Giáo trình Sinh học phân tử (Phần 2) - Hoàng Trọng Phán

Nội dung text: Giáo trình Sinh học phân tử (Phần 2) - Hoàng Trọng Phán

1. (a) (b) Hình 5.13. (a) Cấu trúc b ậc hai (trái) và b ậc ba của tARN-Ala. (b) M ột s ơ đồ hóa khác v ề cấu trúc của tARN (trái) và ho ạt độ ng d ịch mã trên mARN theo nguyên t ắc b ổ sung – ng ược chi ều gi ữa anticodon và codon. 2.3. ARN ribosome (rARN) và ribosome Các rARN cùng v ới các protein đặ c thù là nh ững thành ph ần c ấu trúc nên các ribosome là “nhà máy” tổng h ợp protein c ủa t ế bào. Ở vi khu ẩn có 3 lo ại rARN có các h ệ s ố l ắng là 23S, 16S (Hình 5.14) và 5S, v ới s ố l ượng nucleotide t ươ ng ứng là 2904, 1542 và 120 (Bảng 5.5). Ở t ế bào eukaryote có 4 lo ại rARN với các hệ s ố l ắng là 28S, 18S, 5,8S và 5S (Hình 5.15). Riêng các t ế bào th ực v ật còn có các rARN được mã hoá bởi ADN l ạp th ể (chloroplast DNA = cpDNA). 83
2. Hình 5.14. Cấu trúc b ậc hai c ủa rARN 16S. Hình 5.15. Cấu trúc t ổng quát các đơn v ị phiên mã c ủa pre-rARN ở các eukaryote. Ba vùng mã hóa (màu xanh) mã hóa các rARN 18S, 5.8S và 28S phát hi ện được trong các ribosome c ủa các eukaryote b ậc cao ho ặc một s ố loài t ươ ng đươ ng v ới chúng. Th ứ t ự các vùng mã hóa trong các b ộ gen này luôn luôn theo chi ều 5' →3'. S ự thay đổ i v ề độ dài các đoạn đệ m được phiên mã (vàng nh ạt) nói lên s ự sai khác trong chi ều dài c ủa các đơn v ị phiên mã (transcription unit) c ủa pre-rARN ở các sinh v ật khác nhau. Mỗi ribosome hoàn ch ỉnh có hai ti ếu đơn v ị bé và lớn. Hai ti ểu đơn v ị này ch ỉ k ết h ợp v ới nhau t ạo ra m ột ribosome ho ạt độ ng khi quá trình d ịch mã trên mARN th ực s ự b ắt đầ u. Ti ểu đơn v ị bé bám vào mARN tr ước tiên trong d ịch mã. Ti ểu đơn v ị l ớn ch ứa hai v ị trí: v ị trí A là n ơi bám vào của aminoacyl-tARN và v ị trí P là ch ỗ d ừng t ạm c ủa peptidyl-tARN. Trong ti ểu đơn v ị l ớn có ch ứa peptidyl transferase . Enzyme này có ch ức n ăng tách g ốc peptidyl ra kh ỏi tARN của nó ( ở v ị trí P) và n ối v ới aminoacyl-tARN (ở v ị trí A) b ằng m ột liên k ết peptide làm cho chu ỗi polypeptide sinh tr ưởng dài ra theo chi ều N → C. Các h ợp phần c ấu t ạo nên các ribosome c ủa prokaryote và eukaryote được trình bày ở B ảng 5.5 và Hình 5.16. (a) (b) 84
3. (c) Hình 5.16. Cấu trúc ribosome c ủa E. coli . (a) Ribosome 70S nhìn t ừ m ặt bên với ti ểu ph ần 30S particle (màu vàng) và ti ểu ph ần 50S ( đỏ ) đang dính v ới nhau. (b) Ribosome 70S xoay m ột góc 90 độ so v ới hình (a). [Ngu ồn: J. Lake (1976), J. Mol. Biol. 105; p.155, fig.14]. (c) S ơ đồ các v ị trí ho ạt độ ng c ủa m ột ribosome. 