CHƯƠNG X ĐIỀU HOÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN VÀ BIỆT HÓA TẾ BÀO

1. CHƯƠNG XĐIỀU HOÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN VÀ BIỆT HÓA TẾ BÀO

2. I CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỀU HÒA 1. Điều hòa thích nghiMột số amip 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 biến đổi thành dạng mô biểu bì.

3. Vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng tối thiểu có khả năng tổng hợp amino acid. Nhưng nếu cho amino acid vào thẳng mội trường nuôi, vi khuẩn ngừng tổng hợp amino acid. Đến khi nguồn amino acid hết, nó mới tự tổng hợp amino acid cho bản thân. Các biến đổi trên đều thuận nghịch chứng tỏ sự thay đổi chức năng ở đây không do biến dị di truyền và sự xuất hiện hay biến mất các cấu trúc mới không làm ảnh huởng tiềm năng di truyền sẵn có. Các hiện tượng trên do hiện tượng điều hòa gọi là điều hòa thích nghi

4. 2. Hoạt động nối tiếp của các gen Khi phage xâm nhập vi khuẩn, DNA của phage lúc đầu sao chép, sau đó các protein khác nhau mới được tổng hợp nên. Như vậy có các gen “sớm” sớm tạo enzyme sao chép DNA và các gen “muộn” xác định các thành phần của vỏ. Trong quá trình nhiễm khuẩn, nhóm gen đầu hoạt động, nhóm thứ hai hoạt động tiếp theo. Như vậy cơ chế điều hoà chức năng của gen diễn ra theo trình tự nghiêm ngặt. Đây là kiểu điều hòa nối tiếp.

5. 3. Biệt hóa tế bàoNhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiếu tỉ tế bào bắt nguồn từ một hợp tử do chia nguyên nhiễm. Từ một hợp tử khi truởng thành, cơ thể người có khoảng 200 loại tế bào khác nhau (tế bào gan, tim, thận, da, …). Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin. Quá trình chuyên môn hóa chức năng của tế bào được gọi là sự biệt hóa tế bào. Tuy có sự biệt hóa nhưng tế bào vẫn giữ nguyên vẹn khả năng di truyền của mình.

6. 4. Khái quát về điều hòa ở Prokaryotae và Eukaryotae Có sự khác nhau đáng kể giữa Prokaryotae và Eukaryotae trong điều hòa sự biểu hiện của các gen. Các tế bào Eukaryota có cấu tạo phức tạp hơn nhiều nên sự điều hòa có nhiều mức độ và chi tiết hơn ở tế bào Prokaryota.

7. a. Sự biểu hiện của gen ở ProkaryotaeBộ máy di truyền của sinh vật tiền nhân là một DNA vòng tròn chứa một số lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất. Chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào. Do đó hoạt động của các gen được điều hoà 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.

8. Sự biểu hiện của gen ở Prokaryotae Trang 236 tRNA Amino acid Màng tế bào Design by HTV

9. b. Sự biểu hiện của gen ở EukaryotaKhác với Prokaryota, nhiễm sắc thể của Eukaryota có cấu trúc phức tạp hơn. Trên cấu trúc nhiễm sắc thể có sự tham gia của protein histone có vai trò điều hòa sự biểu hiện của các gen. Sự điều hòa biểu hiện của gen ở Eukaryota phải qua nhiều mức điều hòa phức tạp hơn Prokaryota và qua nhiều giai đoạn như: NST tháo xoắn, phiên mã, biến đổi sau phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến đổi sau dịch mã.

10. Ngoài ra, ở Eukaryota, mỗi tế bào có biểu hiện sống không phải tự do mà chịu sự biệt hóa theo chức năng chuyên biệt trong mối quan hệ hài hòa với cơ thể. Các vi khuẩn thường phản ứng trực tiếp với môi trường và sự biểu hiện gen thuận nghịch. Còn các tế bào Eukaryota có những con đường biệt hóa khác nhau và thường sự chuyên hóa là ổn định thường xuyên trong đời sống cá thể. Ngoài ra, ở Eukaryotae có những gen chỉ biểu hiện ở phôi rồi dừng hẳn.

