã và sự khử đuôi poly A Hầu hết các tế bào của sinh vật đa bào tồn tại trong một môi trường khá ổn định và thực hiện một hệ những chức năng đặc trưng trong một khoảng thời gian từ vài ngày đến vài tháng, thậm chí là trong cả cuộc đời của sinh vật Các mRNA trong tế... kết vào vùng metyl hoá D) HDAC sẽ liên kết với cả MeCP và ADN E) Và F) Các trình tự trong đó các đuôi histon bị deacetyl hoá và các nucleosome bị liên kết lại Tắt gen bắt đầu do sự metyl hoá II Điều hòa hoạt động gen bằng kiểm soát phiên mã Trước khi xem bằng cách nào các tế bào sinh vật bậc cao có thể điều khiển quá trình phiên mã thì chúng ta cần tìm hiểu cấu trúc của một gen điển hình ở sinh vật bậc. .. của một gen điển hình ở sinh vật bậc cao và phiên bản mã của nó Sơ đồ cấu trúc của một gen điển hình ở sinh vật bậc cao và phiên bản mã II.1 Điều hòa biểu hiện bằng các trình tự tăng cường (Enhancer) phiên mã: Một số yếu tố trình tự điều khiển, gọi là các yếu tố điều khiển gần, nằm ngay gần protmoter, còn các yếu tố điều khiển xa nằm cách promoter một đoạn xa hơn và chúng tập hợp thành một nhóm được... 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 Ba bước của cơ chế cắt-nối (splicing) pre-mRNA sinh vật bậc cao (1) lắp mũ 5’ (xảy ra cùng lúc phiên mã); (2) tách bỏ và gắn đuôi poly(A); và (3) splicing (xảy ra trong nhân trước khi mRNA đi ra tế bào chất) Cơ chế chi tiết của quá trình cắt nối các intron và exon ở sinh vật bậc cao A.Bản chất... nhóm được gọi là các trình từ tăng cường (enhancer) Mô hình hoạt động của enhancer và các yếu tố hoạt hóa phiên mã II.2 Phức hệ trung gian truyền tín hiệu tới RNA polymerase: Ở sinh vật bậc cao, thì các yếu tố phiên mã chúng đảm nhiệm cả 2 chức năng nhận diện và gắn vào promoter • Các yếu tố hoạt hoá ở sinh vật bậc cao như là các yếu tố hỗ trợ RNA polymerase di chuyển lên phía trước kể từ vị trí promoter... acid amin mở đầu, một số đoạn của chuỗi polypeptid bị cắt bỏ, protein biến đổi cấu hình, gắn them một số chức hóa học như acetat, photphat , lập cầu nối disulfide hoặc cắt bỏ 1 đọan peptid ở giữa protein VIII – Phân hủy Protein • Cơ hội cuối cùng cho sự điều hòa biểu hiện gen diễn ra ở giai đoạn sau dịch mã Thông thường các chuỗi polypeptide ở sinh vật nhân thật phải trải qua giai đoạn hoàn thiện để... có thể được phân hủy bởi nhiều con đường khác nhau, phụ thuộc vào sự deacetyl hóa, mức độ deacetyl hóa sẽ kiểm soát mức độ phân hủy Các con đường phân hủy mRNA ở sinh vật bậc cao VI - Dịch mã, tổng hợp protein • 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 ribôxôm và ARN vận chuyển Diễn... gồm họat hóa acid amin và dịch mã tại ribôxôm Họat hóa acid amin và gắn nó vào tARN + Quá trình họat hóa diễn ra ở tế bào chất + Mỗi acid amin(aa) sẽ kết hợp đồng hóa trị với tARN đặc hiệu nhờ năng lượng của ATP, được xúc tác bởi aminoacyl-tARN Mỗi enzyme đặc hiệu cho 1 aa và những tARN ứng với aa đó Dich mã tại Riboxom gồm 3 giai đọan – Mở đầu – Kéo dài – Kết thúc Giai đoạn mở đầu 1 Bán đơn vị nhỏ... cho pyrimidine; N = nucleotide bất kỳ D Sự tụ họp của bộ máy splicing (spliceosome), với 4 bước: (1) U 1và U2 bám vào các snRNP; (2) Sự bám vào của U4, U5, U6; (3) U1 được giải phóng trước và kế đó là U4; (4) U6 bám vào vị trí splice 5’ và hai phản ứng cắt-nối xảy ra, được xúc tác bởi các snRNP U2 và U6 IV- mARN xuyên qua lỗ nhân ra bào tương mARN gắn với 1 số protein đặc hiệu hnRNP ,nhận diện lỗ nhân ... cách tế bào sinh vật bậc cao điều khiển trình phiên mã cần tìm hiểu cấu trúc gen điển hình sinh vật bậc cao phiên mã Sơ đồ cấu trúc gen điển hình sinh vật bậc cao phiên mã II.1 Điều hòa biểu trình... Protein Biến đổi protein Điều hòa chế phân hủy Các giai đoạn biểu gen điều hòa sinh vật nhân thật Điều hòa biểu gen thay đổi cấu trúc NST hay cấu trúc phân tử DNA • Chủ yếu điều hòa cấu trúc chất nhiễm... vào thời điểm định Và tất gene có biểu liên tục, thông tin di truyền điều hòa theo cách khác Trong tiểu luận xin trình bày về: “Cơ chế điều hòa hoạt động biểu gen sinh vật bậc cao I Nguyên lý