3. D ịch mã (Translation) Dịch mã (translation) hay t ổng h ợp protein là m ột quá trình sinh h ọc quan tr ọng di ễn ra trong tế bào ch ất, và ph ụ thu ộc vào nhi ều y ếu t ố; quan tr ọng nh ất là các mARN, tARN và ribosome. mARN mang thông tin quy định trình t ự k ết h ợp các axit amin vào chu ỗi polypeptide, mà vi ệc d ịch mã mARN được th ực hi ện b ởi các aminoacyl-tARN, còn ribosome đóng vai trò ổn đị nh vi ệc k ết hợp gi ữa mARN v ới các tARN (Hình 5.18). Quá trình này được chia làm hai giai đoạn d ưới đây. Bảng 5.5. Thành ph ần c ấu t ạo c ủa ribosome ở Prokaryote và Eukaryote Vi khu ẩn Tế bào động v ật có vú RIBOSOME 70S 80S Đường kính 18-20 nm 20-22 nm Ti ểu đơn v ị l ớn 50S 60S rARN 23S (2904 nt) 28S (4.718 nt) 5S (120 nt) 5,8S (160 nt) 5S (120 nt) Protein 34 phân t ử ~50 phân t ử Ti ểu đơn v ị bé 30S 40S rARN 16S (1.542 nt) 18S (1.874 nt) Protein 21 phân t ử ~35 phân t ử 3.1. Ho ạt hoá axit amin Quá trình này di ễn ra trong bào t ươ ng t ạo ngu ồn các tARN mang các axit amin s ẵn sàng tham gia d ịch mã. M ỗi axit amin được đính vào tARN thích h ợp nh ờ m ột enzyme aminoacyl-tARN synthetase đặc thù. Tr ước tiên, enzyme này (E) xúc tác cho ph ản ứng ATP ho ạt hoá axit amin, v ới sự có m ặt c ủa Mg 2+ , t ạo ra ph ức h ợp [aminoacyl-AMP + E]. (Hình 5.17) R−CH(NH 2)−COOH + ATP → E*[R−CH(NH 2)−CO~AMP] + PP Ti ếp theo, c ũng d ưới tác d ụng c ủa enzyme đó, ph ức h ợp này k ết h ợp v ới tARN thích h ợp 85
4. bằng liên k ết đồ ng hoá tr ị để t ạo ra aminoacyl-tARN . E*[R−CH(NH 2)−CO~AMP] + tARN → R−CH(NH 2)−CO~tARN + AMP 3.2. C ơ ch ế d ịch mã (t ổng h ợp chu ỗi polypeptide) Bước 1: M ở đầ u (initiation) Quá trình d ịch mã b ắt đầ u khi m ột ti ểu đơn v ị ribosome bé bám vào mARN t ại v ị trí c ủa codon kh ởi đầ u AUG. Lúc này m ột phân t ử tARN kh ởi đầ u đặ c thù mang methionine ( ở vi khu ẩn là formyl-Met; c ấu trúc c ủa Met và f-Met được gi ới thi ệu d ưới đây) đi vào và kh ớp anticodon c ủa nó với codon m ở đầ u c ủa mARN. K ế đó, ti ểu đơn v ị ribosome l ớn bám vào ti ểu đơn v ị bé t ạo ra m ột ribosome ho ạt độ ng hoàn ch ỉnh. Lúc này Met-tARN ở v ị trí P và v ị trí A để tr ống; m ột tARN th ứ hai (aa 2- tARN) đi vào v ị trí A và kh ớp v ới codon th ứ hai (Hình 5.20). amino acid R O tRNA - = H2N-C-C-OH 3’ - H ATP R O - = H2N-C-C-O-P-O-ribose-adenine PPi - H amino acid đã được ho ạt hoá AMP R O - = H2N-C-C-O - Ho ạt hoá amino acid và H gắn aa vào tRNA aminoacyl-tRNA Hình 5.17. Sự ho ạt hoá axit amin và g ắn axit amin đã ho ạt hoá vào tARN. Hình 5.18. Một ribosome đang tham gia d ịch mã trên mARN cùng với các tARN mang các axir amin tươ ng ứng. Ở E. coli , b ước này có s ự tham gia c ủa các y ếu t ố m ở đầ u (IF-1, IF-2 và IF-3), GTP và đặc bi ệt là, s ự t ươ ng tác gi ữa trình t ự Shine-Dalgarno giàu purine ở vùng 5'-UTR c ủa mARN v ới trình tự b ổ sung c ủa rARN 16S có mặt trong ti ểu đơn v ị ribosome bé (R30S). Nh ờ đó R30S có th ể bám 86
