Điều hòa biểu hiện gen

Như chúng ta đã biết ba quá trình thiết yếu cho sự tồn tại của tế bào, đó là: tái bản, phiên mã và dịch mã. Tuy nhiên, tế bào không thể tồn tại độc lập với môi trường chung quanh. Như vậy, sẽ nảy sinh một vấn đề quan trọng: tế bào sẽ điều chỉnh hoạt động của mình như thế nào cho phù hợp với các biến đổi của môi trường bên ngoài để có thể tồn tại thích ứng? Chương này sẽ đề cập đến các phương thức điều chỉnh đó, tức là các cơ chế điều hòa sự biểu hiện của gen ở các sinh vật prokaryote và eukaryote.

Sự biểu hiện của các gen chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hòa. Các cơ chế này giữ vai trò rất quan trọng cho các hoạt động sống, đáp lại những biến đổi của môi trường bên trong và bên ngoài cơ thể. Biểu hiện gen của các tế bào prokaryote và eukaryote cũng có sự khác nhau đáng kể. Việc điều hòa được thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau và liên quan đến từng giai đoạn phát triển. Theo quan niệm về operon, các gen điều hòa (regulatory gene) giữ vai trò quan trọng trong việc đóng và mở các gen cấu trúc (structural gene) để có thể biểu hiện tổng hợp protein đúng lúc, đúng nơi theo nhu cầu cụ thể của tế bào.

Trong mọi tế bào, tất cả các gen đều không hoạt động đồng thời. Ví dụ: tế bào E. coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3.000 loại khác nhau. Nhiều loại protein có đến 500.000 phân tử, tuy nhiên một số loại khác chỉ khoảng 10 phân tử. Như vậy, không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng lớn như nhau và tế bào phải có những cơ chất để tổng hợp protein một cách tiết kiệm và hợp lý nhất.

Một số gen hoạt động thường xuyên cung cấp sản phẩm liên tục, một số khác chỉ biểu hiện ở những giai đoạn nhất định trong chu trình sống và có thể chỉ hoạt động trong điều kiện môi trường không bình thường. Một số protein cần được tổng hợp với số lượng lớn, một số khác chỉ cần có một phân tử. Do vậy, hoạt tính của gen được điều hòa bởi nhiều cơ chế khác nhau để có hiệu quả tốt nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng của tế bào.

I. Các hiện tượng điều hòa

Để duy trì nội cân bằng (homeostasis) và sự phát triển của cơ thể, các sinh vật đã có các cơ chế điều hòa khác nhau. Các kiểu điều hòa đều bắt nguồn từ sự biểu hiện của các gen.

1. Điều hòa thích nghi

Một số amip (ameba) 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 chuyển thành các dạng tương tự như biểu bì.

Vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng tối thiểu có khả năng tổng hợp amino acid. Nhưng khi bổ sung amino acid vào môi trường nuôi, vi khuẩn sẽ ngừng tổng hợp amino acid. Lúc nguồn amino acid từ ngoài bổ sung vào đã hết, tế bào vi khuẩn lại tự tổng hợp lại amino acid cho bản thân.

Các biến đổi nêu trên là thuận nghịch, chứng tỏ sự thay đổi chức năng ở đây không phải do biến dị di truyền. Các hiện tượng trên còn cho thấy việc xuất hiện hay biến mất các cấu trúc mới không làm ảnh hưởng đến tiềm năng di truyền sẵn có. Có thể cho rằng, có trường hợp một số gen hoạt động, nhưng cũng có trường hợp một số gen ngừng biểu hiện. Các hiện tượng được đề cập trên đều do cơ chế điều hòa thích nghi (adaptive regulation) chi phối.

2. Hoạt động nối tiếp của các gen

Khi bacteriophage xâm nhiễm vi khuẩn, DNA của nó lúc đầu sẽ tái bản, sau đó các protein khác nhau mới được tổng hợp nên để tạo thành vỏ. Như vậy, có các gen “sớm” tạo ra enzyme tái bản DNA và các gen “muộn” xác định các thành phần vỏ protein. Điều đó chứng tỏ có cơ chế điều hòa chức năng của gen diễn ra theo một trình tự nghiêm ngặt. Đây là kiểu điều hòa nối tiếp (sequential regulation). Hoạt động nối tiếp của các gen còn thể hiện rõ trong quá trình phát triển cá thể của các sinh vật eukaryote đa bào.

3. Biệt hóa tế bào

Nhiều sinh vật bậc cao như con người chứa nhiều tỷ tế bào bắt nguồn từ một hợp tử do phân chia nguyên nhiễm. Từ một hợp tử ban đầu đến khi trưởng thành, cơ thể người có khoảng 200 loại tế bào khác nhau. Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin của mình. Quá trình chuyên môn hóa chức năng của tế bào được gọi là sự biệt hóa hay phân hóa (differentiation).

