Bài giảng Sinh học phân tử - Điều hòa hoạt động gen

ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Ths. Nguyễn Thanh Tố Nhi ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Điều hòa lƣợng sản phẩm của gen đƣợc tạo ra = gen có đƣợc phiên mã và dịch mã hay không Điều hòa hoạt động gen ở prokaryote: chủ yếu xảy ra trong quá trình phiên mã ĐIỀU HÒA PHIÊN MÃ (KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ) oKIỂM SOÁT CẢM ỨNG ÂM oKIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM oKIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƢƠNG ĐIỀU HÒA HẬU DỊCH MÃ (KIỂM SOÁT SAU DỊCH MÃ) ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ Operon: đơn vị phiên mã, gồm: Promoter: khởi động phiên mã Gen cấu trúc: gen phiên mã mARN  protein = enzyme Operator: vị trí để protein ức chế (repressor) gắn vào ngăn cản phiên mã KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ Vị trí Operator/ADN  Nằm cạnh promoter Phủ lên 1 vùng của promoter KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ • Đối với protein đòi hỏi 1 điều kiện môi trƣờng nhất định, các gen tạo ra protein – enzym đƣợc điều hòa bởi protein điều hòa • Đối với sản phẩm của gen “không đƣợc điều hòa”: số lƣợng sản phẩm phụ thuộc ái lực của promoter với ARN polymerase. KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ  Protein điều hòa: đƣợc tổng hợp từ gen điều hòa – đk hoạt động gen cấu trúc gồm: • Protein ức chế (điều hòa, repressor, regulator) – Gắn operator ngăn cản phiên mã gen cấu trúc – Gen bị điều hòa âm • Protein hoạt hóa (activator) – Gắn promoter/ enhancer kích thích phiên mã gen cấu trúc – Gen đƣợc điều hòa dƣơng: cần cho biểu hiện operon; tham gia p/ƣ dị hóa KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ Enhancer: trình tự tăng cƣờng / ADN  tăng số lƣợng ARN pol  kích thích phiên mã Chất cảm ứng: giúp gen phiên mã đƣợc, tham gia p/ƣ dị hóa Chất ức chế: đóng gen, làm gen ngừng phiên mã, tham gia p/ƣ đồng hóa KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ Các loại kiểm soát phiên mã Kiểm soát cảm ứng âm Kiểm soát ức chế âm Kiểm soát cảm ứng dƣơng Kiểm soát sau dịch mã KIỂM SOÁT CẢM ỨNG ÂM 1. Âm = điều hòa bởi protein ức chế (repressor, regulator) = repressor đang ức chế phiên mã 2. Cảm ứng = chất cảm ứng bất hoạt repressor, thúc đẩy phiên mã 3. Xảy ra trong phản ứng dị hóa KIỂM SOÁT CẢM ỨNG ÂM Hệ lactose hoang dại gồm Gen điều hòa (lac I): điều hòa hoạt động operon Operon lac : Promoter Operator Gen cấu trúc của β-galactosidase (lac z), permease (lac y), transacetylase (lac a) KIỂM SOÁT CẢM ỨNG ÂM β galactosidase: Lactose Glucose + Galatose (phân giải lactose) Lactose  allolactose (chuyển hóa thành đồng phân) Permease: vận chuyển lactose qua màng vào TB HỆ OPERON LAC – E.COLI • Không có lactose  không hoặc ít enzyme. • Repressor gắn operator  ARN pol không gắn vào promoter  không phiên mã gen cấu trúc  không có enzym tạo thành HỆ OPERON LAC – E.COLI • Có lactose, không có glucose  có enzyme • 1 vài lactose đƣợc permease chuyển qua màng • β-galactosidase chuyển lactose thành allolactose • Allolactose gắn vào repressor biến hình dị lập thể không gắn vào operator  ARN pol bám vào promoter để phiên mã gen cấu trúc có enzyme tạo thành Chất cảm ứng hệ lactose: allolactose Lƣợng permease tănglactose đƣợc chuyển qua màng nhiều β-galactosidase phân giải lactose thành glucose + galactose Lactose cạn kiệt, allolactose tách khỏi protein ức chế Repressor gắn vào operator  ngừng phiên mã các gen cấu trúc HỆ OPERON LAC – E.COLI a) Không có lactose b) Có lactose, không glucose HỆ OPERON LAC – E.COLI HỆ OPERON LAC – E.COLI Câu hỏi: 1. Kiểu điều hòa hệ lactose? 