5. vào mARN, nh ận bi ết codon m ở đầ u AUG để có th ể b ắt đầ u quá trình d ịch mã tại v ị trí chính xác (Hình 5.19). Hình 5.19. Mở đầ u d ịch mã ở t ế bào E. coli (trên) và trình t ự Shine-Dalgarno ở vùng 5'UTR c ủa E. coli và các phage c ủa chúng. Bước 2: Kéo dài (elongation) Quá trình kéo dài b ắt đầ u sau khi liên k ết peptide đầu tiên được hình thành. Ph ản ứng này được xúc tác b ởi enzyme peptidyl transferase , và k ết qu ả là t ạo ra m ột peptidyl-tARN ở v ị trí A (fMet-aa 2-tARN). Sau đó, ribosome l ập t ức chuy ển d ịch sang m ột codon m ới d ọc theo mARN theo chi ều 5' →3'. Ph ản ứng này đẩy phân t ử tARN t ự do v ốn ở v ị trí P ra ngoài; lúc này peptidyl-tARN (fMet-aa 2-tARN) n ằm ở v ị trí P và v ị trí A l ại để tr ống. M ột chu k ỳ d ịch mã m ới l ại b ắt đầ u, m ột aminoacyl-tARN th ứ ba (aa 3-tARN) đi vào và kh ớp anticdon c ủa nó v ới codon đang để tr ống ở v ị trí A, m ột liên k ết peptid th ứ hai được hình thành (fMet-aa 2-aa 3-tARN), và ribosome l ại d ịch chuy ển sang codon k ế ti ếp. Quá trình nói trên di ễn ra m ột cách tu ần t ự d ọc theo mARN theo chu k ỳ ba bước nói trên, và làm cho chu ỗi polypeptide dài d ần ra cho đến d ịch mã xong codon có ngh ĩa cu ối cùng (Hình 5.21). Bước 3: K ết thúc (termination) Quá trình t ổng h ợp chu ỗi polypeptide s ẽ d ừng l ại khi m ột codon k ết thúc được đưa đối di ện với v ị trí A để tr ống, v ốn được nh ận bi ết b ởi m ột protein k ết thúc g ọi là nhân t ố gi ải phóng RF (release factor). S ự có m ặt c ủa nó cùng v ới transferase c ắt r ời chu ỗi polypeptide ra kh ỏi tARN cu ối cùng và phóng thích hai ti ểu đơn v ị ribosome c ũng nh ư chu ỗi polypeptide và tARN ra kh ỏi mARN (Hình 5.22). 87
6. Hình 5.20. Mở đầ u d ịch mã ở t ế bào E. coli . Hình d ưới phân bi ệt c ấu t ạo c ủa N-formylmethionine - axit amin Met đã được s ửa đổ i để ch ỉ chuyên làm nhi ệm v ụ m ở đầ u cho quá trình d ịch mã ở fMet tế bào vi khu ẩn (nó được nh ận bi ết và mang b ởi m ột lo ại tARN m ở đầ u g ọi là tRNA i ) v ới lo ại Methionine bình th ường. Hình 5.21. Quá trình tổng h ợp kéo dài chu ỗi polypeptide. 88
7. Hình 5.22. Quá trình k ết thúc tổng h ợp chu ỗi polypeptide . 4. Nh ững điểm khác bi ệt trong phiên mã và d ịch mã ở prokaryote và eukaryote (1) Trên đây m ới ch ỉ phân tích ho ạt độ ng c ủa m ột ribosome trên mARN. Th ực ra, trên m ột mARN có r ất nhi ều ribosome cùng ho ạt độ ng, g ọi là polyribosome hay polysome , t ạo ra nhi ều polypeptide gi ống nhau. Hình 5.23. Nhi ều ribosome (polysome) n ối đuôi nhau tr ượt qua mARN để t ổng h ợp hàng lo ạt polypeptide trên m ột phân t ử mARN. (2) Trên nguyên t ắc, axit amin mở đầ u s ẽ được c ắt b ỏ kh ỏi chu ỗi polypeptide (sau khi t ổng hợp được vài axit amin nh ư trong tr ường h ợp