Tuy có sự biệt hóa, nhưng tế bào vẫn giữ nguyên vẹn khả năng di truyền của mình. Một ví dụ rất rõ là nuôi cấy mô tế bào thực vật (plant tisue and cell culture): người ta có thể nuôi cấy một phần mô phân sinh trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp cho đến khi chúng phát triển thành cây in vitro hoàn chỉnh (plantlet), các cây này sau đó được đưa ra trồng trong điều kiện tự nhiên và đã ra hoa kết quả.

4. Khái quát về điều hòa ở prokaryote và eukaryote

Có sự khác nhau đáng kể giữa prokaryote và eukaryote trong điều hòa biểu hiện của gen. Các tế bào eukaryote có cấu tạo phức tạp hơn nhiều nên cơ chế điều hòa cũng phức tạp hơn prokaryote.

Ở prokaryote, mục đích của sự điều hòa biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các tác nhân dinh dưỡng và lý hóa của môi trường, đảm bảo được hai yêu cầu chính của tế bào là sinh trưởng và sinh sản. Sự điều hòa ở đây rất linh động và có tính thuận nghịch. Ở eukaryote, do tế bào không tiếp xúc trực tiếp với môi trường, nên sự điều hòa ở đây không còn nhằm mục đích đối phó với các biến động ở ngoại bào. Sự điều hòa ở eukaryote hướng đến việc chuyên biệt hóa từng loại tế bào vào từng cấu trúc và chức năng riêng và vì thế không mang tính thuận nghịch.

Ba thành phần chính của sự điều hòa biểu hiện gen là: 1) Tín hiệu gây ra đáp ứng làm thay đổi biểu hiện gen; 2) Giai đoạn được thực hiện sự điều hòa trong quá trình từ tái bản đến dịch mã; và 3) Cơ chế phân tử của sự điều hòa biểu hiện gen.

4.1. Sự biểu hiện của gen ở prokaryote

Bộ máy di truyền của sinh vật prokaryote là một DNA mạch vòng chứa một số lượng gen giới hạn được phiên mã ở trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất (Hình 8.1).

Chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào. Vì thế, hoạt động của các gen được điều hòa 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.

Hình 8.1. Sự biểu hiện gen ở prokaryote

4.2. Sự biểu hiện của gen ở eukaryote

Khác với prokaryote, nhiễm sắc thể của eukaryote có cấu trúc phức tạp. Ngay trên cấu trúc nhiễm sắc thể có sự tham gia của các protein histone có vai trò điều hòa biểu hiện của gen. Sự điều hòa biểu hiện gen ở eukaryote phải qua nhiều mức điều hòa phức tạp hơn so với prokaryote và qua nhiều giai đoạn như: nhiễm sắc thể tháo xoắn, phiên mã, biến đổi hậu phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến đổi hậu dịch mã (Hình 8.2).

Ngoài ra, đa số eukaryote có cơ thể đa bào và mỗi tế bào có biểu hiện sống không phải tự do, mà chịu sự biệt hóa theo các 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 biểu hiện gen thuận nghịch, như có đường lactose thì mở operon để phân hủy, khi hết đường thì operon đóng lại. Trong khi đó, các tế bào eukaryote có những con đường biệt hóa khác nhau và sự chuyên hóa là ổn định thường xuyên trong đời sống cá thể. Ngoài sự biệt hóa tế bào, các cơ thể eukaryote đa bào còn trải qua quá trình phát triển cá thể với nhiều giai đoạn phức tạp nối tiếp nhau, trong đó có những gen chỉ biểu hiện ở phôi và sau đó thì dừng hẳn.

Tất cả những điểm nêu trên cho thấy sự điều hòa biểu hiện của gen eukaryote phức tạp hơn nhiều, mà hiện nay lại được biết ít hơn prokaryote.

Hình 8.2. Sự biểu hiện gen ở eukaryote

II. Các mức độ điều hòa

Các cơ chế điều hòa sự biểu hiện của gen có thể tác động ở một hay nhiều mức độ khác nhau. Sự điều hòa có thể xảy ra ở mức độ gen bằng sự kiểm soát thời gian và tốc độ phiên mã. Các cơ chế khác có thể hoạt động lúc dịch mã hoặc sau dịch mã.

1. Mức độ chất nhiễm sắc

Ngay trên chất nhiễm sắc có thể thực hiện các kiểu sau:

- DNase cắt một số vùng trên genome làm tháo xoắn để các gen biểu hiện. Hai vùng được lưu ý đó là các vùng nhạy cảm (sensible) và siêu nhạy cảm (hypersensible).

- Các vùng nhạy cảm có liên quan đến các gen có hoạt tính cao và những gen đã qua biểu hiện rồi (như các gen hoạt động ở phôi). Các vùng siêu nhạy cảm liên quan đến các gen có hoạt tính rất cao (như các gen histone). - DNA Z (DNA trái) là dạng cấu trúc siêu xoắn có thể liên quan đến đóng mở gen.

