Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 6: Điều hòa sự biểu hiện của gene - Nguyễn Hữu Trí

Nội dung text: Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 6: Điều hòa sự biểu hiện của gene - Nguyễn Hữu Trí

1. 24/03/2016 Lac Operon 3/24/2016 2:59:32 AM 21 Nguyễn Hữu Trí Lac Operon 3/24/2016 2:59:32 AM 22 Nguyễn Hữu Trí 11
2. 24/03/2016 Lac Operon 3/24/2016 2:59:32 AM 23 Nguyễn Hữu Trí Trp Operon • Trp operon chứa các gen cấu trúc cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp tryptophan. • Trp operon hoạt hóa quá trình phiên mã khi không có sự hiện diện của tryptophan. • Hệ thống ức chế được điều hòa bởi một cơ chế kiểm soát ngược âm. 3/24/2016 2:59:32 AM 24 Nguyễn Hữu Trí 12
3. 24/03/2016 Trp Operon • Trp operon được đóng khi tryptophan gắn vào và làm bất hoạt aporepressor. • Phức hợp tryptophan-repressor gắn vào operator và ngăn chặn quá trình phiên mã khi mức tryptophan cao. • Nếu mức tryptophan sụt giảm,phức hợp trp-repressor sẽ tách khỏi operator. 3/24/2016 2:59:32 AM 25 Nguyễn Hữu Trí Trp Operon - Điều hòa giảm bớt (Attenuation) • Attenuation – một hình thức rất nhạy kết hợp với sự điều hòa dịch mã của Trp operon. • Trình tự trp attenuator có chứa một trình tự base bổ sung ở đầu 5’ trong mRNA và có thể bắt cặp bổ sung tao thành cấu trúc thân (stem) và vòng (loop). 3/24/2016 2:59:32 AM 26 Nguyễn Hữu Trí 13
4. 24/03/2016 Trp Operon - Điều hòa giảm bớt 3/24/2016 2:59:32 AM 27 Nguyễn Hữu Trí Trp Operon - Điều hòa giảm bớt • Sự điều hòa giảm bớt là nguyên nhân gây ra kết thúc phiên mã sớm mRNA vì sự hình thành cấu trúc kẹp tóc ngừng phiên mã ở vùng đầu 5’ của mRNA • Nếu tRNA-trp hiện diện, quá trình tổng hợp peptide leader dẫn tới sự bắt cặp bổ sung của mRNA tạo thành cấu trúc ngăn cản hoạt động của RNAP. 3/24/2016 2:59:32 AM 28 Nguyễn Hữu Trí 14
5. 24/03/2016 Trp Operon - Điều hòa giảm bớt 3/24/2016 2:59:32 AM 29 Nguyễn Hữu Trí Trp Operon - Điều hòa giảm bớt DNA + trp RNA polymerase Ngừng phiên mã RNA Cấu trúc ngừng Leader peptide phiên mã DNA - trp RNA polymerase Phiên mã RNA tiếp tục Leader peptide 3/24/2016 2:59:32 AM 30 Nguyễn Hữu Trí 15
6. 24/03/2016 Một số Operon điều hòa giảm bớt 3/24/2016 2:59:32 AM 31 Nguyễn Hữu Trí Operon Arabinose 3/24/2016 2:59:32 AM 32 Nguyễn Hữu Trí 16
7. 24/03/2016 Operon Arabinose AraC protein có chức năng như một homodimer. Mỗi monomer đều có 2 domain, một domain có khả năng dimer hóa cũng có thể liên kết với arabinose và 1 domain liên kết với DNA. AraC là protein điều hòa kiểm soát dương và âm đối với promoter pBAD và kiểm soát âm với chính promoter pC. 3/24/2016 33 Operon Arabinose araO1: trình tự operator. Khi có arabinose, AraC cạnh tranh với RNA polymerase để bám vào trình tự này và tự ức chế quá trình phiên mã của chính nó (PC promoter), sự bám của AraC của AraC vào vị trí này giúp hoạt hóa sự biểu hiện của promoter PBAD. araO2: trình tự operator. Sự bám của 2 phân tử AraC lên trình tự O2 và I1 cách nhau 194 bp tạo thành loop, ức chế sự phiên mã tại PBAD promoter. araI: trình tự cảm ứng. Trong trường hợp không có arabinose, 2 phân tử AraC bám lên vùng I1 và vùng araO2 tạo loop, ức chế PBAD. Khi có arabinose, 2 phân tử AraC cùng bám lên vùng này (I1 và I2), kích hoạt sự biểu hiện PBAD. CRP (cAMP receptor binding protein) là protein có khả năng gắn với cAMP. Hỗ trợ cho quá trình tái sắp xếp của AraC khi có sự xuất hiện của arabinose. 3/24/2016 34 17