các vi khu ẩn) ho ặc tr ước khi chu ỗi được t ổng h ợp đầ y đủ (nh ư ở tr ường h ợp eukaryote). Tuy nhiên, ở các eukaryote không ph ải lúc nào axit amin mở đầ u này c ũng b ị tách b ỏ, mà trong m ột s ố protein nó v ẫn được gi ữ l ại. (3) Sau khi được t ổng h ợp, các chu ỗi polypeptide s ơ c ấp này s ẽ được s ửa đổ i và chuy ển sang các b ậc c ấu trúc cao h ơn theo cách đặc thù để tr ở thành các protein ho ạt độ ng ch ức n ăng. 89
8. (4) Tham gia vào các b ước m ở đầ u, kéo dài và k ết thúc còn có các y ếu t ố protein, v ới tên g ọi tươ ng ứng là các nhân t ố m ở đầ u (IF: initiation factor), nhân t ố kéo dài (EF: elongation factor; g ồm 2+ + + EF-Tu và EF-G), và nhân t ố gi ải phóng (release factor) v ới GTP và các ion Mg , K và NH 4. (5) Trong các t ế bào prokaryote, do không có màng nhân và các mARN đa cistron v ốn d ĩ không ph ải qua s ửa đổ i sau phiên mã, cho nên các ribosome và các aminoacyl-tARN sẽ bám vào đầu 5' c ủa mARN để b ắt đầ u quá trình d ịch mã ngay trong khi ở đầ u 3' c ủa nó quá trình phiên mã đang còn ti ếp di ễn. Ng ược l ại, ở các t ế bào eukaryote vì có màng nhân phân cách và các pre-mARN còn ph ải tr ải qua các công đoạn s ửa đổ i ph ức t ạp sau phiên mã (t ất c ả đề u di ễn ra trong nhân), còn dịch mã di ễn ra sau đó ở trong t ế bào ch ất. Vì th ế cho nên phiên mã và d ịch mã rõ ràng là hai quá trình tách bi ệt nhau c ả v ề c ả không gian l ẫn th ời gian. TÓM T ẮT (1) Phiên mã và d ịch mã là hai hai giai đọan chính trong s ự bi ểu hi ện c ủa các gen mã hóa protein ở các t ế bào. Phiên mã là quá trình t ổng h ợp các ARN t ừ m ạch khuôn c ủa các gen c ấu trúc, xảy ra d ưới tác d ụng c ủa các ARN polymerase theo nguyên t ắc b ổ sung và ng ược chi ều v ới m ạch khuôn c ủa gen. Còn quá trình t ổng h ợp protein di ễn ra t ại các ribosome trong t ế bào ch ất trên khuôn của mARN, v ới s ự tham gia c ủa các tARN (2) Trong khi s ự phiên mã t ất c ả các gen trong b ộ gen ở sinh v ật nhân s ơ ch ỉ do 1 lo ại ARN polymerase đảm nh ận, thì ở các t ế bào sinh v ật nhân chu ẩn có t ới 3 lo ại ARN polymerase I, II và III ch ịu trách nhi ệm t ổng h ợp các lo ại ARN khác nhau c ủa t ế bào. Promoter là c ơ ch ất tác độ ng chính của các ARN polymerase, chúng có các trình t ự b ảo t ồn cao độ - gọi là h ộp TATA. (3) Trong m ọi t ế bào đều có ba lo ại phân t ử ARN tham gia vào quá trình t ổng h ợp protein: mARN, tARN và rARN. Ở các tế bào nhân chu ẩn còn có nhi ều lo ại ARN khác n ữa th ực hi ện các ch ức n ăng khác nhau. (4) T ổng h ợp protein là quá trình ph ức t ạp có sự tham gia c ủa nhi ều y ếu t ố, trong đó quan tr ọng nh ất là các mARN, tARN và ribosome c ũng nh ư các enzyme và ngu ồn n ăng l ượng c ần thi ết. Kết qu ả là t ổng h ợp ra các phân t ử protein tham gia vào m