- Methyl hóa các base. Ở các prokaryote sự methyl hóa có thể thực hiện đối với A và C, còn ở eukaryote sự methyl hóa chỉ thực hiện với C vị trí thứ 5. Methyl hóa làm gen ngừng hoạt động. Ví dụ: nhiễm sắc thể X bất hoạt ở người thuộc loại siêu methyl hóa. Nói chung, sự thay đổi cấu hình (reconfiguration) có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen.

2. Mức độ phiên mã

Đây là sự điều hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen. Kiểu điều hòa này thường gặp trong điều hòa trao đổi chất, cũng như các quá trình biệt hóa tế bào.

- Sự tác động của các trình tự cis (gần kề, liền kề) nằm trên cùng mạch DNA như enhancer (vùng tăng cường) làm tăng sự phiên mã.

- Điều hòa bởi các nhân tố trans (cách quãng, từ xa) do các nhân tố không nằm cùng trên một mạch DNA.

- Chọn lựa promoter thích hợp.

- Sự suy yếu/suy thoái.

3. Mức độ hậu phiên mã

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

- Splicing khác nhau.

- Điểm polyadenine hóa khác nhau (polyadenylation). - Đột biến trên phân tử mRNA.

- Bán chu kỳ phân hủy của mRNA. - Sự bảo tồn các RNA trong tế bào.

4. Mức độ dịch mã

Sự biến đổi của các nhân tố khởi đầu IF (inititation factor). Là các protein kết hợp với tiểu đơn vị của ribosome vào giai đoạn khởi động của quá trình dịch mã.

5. Mức độ hậu dịch mã

Ở đây có sự điều hòa hoạt tính của protein. Sau khi mạch polypeptide được tổng hợp, các protein nhiều khi phải trải qua các biến đổi thứ cấp trước khi biểu hiện hoạt tính (chức năng). Ví dụ: trypsin là enzyme phân giải protein trong dạ dày chỉ có được hoạt tính sau khi chất tiền thân của nó (pro-enzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạn polypeptide.

Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể như 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.

- Các quá trình glycosylation, phosphorylation… tức là gắn thêm các nhóm chất như đường, phosphor… để protein có hoạt tính/chức năng sinh học.

- Peptide tín hiệu là đoạn gồm khoảng 20 amino acid nằm gần phía đầu N của polypeptide, có vai trò gắn polypeptide và ribosome đang tổng hợp mạch này với mạng lưới nội sinh chất. Trong bộ máy Golgi, polypeptide được phóng thích ra ngoài.

- Sự phóng thích ra protein có chức năng sinh học từ một phức hợp, như từ proinsulin thành insulin.

III. Điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote

Các gen được phiên mã tạo RNA, được gọi là các gen cấu trúc. Các protein được dịch mã từ mRNA có thể là enzyme hoặc không phải enzyme. Trong số các protein không phải enzyme có các protein điều hòa (regulatory protein), chúng tương tác với các trình tự DNA đặc hiệu để kiểm soát hoạt tính phiên mã của các gen cấu trúc. Các gen tổng hợp các protein điều hòa được gọi là các gen điều hòa (regulatory gen). Phía trước mỗi gen cấu trúc (hoặc một nhóm gen) có một trình tự promoter, nơi RNA polymerase nhận biết (Hình 8.3). Cơ chế điều hòa ở prokaryote chủ yếu được thực hiện thông qua operon. Đây là khái niệm chỉ tồn tại ở prokaryote.

Hình 8.3. Phương thức chung điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote

1. Cấu trúc của promoter

Thực chất của khởi sự phiên mã là quan hệ trực tiếp giữa RNA polymerase và promoter. Khi RNA polymerase gắn vào promoter, nó sẽ phiên mã tạo phân tử RNA.

Phần lớn promoter ở E. coli về căn bản có cùng cấu trúc:

Nếu base đầu tiên được phiên mã thành mRNA (luôn là purine, thường là adenine) được đánh số +1, thì tất cả các base phía 5’ hay “phía trước” so với nó không được phiên mã là số trừ (-). Ngay phía trước +1 có 6 base thường với trình tự TATAAT ở xung quanh -10, và trình tự TTGACA (trình tự liên ứng-consensus sequence) ở xung quanh -35. Cả hai trình tự phối hợp nhau cho phép RNA polymerase gắn vào và khởi sự dịch mã, trình tự -35 tạo điều kiện đầu tiên cho việc gắn vào.