8. 24/03/2016 Arabinose Opreron Positive control pBAD : Khi có sự hiện diện của Arabinose, protein AraC đóng vai trò là activator, cảm ứng sự phiên mã ở promoter pBAD Negative control pBAD : Khi không có sự hiện diện của Arabinose, protein AraC đóng vai trò là repressor, ức chế sự phiên mã ở promoter pBAD Negative control pC: Khi không có arabinose: sự tạo loop bởi AraC ức chế sự tổng hợp AraC. Khi có mặt arabinose: dimeAraC mở vòng DNA, vùng pC được mở nhanh chóng gia tăng hoạt tính, tổng hợp AraC, RNA polymerase cạnh tranh với AraC ức chế sự hoạt động của pC, duy trì số lượng protein AraC nội bào rất thấp. CAP-cAMP đóng vai trò là repressor kiểm soát sự phiên mã protein điều hòa AraC. 3/24/2016 35 Operon Arabinose Promoter của araBAD operon ở E. coli được hoạt hóa khi có arabinose và không có glucose. Hai activator hoạt động là AraC và CAP. Khi arabinose hiện diện, AraC gắn với arabinose để hình thành cấu trúc dimer cho phép nó gắn vào DNA 2 vị trí nằm cạnh nhau là aral1 và aral2. Phía upstream là vị trí gắn của CAP: khi không có glucose, CAP gắn với cAMP và trở thành đồng hoạt hóa Ara operon. Khi không có arabinose, các gene araBAD không được biểu hiện. Vì khi không bám với arabinose, AraC thay đổi cấu hình bám vào DNA theo một cách khác: một monomer vẫn bám vào aral1 nhưng một monomer khác gắn vào vùng araO2 cách xa 194 bp hình thành cấu trúc vòng (loop). Khi đó, không có monomer của AraC tại vị trí aral2, và không có quá trình hoạt hóa phiên mã araBAD promoter diễn ra. 3/24/2016 36 18
9. 24/03/2016 CAP protein Ara cũng được điều hòa bởi sự ức chế biến dưỡng do protein CAP (Catabolite Activator Protein) glucose (+) ⇒ cAMP thấp ⇒ CAP tự do ⇒ không hình thành phức hợp CAP-cAMP ⇒ aAra operon không được phiên mã Glucose (-) ⇒ cAMP cao ⇒ hình thành phức hợp CAP-cAMP. Phức hợp này sẽ bám lên vị trí uptream của araI, giúp cho sự mở loop và tăng tính hiệu quả của phiên mã 3/24/2016 37 Arabinose operon Kiểm soát dương: sự gắn protein điều hòa lên DNA hoạt hóa phiên mã Kiểm soát âm: sự gắn protein điều hòa lên DNA ức chế sự phiên mã Kiểm soát dương (cảm ứng) Kiểm soát âm (cảm ứng) 3/24/2016 38 19
10. 24/03/2016 Điều hòa 2 thành phần 2 protein ở E. coli là PhoR và PhoB, điều hòa sự phiên mã đáp ứng với nồng độ phosphate tự do. PhoR (sensor) là một protein vận chuyển trên màng, nằm ở màng trong của tế bào, có domain nằm trong chu chất (periplasmic) liên kết với phosphate và domain trong tế bào chất có hoạt tính kinase; PhoB (response regulator) là một protein trong tế bào chất. 3/24/2016 2:59:32 AM 39 Nguyễn Hữu Trí Điều hòa từng tầng (Cascade regulation) • Một cơ chế điều hòa nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng ở prokaryote là sử dụng các nhâc tố σ khác nhau. • Mỗi σ định hướng cho RNA polymerase xác định và gắn lên promoter. Những promoter này kiểm soát sự biểu hiện của những nhóm genes liên quan đến một hoạt động chuyển hóa chuyên biệt của tế bào. • Sau đây là hai ví dụ về sự điều hòa biểu hiện của gen bằng cách sử dụng các nhân tô sigma khác nhau – Sử dụng luân phiên nhân tố σ bởi E. coli cho sự tự điều chỉnh thích hợp với môi trường mới – Sử dụng luân phiên nhân tố σ bởi SPO1 bacteriophage trong suốt quá trình xâm nhiễm 3/24/2016 2:59:32 AM 40 Nguyễn Hữu Trí 20