ọi ho ạt độ ng s ống c ơ s ở c ủa t ế bào. CÂU H ỎI VÀ BÀI T ẬP 81. Trong quá trình d ịch mã, ribosome d ịch chuy ển trên mARN ngay sau khi kh ớp b ổ sung gi ữa anticodon và codon. (a) Đúng. (b) Sai. 82. Về m ặt t ổ ch ức, mARN tr ưởng thành c ủa prokaryote khác bi ệt m ột cách c ăn b ản v ới mARN c ủa eukaryote ch ủ y ếu ở vùng nào? A. Vùng kh ởi độ ng. B. Vùng mã hoá protein. C. Vùng theo sau hay 3'-UTR. D. Vùng d ẫn đầ u hay 5'-UTR. 83. Phiên mã là quá trình t ổng h ợp các ARN theo chi ều ___ d ưới tác d ụng c ủa ARN polymerase ho ạt độ ng d ọc theo m ạch khuôn có chi ều ___. A. 5' đến 3'; 5' đế n 3. B. 5' đến 3'; 3' đế n 5'. C. 3' đến 5'; 5' đế n 3'. D. 3' đến 5'; 3' đế n 5'. 90
9. 84. Phát bi ểu nào sau đây về các gen mã hoá các histone là không đúng? A. Đằng sau các gen không có trình t ự AATAAA. B. Các mARN tr ưởng thành không có đuôi poly(A). C. Các mARN c ủa chúng không có chóp m 7Gppp. D. Không có quá trình c ắt-nối (splicing) sau phiên mã. 85. Sự đọ c mã trên mARN di ễn ra trung th ực là do A. peptidyl transferase. B. đoạn -CCA (3’). C. aminoacyl~tARN synthetase. D. anticodon c ủa tARN. 86. Phân tích c ấu trúc và t ổ ch ức c ủa m ột gen điển hình cho b ộ gen các sinh v ật nhân chu ẩn và v ẽ một s ơ đồ minh h ọa. 87. Một đoạn trình t ự baz ơ ở mạch đố i khuôn của m ột gen mã hóa protein nh ư sau: 5'- AACGTATTCAACTCA-3'. Hãy cho bi ết: (a) Trình t ự baz ơ c ủa ARNm và trình t ự axit amin tươ ng ứng. (b) Đoạn polypeptid s ẽ nh ư th ế nào n ếu m ột đột bi ến đồ ng hoán x ảy ra đố i v ới nucleotid G trên m ạch này? 88. Một đoạn trình t ự c ủa gen được cho nh ư sau: Mạch 1: 5'-AAATCGATTGGCACA-3' Mạch 2: 3'-TTTAGCTAACCGTGT-5' Hãy cho bi ết trình t ự baz ơ c ủa ARNm (5' → 3') và trình t ự axit amin c ủa peptide khi: (a) m ạch 1 là m ạch khuôn, và (b) m ạch 2 là khuôn. 89. Gi ả s ử m ột ARNm có trình t ự mã hóa protein nh ư sau: 5'-AUG-UUC-AUU-GAA-GGC-AUC-AAC-GGU-UAA-3' Hãy xác định trình t ự nucleotide c ủa gen và trình t ự axit amin c ủa protein. 90. (a) Hàm l ượng GC c ủa ADN phage T3 là 53%. Bạn s ẽ k ỳ v ọng hàm l ượng G+C c ủa mARN T3 ra sao? (b) N ếu cho tr ước hàm l ượng purin c ủa ADN T3 và không bi ết m ạch nào được sao mã, bạn có th ể d ự đoán hàm l ượng purin c ủa mARN T3? T ại sao, ho ặc t ại sao không? 91. Phân tích ng ắn g ọn vai trò c ủa các y ếu t ố tham gia vào quá trình sinh t ổng h ợp protein ở t ế bào ch ất. 92. Anh (ch ị) hãy làm sáng t ỏ nh ận đị nh sau: Khác v ới các t ế bào ti ền nhân, s ự phiên mã và d ịch mã ở các t ế bào nhân chu ẩn là các quá trình gián đoạn, tách bi ệt nhau c ả v ề không gian l ẫn th ời gian. 93. Phân tích s ự t ươ ng tác gi ữa ba thành ph ần chính là mARN, các aminoacyl~ARNt và ribosome để làm n ổi b ật vai trò quan tr ọng c ủa chúng trong c ơ ch ế t ổng h ợp chu ỗi polypeptit. 