11. Sự biểu hiện của gen ở Eukaryotae Sự dịch mã Sự phiên mã Chế biến Vận chuyển đến tế bào chất mRNA tRNA Amino acid rRNA tRNA Protein Ribosome Tế bào chất Lỗ nhân Bản phiên mã sơ cấp mRNA Nhân Màng tế bào Design by HTV

12. II. CÁC MỨC ĐIỀU HÒA.

14. 1. Điều hòa phiên mã (trans-cription) Đây là sự điền hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen.Kiểu điều hòa này chúng ta sẽ gặp trong điều hòa trao đổi chất, cũng như các quá trình biệt hóa tế bào.

15. 2. Điều hòa dịch mã (translation) Sự điều hòa biểu hiện ở mức tác động lên RNA thông tin, chúng ta đã gặp trường hợp trên khi RNA thông tin bị cắt bỏ các intron và gắn các exon lại với nhau để tạo thành RNA thông tin trưởng thành. Như vậy, các hệ thống ảnh hưởng đến sự trưởng thành của RNA thông tin có thể kiểm tra gián tiếp biểu hiện của gen tương ứng. Các mRNA của Eukaryota còn có những đoạn không mã hóa liên quan tới thời gian tồn tại và việc ra khỏi nhân vào tế bào chất.

16. 3. Điều hòa hoạt tính của protein. Sau khi mạch polypeptide được tổng hợp nên, các protein nhiều khi chịu các biến đổi thứ cấp trước khi biểu hiện hoạt tính. Ví dụ trypsin là enzyme phân giải protein trong dạ dày chỉ có đươc hoạt tính sau khi chất tiền thân của nó (proenzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạn polypeptide. Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể (allosteric): 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.

17. III. ĐIỀU HOÀ Ở PROKARYOTAE Tế bào Escherichia coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3000 loại khác nhau, trung bình mổi loci có khoảng 3000 phân tử khác nhau. Nhưng trên thực tế có lúc trong tế bào có loại phân tử protein đạt khoảng 500.000 còn các loại khác chỉ khoảng 10 phân tử. Như vậy không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng bằng nhau, và tế bào phải có những cơ chế điều hoà để tổng hợp protein tiết kiệm và hợp lý nhất. Năm 1962, Monod, Tacob và Lwoff đã nêu ra quan niệm về operon để giải thích sự điều hoà.

18. Trong tế bào có những enzyme được tổng hợp đều đặn nên gọi là các enzyme cơ cấu (constitutif), các enzyme khác chỉ xuất hiện khi có mặt chất cần biến đổi nên gọi là enzyme cảm ứng (inducible). Tương ứng có 2 loại gen được phân biệt : gen cơ cấu và gen điều hoà(regulator). Các gen cơ cấu được phiên mã liên tục, các sản phẩm của chúng thường xuyên có mặt trong tế bào. Các gen được điều hoà hoạt động tuỳ điều kiện cụ thể của môi trường.

19. 1. Kiểm tra biến dưỡng Quá trình biến dưỡng là quá trình tổng hợp các chất cần thiết cho tế bào như quá trình tổng hợp amino acid. Quá trình tổng hợp tryptophan bắt đầu từ chất tiền thân A (acid chorismique) trải qua 5 giai đoạn kế tiếp do 5 enzyme xúc tác. Quá trình tổng hợp 5 enzyme E1, E2, E3, E4, E5 do 5 gen nằm kề nhau điều khiển Trp1, Trp2, Trp3, Trp4, Trp5.

20. Ở một đầu của 5 gen cấu trúc có 2 gen nữa là gen khởi động và gen chỉ huy. Toàn bộ các gen cấu trúc, gen khởi động và chỉ huy tập hợp thành một operon. Một gen khác, cũng là gen cấu trúc không nằm kề operon, được gọi là gen điều hòa (regulator). Gen điều hòa thường xuyên tạo ra 1 pro được gọi là chất kìm hãm (repressor), nhưng chất này chưa có hoạt tính.

21. a. Trong trường hợp thiếu tryptophan, mRNA–polymerase gắn ở gen khởi động sẽ di chuyển theo chiều dài của operon, tổng hợp nên mRNA thông tin chung cho cả 5 gen. Tiếp theo cả 5 enzyme E1, E2, E3, E4, E5 được tạo thành để tổng hợp tryptophan . b. Nếu tryptophan dư thừa tích tụ trong tế bào chất, nó sẽ như 1 chất đồng kìm hãm và gắn với chất kiềm hãm tạo nên dạng có hoạt tỉnh kìm hãm. Chất này gắn lên gen chỉ huy làm ngưng trệ phiên mã nên việc sản xuất tryptophan bị dừng. Sự điều hòa này gọi là sự điều hòa ngược.

