Điều hòa hoạt động của gen
1. Điều hòa hoạt động của gen là gì?
– Ở cơ thể sinh vật có chứa đầy đủ các gen nhưng không phải lúc nào, ở bất kì giai đoạn phát triển nào các gen này đều được hoạt động đồng thời mà chúng có sự hoạt động khác nhau. Sự hoạt động khác nhau của các gen là do quá trình điều hòa. Vậy điều hòa hoạt động của gen là điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra đảm bảo cho sự phát triển bình thường của tế bào.
– Hiểu theo cách khác: điều hòa hoạt động của gen được hiểu là gen có được phiên mã dịch mã hay không.
2. Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ
a. Thời điểm.
Điều hòa hoạt động của gen diễn ra chủ yếu ở giai đoạn phiên mã. Dựa vào sự tương tác giữa protein điều hòa (protein ức chế) với vùng trình tự Nu đặc hiệu nằm trong vùng điều hòa của gen (vùng vận hành Operaror).
b. Tín hiệu điều hòa: Do các yếu tố sinh dưỡng hoặc yếu tố vật lí của môi trường sống
c. Cấu trúc của Operon – Lac theo mô hình của Mono và Jacop
– Operon là 1 cụm gen cấu trúc có liên quan với nhau về chức năng và có chung 1 cơ chế điều hòa.
– Operon – Lac (ở vi khuẩn đường ruột E.coli) là 1 cụm gen cấu trúc, điều hòa sự tổng hợp các enzim phân giải đường Lactozo cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của tế bào.
– 1 Operon – Lac bao gồm các vùng:
+ Vùng khởi động promoter (P): là vị trí tương tác của enzim ARN-polimeraza để khởi đầu phiên mã.
+ Vùng vận hành Operator (O) nằm ngay sau vùng khởi độ trước cụm gen cấu trúc. Đây là vị trí chứa trình tự Nu đặc biệt giúp tương tác với pr ức chế nhằm ngan cản sự phiên mã.
+ Cụm gen cấu trúc Z, Y, A: đây là các gen quy định sự tổng hợp các enzim phân giải đường lactozo cung cấp năng lượng cho tế bào.
– Mô hình:
|
P |
R |
|
P |
O |
Z |
Y |
A |
|
|
|
|
|
||||
|
Operon – Lac |
|||||||
– Chú ý: Luôn có 1 cụm gen cấu trúc nằm ngoài Operon liên quan đến hoạt động của Operon, đó là gen điều hòa Reguarator (R) gen này tổng hợp nên protein ức chế, mà protein ức chế lại có khả năng liên kết với thành phần của operon nhằm ngăn cản sự phiên mã.
d. Cơ chế hoạt động của operon Lac
– Sự hoạt động của operon lac luôn chịu sự điều khiển của 1 gen điều hòa nằm trước operon.
– Khi môi trường không có lactozo (không có chất cảm ứng):
+ Gen R phiên mã dịch mã tổng hợp protein ức chế
+ Protein ức chế liên kết với vùng vận hành O làm ngăn cản sự phiên mã, dịch mã của gen cấu trúc.
– Khi môi trường có lactozo:
+ Gen R phiên mã dịch mã tổng hợp protein ức chế
+ 1 số phân tử đường lactozo liên kết với protein ức chế làm biến đổi cấu hình không gian 3 chiều của pr ức chế. Do đó pr ức chế khong thể liên kết với vùng vận hành O nên gen Z, Y, A được phiên mã, dịch mã tạo ra các enzim phân giải đường lac Z, lac Y, lac A. Từ đó tạo ra năng lượng cho tế bào.
+ Khi lactozo phân giải hết thì pr ức chế lại được giải phóng lại liên kết với vùng vận hành và quá trình phiên mã của gen Z, Y, A bị dừng lại.
3. Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực.
a. Thời điểm:
Diễn ra ở mọi giai đoạn từ khi NST tháo xoắn đến nhân đôi rồi phiên mã, sau phiên mã, dịch mã, sau dịch mã.
b. Tín hiệu điều hòa: Tín hiệu điều hòa là những phân tử do các tế bào chuyên biệt sản sinh và được lan truyền theo thể dịch đi khắp cơ thể.
c. Sơ đồ điều hòa hoạt động: chưa thiết lập được sơ đồ hoàn chỉnh
d. Cơ chế điều hòa:
d1. Điều hòa ngay từ trong bộ gen
– Chỉ 1 phần nhỏ ADN trong NST mã hóa thông tin di truyền. Đa số đóng vai trò điều hòa.
– Sự hoạt động của gen phụ thuộc vào: mức độ đóng xoắn, tháo xoắn của NST. Chỉ những gen ở vùng tháo xoắn mới có thể phiên mã, dịch mã.
– Trong 1 bộ gen còn có những gen đặc biệt khác tham gia vào cơ chế điều hòa:
+ Gen lặp lại: là những đoạn ADN được nhắc đi nhắc lại nhiều lần trên cùng 1 NST hoặc trên những NST khác nhau. Nó mã hóa cho những pr mà tế bào có nhu cầu sử dụng lớn.
+ Gen tăng cường là những đoạn ADN có chức năng làm tăng sự phiên mã của các gen khác.
+ Gen bất hoạt là 1 đoạn ADN có chức năng làm hạn chế sự phiên mã của các gen khác.
+ Gen nhảy là những đoạn ADN có thể di chuyển vị trí. Khi nhảy tới 1 gen nào đó nó có thể làm ảnh hưởng tới sự biểu hiện của gen hoặc làm cho gen không được biểu hiện, cũng có thể làm cho gen này như gen bị đột biến.
d2. Điều hòa hoạt động của gen ở mức độ phiên mã và sau phiên mã.
– Khi phiên mã thì kiểu điều hòa giống của sinh vật nhân sơ nghĩa là cùng điều hòa dựa trên sự tương tác giữa pr ức chế với vùng trình tự ADN đặc biệt nhưng phức tạp hơn nhiều.
– Sau phiên mã: hiện tượng ghép nối cách biệt giữa các exon có thể hình thành nên các mARN khác nhau, có thể mã hóa cho pr tương tụ hoặc có chức năng khác nhau. Đồng thời có thể làm tăng hay giảm thời gian sống của mARN.
d3. Điều hòa ở mức độ dịch mã
Có 1 loại pr đặc biệt bám vào mARN ngăn cản sự dịch mã.
d4. Điều hòa ở mức độ sau dịch mã
Các tín hiệu điều hòa tác động vào sản phẩm pr sau dịch mã để gây ảnh hưởng đến quá trình hình thành các bậc cấu trúc của pr.
=>Kết luận: Cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn nhiều so với sinh vật nhân sơ vì cấu trúc ADN trong NST ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn. ADN trong tế bào nhân thực có số lượng cặp Nu rất lớn, chỉ 1 phần nhỏ ADN mã hóa thông tin di truyền còn đa số điều hòa hoặc không hoạt động.