94. Hãy ch ỉ ra nh ững đặ c điểm gi ống và khác nhau trong c ấu trúc c ủa các mARN tr ưởng thành c ủa các t ế bào prokaryote và eukaryote. 95. Nêu nh ững điểm chính trong s ửa đổ i sau phiên mã đối v ới s ản ph ẩm phiên mã s ơ c ấp c ủa các gen phân đoạn và vai trò c ủa các intron. 96. Phân tích s ự phù h ợp gi ữa c ấu trúc và ch ức n ăng c ủa các mARN. 97. Phân tích s ự phù h ợp gi ữa c ấu trúc và ch ức n ăng c ủa các tARN. 91
10. 98. Có nh ững lo ại rARN nào trong các t ế bào prokaryote và eukaryote? Chúng đóng vai trò gì trong tế bào? 99. Hãy cho bi ết s ự gi ống nhau và khác nhau trong thành ph ần c ấu t ạo c ủa các ribosome ở các t ế bào prokaryote và eukaryote. 100. Dưới đây là s ơ đồ c ủa m ột ADN s ợi kép được sao mã. 1. ___ 2. ___ 3. Sợi 1 là s ợi không làm khuôn. S ợi 3 là ARN sinh ra. Hãy đánh d ấu các đầ u 5’ và 3’ c ủa ARN và sợi không làm khuôn, và c ủa s ợi khuôn. 92
11. Chươ ng 6 ĐIỀU HOÀ S Ự BI ỂU HI ỆN C ỦA GEN Trên th ực t ế, các gen không t ồn t ại riêng r ẽ và ho ạt độ ng nh ư nh ững th ực th ể bi ệt l ập v ới m ột cường độ ổn đị nh. Trái l ại, gi ữa các gen trong b ộ gen có s ự ki ểm soát l ẫn nhau và ph ụ thu ộc vào điều ki ện môi tr ường. Mỗi bộ gen tế bào là m ột h ệ th ống m ở có kh ả n ăng t ự điều ch ỉnh, đả m b ảo s ự ho ạt độ ng c ủa các gen trong t ừng giai đoạn phát tri ển di ễn ra h ợp lý tr ước điều ki ện c ụ th ể c ủa môi tr ường. S ự điều hoà ho ạt độ ng c ủa các gen được bi ểu hi ện ở nhi ều m ức độ theo nh ững c ơ ch ế đặ c thù cho từng nhóm loài. Đây là khía c ạnh ph ức t ạp nh ất c ủa sinh h ọc phân t ử. Hi ểu được các nguyên lý của điều hòa ho ạt độ ng gen là nắm được chìa khóa đi vào bí ẩn c ủa sự tồn t ại được c ất gi ấu k ỹ trong các b ộ gen. Trong ch ươ ng này, chúng ta l ần l ượt tìm hi ểu các v ấn đề sau: (i) Các nguyên lý chung trong s ự điều hòa bi ểu hi ện c ủa gen ở các mức độ khác nhau c ủa c ả hai h ệ th ống, prokaryote và eukaryote, mà tr ọng tâm là điều hoà ho ạt độ ng gen của vi khu ẩn ở mức phiên mã. (ii) Mô hình operon là gì? Ở vi khu ẩn có các h ệ th ống operon nào và c ơ ch ế điều hòa ho ạt độ ng c ủa chúng ra sao? (iii) Ở eukaryote có các ki ểu điều hòa c ơ b ản nào? 1. Đại c ươ ng về sự điều hòa bi ểu hi ện c ủa gen Nói chung, sự điều hoà bi ểu hi ện c ủa gen ở các nhóm prokaryote và eukaryote di ễn ra ở nhi ều mức độ : phiên mã, sau phiên mã, d ịch mã và sau d ịch mã. Tuy nhiên, hai nhóm này có trình độ ti ến hóa khác nhau nên ph ươ ng th ức t ổ ch ức và điều hòa ho ạt độ ng c ủa các gen là r ất khác nhau. Ở vi khu ẩn, các gen liên quan v ới nhau v ề ch ức n ăng được xếp trong m ột t ổ ch ức g ọi là operon ; chúng được phiên mã chung trong m ột phân t ử mARN đa cistron và được