22. Điều hòa tổng hợp tryptophan Gen điều hòa Ribosome Enzyme1 Enzyme 2 Enzyme 3 Enzyme 5 Enzyme 4 Gen điều hòa Chuỗi sinh tổng hợp tryptophan RNA polymerase Ribosome Phức hợp chất kìm hãm-đồng kìm hãm có hoạt tính Kìm hãm bất hoạt Chất đồng kìm hãm tryptophan Design by HTV

24. 2. Kiểm tra thoái dưỡng Trong thoái dưỡng các chất thức ăn được phân hủy dễ tạo năng lượng hoặc các chất cần thiết cho quá trình tổng hợp. Về nguyên tắc, cơ chế điều hoà giống với điều hòa biến dưỡng, chỉ khác là sự có mặt của cơ chất dẫn tới tổng hợp các enzyme phân huỷ.

25. Trường hợp operon lactose là ví dụ rất rõ về cơ chế điều hòa này. Thông thường tế bào vi khuẩn sử dụng đường glucose nhưng khi thiếu glucose mà có lactose, tế bào sẽ tạo các enzyme phân hủy lactose. Tế bào E.coli có 3 gen (G1, G2, G3) cấu trúc của 3 enzyme (beta–galactosidase, permease, transacetylase) xúc tác các phản ứng chu trình phân hủy lactose.

26. Gen điều hòa R tổng hợp chất kìm hãm là 1 protein. Khi có đường lactose trong tế bào, nó sẽ kết hợp với chất kìm hãm làm chất này mất hoạt tính. Nhờ đó, việc phiên mã các gen cấu trúc được tiến hành nhờ tổng hợp các enzyme (E1, E2, E3) biến đổi đường lactose. Khu đường lactose biến đổi hết, chất kìm hãm được giải phóng, nó trở lại kìm hãm gen chỉ huy làm quá trình phiên mã bị đình trệ, sự tổng hợp các enyme bị ngừng.

27. Điều hòa phân hủy lactose: a)không có lactose b) có lactose a) RNA polymerase Ribosome b) Ribosome RNA polymerase Design by HTV

28. IV. SÖÏ BIEÄT HOÙA TEÁ BAØO1. Caùc teá baøo bieät hoùa chöùa thoâng tin di truyeàn nhö nhauÔÛ caùc sinh vaät baäc cao cuõng nhö ôû ngöôøi, cô theå tröôûng thaønh goàm nhieàu teá baøo khaùc nhau. Caùc teá baøo naøy ñeàu baét nguoàn töø moät hôïp töû ban ñaàu, nhöng quaù trình bieät hoùa ñeå thöïc hieän caùc chöùc naêng khaùc nhau. Tuy nhieân thöïc nghieäm xaùc ñònh raèng soá löôïng nhieãm saéc theå, soá löôïng DNA vaø tæ soá A+G/G+C cuûa caùc teá baøo thuoäc caùc moâ khaùc nhau cuûa cuøng moät cô theå ñeàu gioáng nhau.

29. Söû duïng kyõ thuaät lai ADN cho thaáy ADN töø nhöõng teá baøo cuûa caùc moâ khaùc nhau cuûa cuøng moät caù theå khoâng bò bieán ñoåi trong quaù trình bieät hoùa, chuùng coù theå töï hoài tính (renaturation) vôùi nhau.Toùm laïi, soá löôïng ADN cuûa caùc teá baøo bieät hoùa veà caên baûn gioáng vôùi cuûa hôïp töû ban ñaàu vaø chöùa nguyeân veïn thoâng tin di truyeàn ñuû ñeå phaùt trieån thaønh caù theå nguyeân veïn.

30. 2. Caùc teá baøo chæ söû duïng moät phaàn thoâng tinPhaân tích sinh hoùa cho thaáy caùc teá baøo thuoäc caùc moâ khaùc nhau coù haøm löôïng protein vaø ARN khaùc nhau raát nhieàu. Nhieàu loaïi teá baøo chuyeân hoùa toång hôïp chuû yeáu moät protein.Ví duï :Teá baøo cô toång hôïp nhieàu myosin,moät protein quan troïng trong cô co, hay teá baøo bieåu bì (epithalial) toång hôïp nhieàu keratine.