2. Thành phần hệ lactose hoang dại? 3. Vai trò β-galactosidase? 4. Khi nào hệ lac operon đóng phiên mã?Giải thích? 5. Khi nào gen cấu trúc đƣợc phiên mã, phiên mã đến khi nào ngừng?Giải thích 6. Chất cảm ứng hệ lac operon? Vai trò chất cảm ứng? KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM Âm = điều hòa bằng repressor (chất ức chế gốc) không chức năng gen cấu trúc đƣợc phiên mã Ức chế = chất ức chế hoạt hóa repressor  phức hợp đồng ức chế ngăn cản phiên mã của gen cấu trúc Xảy ra trong phản ứng đồng hóa KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM Operon tryptophan: Operator Promoter Gen cấu trúc: 5 gen mã hóa 5 enzym tham gia tổng hợp tryptophan KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM Thiếu tryptophan  cần enzyme để tổng hợp tryptophan cho TBVK Repressor là chất ức chế gốc không chức năng, không gắn lên operator ARN pol bám vào promoter phiên mã 5 gen cấu trúc KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM Tryptophan dƣ thừa  không cần enzyme để tổng hợp tryptophan Tryptophan gắn repressor  phức hợp ức chế có chức năng  gắn lên operator  ngăn cản phiên mã 5 gen cấu trúc  Tryptophan: chất đồng ức chế KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM Nồng độ tryptophan giảm xuống  tryptophan tách khỏi chất ức chế gốc Chất ức chế gốc rời khỏi operator ARN pol tổng hợp đƣợc mARN đa cistron cho 5 enzym tổng hợp tryptophan KIỂM SOÁT ỨC CHẾ ÂM KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƢƠNG Hệ arabinose gồm: Gen điều hòa araC Ara Operon: Operator ara O Promoter: đƣợc hoạt hóa nhờ cAMP qua trung gian CAP/ CRP giúp ARN pol gắn đƣợc vào promoter Gen cấu trúc araB, A, D mã hóa các enzym tham gia chuyển hóa arabinose KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƢƠNG KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƢƠNG Hệ arabinose: điều hòa âm tính & dƣơng tính Môi trƣờng không có arabinose  điều hòa âm tính: repressor bám vào araO làm ADN có dạng loop  ARN pol không bám vào đƣợc promoter  ngăn cản phiên mã 3 gen cấu trúc 3 enzym dị hóa arabinose chỉ có 1 lƣợng nhỏ KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƢƠNG 2 dạng điều hòa cho hệ arabinose: âm tính & dƣơng tính Môi trƣờng có arabinose  điều hòa dƣơng tính: Arabinose gắn repressor  activator (phức hợp hoạt hóa) rời khỏi operator (araO)  ARN pol gắn promoter (araI) khởi động phiên mã 3 gen cấu trúc 3 enzym tham gia chuyển hóa arabinose tăng KIỂM SOÁT CẢM ỨNG DƢƠNG KIỂM SOÁT HẬU DỊCH MÃ • Sự biểu hiện gen đƣợc điều hoà sau khi protein hình thành • Kìm hãm ngƣợc: sự ức chế bởi sản phẩm cuối: Sản phẩm cuối của qtr sinh tổng hợp liên kết với enzym đầu tiên  phong bế hoạt tính xúc tác của enzym do thay đổi cấu hình dị lập thể  ngăn sản xuất quá độ sản phẩm cuối • Sản phẩm cuối liên kết vị trí gần chất kìm hãm (vị trí điều hòa) của enzym làm biến hình dị lập thể enzym KIỂM SOÁT HẬU DỊCH MÃ VD: sp cuối cùng isoleucin trong E.coli Nồng độ isoleucin cao isoleucin liên kết với enzym đầu tiên của qtr STH kìm hãm toàn bộ con đƣờng STH Nồng độ isoleucin trở lại mức bình thƣờng do TB tiêu thụ hoạt hóa con đƣờng STH KIỂM SOÁT HẬU DỊCH MÃ KIỂM SOÁT SAU DỊCH MÃ