d ịch mã thành các protein trong khi phiên mã mà không ph ải tr ải qua quá trình s ửa đổ i sau phiên mã, ngo ại tr ừ các gen mã hóa các tARN và rARN. S ự điều hòa sau d ịch mã ở vi khu ẩn, nh ư đã xét ở ch ươ ng tr ước, ch ủ y ếu x ảy ra ở giai đoạn m ở đầ u quá trình d ịch mã, do s ự t ươ ng tác gi ữa trình t ự Shine-Dalgarno ở vùng 5'-UTR c ủa mARN v ới trình t ự t ươ ng ứng trong rARN 16S c ủa ti ểu đơn v ị ribosome bé. Trong khi đó ở sinh v ật nhân chu ẩn, h ầu h ết các gen là gen phân đoạn và không có t ổ ch ức ki ểu operon nh ư ở sinh v ật nhân s ơ. Các gen phiên mã riêng bi ệt t ạo thành các b ản sao đơn s ơ c ấp gọi là pre-mARN đơ n cistron; nó c ũng có các exon và intron y nh ư trong gen. Để có th ể tr ỏ thành các phân t ử mARN tr ưởng thành đi ra t ế bào ch ất làm khuôn cho t ổng h ợp protein, các pre-mARN này ph ải tr ải qua các quá trình s ửa đổ i ở trong nhân, bao g ồm: Lắp chóp m7Gppp ở đầ u 5' và gắn đuôi poly(A) ở đầ u 3', và sau đó là c ắt b ỏ các intron trong m ột quá trình g ọi là splicing . Ở nhi ều gen còn có quá trình cắt n ối ch ọn l ọc tạo ra nhi ều phân t ử mARN khác nhau và do đó t ạo ra nhi ều protein hay peptide khác nhau t ừ s ản ph ẩm pre-mARN c ủa cùng m ột gen phân đoạn. 93
12. Hình 6.1. Nh ững điểm khác bi ệt n ổi b ật trong tổ ch ức và ho ạt độ ng c ủa các gen mã hóa protein ở prokaryote (A) và eukaryote (B). 2. Điều hoà bi ểu hi ện gen ở prokaryote 2.1. Cấu trúc Operon Ph ần l ớn các gen trong b ộ gen vi khu ẩn được t ổ ch ức thành các đơ n v ị ho ạt độ ng ch ức n ăng đặc tr ưng, gọi là các operon . Các gen cấu trúc trong m ột operon được điều hoà chung trong quá trình chuy ển hoá m ột h ợp ch ất nh ất đị nh c ủa t ế bào. Mô hình operon được F. Jacob và J. Monod (1961) đư a ra l ần đầ u tiên là operon Lactose ( lac operon; để cho ti ện ta vi ết: operon Lac) v ốn được nghiên c ứu k ỹ nh ất cho đế n nay (Hình 6.2). Tham gia vào điều hòa ho ạt độ ng c ủa m ột operon g ồm có b ốn y ếu t ố thu ộc hai thành ph ần chính: (i) c ác locus c ấu trúc (structural loci) và (ii) các locus điều hòa (regulatory loci); trong đó nhóm sau bao g ồm y ếu t ố vận hành, vùng kh ởi độ ng và gen điều hòa. - Một nhóm các gen cấu trúc (structural genes) liên quan v ề m ặt ch ức n ăng, x ếp c ạnh nhau, khi phiên mã s ẽ t ạo ra m ột phân t ử mARN chung g ọi là mARN đa cistron (polycistronic mRNA). Đối v ới operon Lac, đó là ba gen: lacZ , lacY và lacA; trong đó lacZ mã hoá β-galactosidase (thu ỷ phân lactose thành galactose và glucose), lacY xác định permease (v ận chuy ển lactose qua màng) và lacA mã hoá transacetylase. - Một yếu t ố v ận hành (operator = O): trình tự ADN n ằm k ế tr ước nhóm gen c ấu trúc, là v ị trí tươ ng tác v ới ch ất ức ch ế. Đố i v ới operon-lac, đó là đoạn trình t ự ADN dài 34 c ặp baz ơ cách gen Z ch ừng 10 c ặp baz ơ v ề phía tr ước. Nó ch ứa trình t ự 24 c ặp baz ơ đối x ứng xuôi ng ược, giúp ch ất ức ch ế có th ể nhận bi ết và bám vào b ằng cách khu ếch tán d ọc theo ADN t ừ c ả hai phía (Hình 6.2). 94