11. 24/03/2016 Sử dụng luân phiên nhân tố σ ở E. coli • Ở trạng thái bình thường, RNA polymerase holoenzyme chứa σ70, nhân tố σ phổ biến nhất, sự nhận biết promoter của các gen cấu trúc hầu hết là nhờ σ70. • Khi E. coli gặp môi trường shock nhiệt (heat shock) do sự tăng lên đột ngột nhiệt độ của môi trường, một nhân tố σ mới, σ32, được tổng hợp một lượng lớn và thay thế cho σ70 để định hướng cho RNA polymerase gắn vào heat- shock gene promoter. Sản phẩm biểu hiện của những gen này giúp cho tế bào chống lại những nguy hiểm do shock nhiệt. • Sự gia tăng hàm lượng σ32 vì : – (1) tăng cường dịch mã mRNA σ32 – (2) Sự ổn định của protein σ32. • Các nhân tố σ cũng được luân phiên sử dụng trong những hoàn cảnh môi trường khác nhau để biểu hiện các gen khác nhau 3/24/2016 2:59:32 AM 41 Nguyễn Hữu Trí Sử dụng luân phiên nhân tố σ ở E. coli 3/24/2016 2:59:32 AM 42 Nguyễn Hữu Trí 21
12. 24/03/2016 Sử dụng luân phiên nhân tố σ bởi SPO1 bacteriophage trong quá trình xâm nhiễm • SPO1 phage xâm nhiễm vào Bacillus subtilis có bước biểu hiện gene – các gen sớm, trung gian và các gene muộn được biểu hiện ở những thời điểm khác nhau của quá trình xâm nhiễm của phage. • Các gen sớm của phage được biểu hiện bởi RNA polymerase của vi khuẩn với việc sử dụng nhân tố σ của vi khuẩn. • Một trong những sản phẩm của gene sớm được biểu hiện đó là nhân tố σ28 của phage. nhân tố σ28 của phage sẽ thay thế nhân tố σ của vi khuẩn để định hướng RNA polymerase đến các promoter của các gene trung gian của phage. Trong số sản phẩm của các gene trung gian có một nhân tố σ34. Tới lượt nó, nhân tố σ34 tham gia vào quá trình biểu hiện của các gene muộn của phage. 3/24/2016 2:59:32 AM 43 Nguyễn Hữu Trí Kiểm soát phiên mã của virus • Virus sử dụng vật liệu của tế bào chủ để nhân lên, phiên mã và dịch mã các gene của virus, ngay khi hoạt hóa quá trình này chính là nguyên nhân làm tan tế bào chủ. Phage ôn hòa (temperate phage) được xác định khi provirus tách khỏi DNA tế bào chủ và trờ thành dạng lytic. Virus sẽ làm ngừng mọi hoạt động phiên mã và dịch mã bộ gen tế bào chủ. • Kiểm soát di truyền của Lamba (l) phage ôn hòa đã được nghiên cứu. Phage l trở thành dạng lysogenic khi tế bào chủ ở trong một môi trường thuận lợi và chúng có khả năng nhân lên nhanh chóng. Khi tế bào chủ tạo nên nhiều thế hệ mới, mỗi tế bào mang một phage l. phage l trở thành dạng tan khi tế bào chủ yếu đi. 3/24/2016 2:59:32 AM 44 Nguyễn Hữu Trí 22
13. 24/03/2016 Kiểm soát phiên mã của virus Hai virus protein, Cro và cI kiểm soát sức khỏe của tế bào chủ. Khi tế bào chủ khỏe, cI protein tích lũy để hoạt hóa chức năng gene lysogenic gene và ức chế chức năng gene lytic. Khi tế bào chủ suy yếu, Cro protein tích lũy, sẽ ức chế chức năng gene lysogenic và thúc đẩy hoạt động của gene lytic. Tỉ lệ của Cro với cI quyết định khi nào l phage sẽ là lysogenic hay Iytic. Các virus khác có cơ chế kiểm soát tương tự. 3/24/2016 2:59:32 AM 45 Nguyễn Hữu Trí Kiểm soát phiên mã của virus 3/24/2016 2:59:32 AM 46 Nguyễn Hữu Trí 23
14. 24/03/2016 Điều hòa sự biểu hiện của gen ở Prokaryote ở mức độ dịch mã • Ở prokaryotes, kiểm soát sự biểu hiện của gen ở mức độ dịch mã dựa vào các cơ chế sau : 1. Hiệu suất khởi đầu dịch mã khác nhau do những trính tự xung quanh start codon AUG. 2. Hiệu suất kéo dài dịch mã khác nhau do việc hình thành cấu trúc thứ cấp trên mRNA . 3. Tốc độ phân rã của các mRNA là khác nhau. 3/24/2016 2:59:32 AM 47 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 2:59 SA 48 Nguyễn Hữu Trí 24