31. Nhö vaäy cuøng chöùa thoâng tin di truyeàn nhö nhau, nhöng moãi teá baøo bieät hoùa chæ söû duïng moät phaàn thoâng tin ; toång hôïp chuû yeáu moät loaïi protein, khoâng toång hôïp caùc loaïi khaùc tuy chuùng coù thoâng tin cuûa caùc loaïi naøy Söï khaùc nhau giöõa mARN cuûa caùc teá baøo bieät hoùa khaùc nhau cuûa cuøng moät cô theå cuõng cho thaáy thoâng tin chæ söû duïng moät phaàn.

32. 3. Hoaït ñoäng noái tieáp cuûa caùc gen trong quaù trình phaùt trieån phoâiCaùc traïng thaùi bieät hoùa cuûa teá baøo ñaït ñöôïc nhôø haøng loaït caùc giai ñoaïn, maø trong ñoù caùc gen khaùc nhau hoaït ñoäng noái tieáp. Nhieàu söï kieän chöùng minh hoaït ñoäng noái tieáp cuûa caùc gen, ví duï; caùc choã phình (puff) treân nhieãm saét theå khoång loà. ÔÛ moãi giai ñoïan phaùt trieån, moät soá gen môû hoaït ñoäng, moät soá gen khaùc ñoùng vaø coù söï thay ñoåi hoaït ñoäng cuûa caùc gen trong quaù trình phaùt trieån caùc theå.

33. Chỗ phình trên nhiễm sắc thể khổng lồ Design by HTV

34. 4. Söï ñieàu hoøa phieân maõ laø caên baûn trong bieät hoùa teá baøoGiaû thieát ñöôïc chaáp nhaän hieän nay laø trong caùc teá baøo bieät hoaù, moät soá gen phieân maõ, moät soá gen khaùc thì khoâng. Khoâng coù söï kieän naøo maâu thuaãn vôùi giaû thuyeát naøy vaø noù giaûi thích hôïp lyù hôn caû tình trang bieät hoaù cuûa caùc teá baøo . Vieäc phaùt trieån caùc gen ñieàu hoaø vaø caùc gen ñoùng hay môû giuùp hieåu ñöôïc söï ñieàu hoaø quaù trình phaùt trieån caù theå vaø bieät hoaù teá baøo.

35. Boä gen ñôn boäi cuûa teá baøo ngöôøi coù soá löôïng ADN gaáp 1.000 laàn so vôùi genome vi khuaån. Tuy nhieân, soá löôïng gen caáu truùc ôû ngöôøi chæ gaáp 10 laàn so vôùi gen caáu truùc vi khuaån. Ñieàu ñoù cho thaáy raát nhieàu gen ôû ngöôøi tham gia vaøo caùc cô cheá ñieàu hoaø.

36. 5. Ñieàu hoaø söï phaùt trieån phoâi Söï ñieàu hoøa ôû möùc phieân maõ giöõ vai troø quan troïng trong söï phaùt trieån phoâi. Ngay laàn phaân chia ñaàu tieân cuûa hôïp töû, neáu teá baøo chaát phaân boá khoâng ñeàu thì seõ coù aûnh höôûng ñeán quaù trình bieät hoùa teá baøo tieáp theo. Söï phaân boá caùc chaát ôû phoâi mang vaø phoâi vò khoâng ñoàng ñeàu daãn ñeán söï bieät hoùa. Nhöõng tín hieäu töø caùc teá baøo laân caän cuõng coù aûnh höôûng ñeán söï bieät hoaù caùc teá baøo.

37. Ngoaøi hoaït ñoäng cuaû teá baøo chaát ,ngay trong caáu taïo nhieãm saét theå cuûa sinh vaät eucaryota cuõng coù chöùa caùc nhaân toá phaân töû giöõ vai troø ñieàu hoaø. Ñoù laø caùc protein histone vaø protein acid khoâng chöùa histon. Moät hoãn hôïp in vitro goàm DNA, RNA–polymerase vaø caùc ribonucleoside triphosphate ñang phieân maõ taïo RNA, neáu theâm histon vaøo quaù trình bò ngöng.

38. Coù leõ histon kìm haõm hoaït ñoäng cuûa ADN. Nhöng hoãn hôïp ñaõ coù chöaù histone noùi treân neáu theâm vaøo caùc protein acid thì quan saùt thaáy coù toång hôïp ARN. Tuy nhieân chöa roõ caùc protein acid laø caùc nhaân toá duy nhaát xaùc ñònh hoaït tính caùc gen hay chæ laø nhöõng yeáu toá trung gian trong moät chuoãi phöùc taïp cuûa söï ñieàu hoaø.