13. Hình 6.2. Mô hình operon lactose ở E. coli (hình trên) và s ự phân gi ải phân t ử đường lactose thành glucose và galactose bởi enzyme β-galactosidase. - Một vùng kh ởi độ ng (promoter region = P): trình t ự ADN nằm tr ước y ếu t ố vận hành và có th ể trùm lên m ột ph ần ho ặc toàn b ộ vùng này, là v ị trí bám vào c ủa ARN polymerase. Đối v ới operon Lac, đó là đoạn ADN đặc thù vài ch ục cặp baz ơ nằm tr ước yếu t ố v ận hành O và gối lên nó 7 c ặp baz ơ. Điểm kh ởi đầ u phiên mã là v ị trí g ần cu ối c ủa vùng kh ởi độ ng P n ằm trong đoạn vận hành O. - Một gen điều hoà hay còn g ọi là gen ức ch ế (regulatory/ inhibitory gene = R/I): Gen này sinh ra lo ại protein điều hoà g ọi là ch ất ức ch ế (repressor) điều hòa ho ạt độ ng c ủa nhóm gen cấu trúc thông qua s ự t ươ ng tác v ới y ếu t ố vận hành. Đối v ới operon Lac, gen lacI nằm tr ước vùng kh ởi động P, nó mã hoá m ột ch ất ức ch ế g ồm b ốn polypeptide gi ống nhau đề u ch ứa 360 axit amin và t ự nó có ái l ực v ới vùng O. M ặc dù m ỗi gen điều hòa có m ột vùng kh ởi độ ng và không có y ếu t ố vận hành riêng, đôi khi ng ười ta v ẫn coi chúng là operon điều hòa (có tính ch ất c ơ định). Tóm l ại, operon là đơ n v ị điều hoà ho ạt độ ng gen của các prokaryote, đặc tr ưng b ởi ph ức h ợp liên k ết gi ữa vùng kh ởi độ ng cùng v ới y ếu t ố vận hành và nhóm gen cấu trúc do nó ki ểm soát. Một s ố điểm c ần l ưu ý: - Để nghiên c ứu vai trò c ủa m ỗi y ếu t ố, ng ười ta dùng ph ươ ng pháp gây đột bi ến gen đố i v ới các locus khác nhau c ủa operon. - Các locus ki ểu d ại ký hi ệu b ằng d ấu cộng (+) và các locus đột bi ến bằng d ấu tr ừ (–) ở phía trên locus. Đột bi ến có th ể là tr ội ho ặc l ặn, tùy tr ường h ợp. - Ở vi khu ẩn, m ỗi m ột độ t bi ến gen n ếu nh ư làm thay đổi m ột đặ c tính sinh lý - sinh hóa (ki ểu hình) c ủa t ế bào được coi là t ạo ra m ột nòi m ới. - Kiểu gen c ủa vi khu ẩn là đơ n b ội. Tuy nhiên, b ộ gen các t ế bào vi khu ẩn c ũng có th ể ở tr ạng thái lưỡng b ội m ột ph ần; ấy là do ở vi khu ẩn có các ph ươ ng th ức trao đổ i di truy ền thông qua các quá trình sau: ti ếp h ợp (conjugation), bi ến n ạp (transformation) và tải n ạp (transduction). Hình th ức sinh s ản này được g ọi là sinh s ản c ận h ữu tính (parasexual reproduction) ch ứ không ph ải h ữu tính. 2.2. Điều hoà ho ạt độ ng c ủa Operon lactose (lac operon) 2.2.1. Điều hoà âm tính Operon lactose Khi trong môi tr ường nuôi c ấy E. coli không có lactose (ch ất c ảm ứng) thì operon không ho ạt 95