2. Cấu trúc của operon

Operon là đơn vị phiên mã gồm ít nhất một promoter và mRNA ở bước tiếp theo để mã hóa cho các trình tự của một hay nhiều chuỗi polypeptide. Tuy nhiên, operon có thể có một hay nhiều điểm điều hòa khác với promoter. Các gen không chịu sự điều hòa do tác động môi trường, tạo sản phẩm thường xuyên, được gọi là các gen cấu trúc. Số lượng sản phẩm của các gen này có thể dao động phụ thuộc vào ái lực tương đối của các promoter của chúng đối với RNA polymerase. Các promoter có ái lực mạnh (strong promoter) tạo ra nhiều sản phẩm của gen hơn các promoter có ái lực yếu. Các gen mà sản phẩm protein của chúng được tổng hợp đáp lại với các nhân tố môi trường, thường được điều khiển bởi một hay nhiều protein điều hòa. Trình tự DNA bên trong operon, nơi mà protein ức chế gắn vào, được gọi là operator (điểm điều hành). Việc gắn protein ức chế lên operator ngăn cản sự phiên mã của tất cả các gen cấu trúc trên cùng một operon. Sự kiểm soát như vậy đối với với gen gọi là kiểm soát âm. Các operon của vi khuẩn thường tạo ra các mRNA đa gen, nhưng mRNA của eukaryote chỉ một gen.

Các protein cần thiết cho biểu hiện gen được gọi là chất hoạt hóa. Chúng có thể gắn với các điểm khởi sự nằm bên trong của promoter của operon hay điểm tăng cường hoặc có thể gắn ở những trình tự xa operon. Việc gắn của protein điều hòa vào điểm khởi đầu (initiator) hay enhancer, kích thích sự phiên mã của các gen cấu trúc, được gọi là cơ chế kiểm soát dương. Sự kích thích để các gen điều hòa phản ứng có thể là từ các phân tử tương đối nhỏ như đường, amino acid đến các phân tử lớn hơn như các phức hợp hormone steroid và các protein thụ thể (receptor). Chất làm cho gen phiên mã được gọi là chất cảm ứng, có tác động ngược với chất kìm hãm. Các gen cảm ứng thường tham gia vào các phản ứng thoái dưỡng (catabolic reaction), như phân hủy các polysaccharide thành đường đơn. Các gen ức chế thường tham gia vào các phản ứng biến dưỡng thực hiện việc tổng hợp các chất như amino acid từ các tiền chất đơn giản hơn.

3. Điều hòa thoái dưỡng: Kiểm soát âm-cảm ứng

Trong thoái dưỡng, các chất thức ăn được phân hủy dễ dàng tạo năng lượng hoặc các chất cần thiết cho quá trình tổng hợp. Cơ chế điều hòa ở đây là sự có mặt của cơ chất (ví dụ lactose) dẫn tới tổng hợp các enzyme phân hủy.

Ví dụ điển hình cho trường hợp này là operon lactose của E. coli. β-galactosidase là enzyme có chức năng đôi. Chức năng đầu tiên của nó là thoái dưỡng lactose thành glucose và galactose. Chức năng thứ hai của nó là chuyển liên kết 1-4 của glucose và galactose thành liên kết 1-5 của allolactose. Bình thường enzyme này không hiện diện ở nồng độ cao trong tế bào, khi vắng mặt lactose trong môi trường. Ngay sau khi cho lactose vào môi trường nuôi khi không có glucose, enzyme này bắt đầu được tạo ra. Sự vận chuyển lactose xuyên qua màng tế bào có hiệu quả nhờ protein vận chuyển galactoside permease. Protein cũng xuất hiện với nồng độ cao khi có lactose trong môi trường.

Sự điều hòa của operon lactose còn phụ thuộc vào nồng độ glucose trong môi trường. Nồng độ glucose này lại kiểm soát nồng độ bên trong tế bào của phân tử nhỏ cAMP (cyclic adenosine monophosphate), là chất bắt nguồn từ ATP và làm tín hiệu báo động cho tế bào. Tế bào có xu hướng sử dụng glucose hơn là lactose để làm nguồn carbon vì glucose được biến dưỡng trực tiếp cung cấp carbon và tạo năng lượng. Các enzyme biến dưỡng glucose thuộc loại cấu trúc và tế bào tăng trưởng tối đa với nguồn glucose. Khi nguồn glucose cạn, tế bào phản ứng lại bằng cách tạo ra c-AMP. Việc tăng nồng độ c-AMP trong tế bào gây nên hàng loạt sự kiện, trong sự hiện diện của lactose, dẫn đến sự phiên mã các gen cấu trúc của operon lactose.

3.1. Cấu trúc của operon lactose 

Hệ thống lactose (lactose system) bình thường (Hình 8.4) gồm có gen điều hòa (i hoặc R) và operon mang trình tự promoter (P) locus operator (O) và ba gen cấu trúc cho β-galactosidase (Z), permease (Y) và transacetylase (A). Nhiều đột biến ở các locus này đã được phát hiện.

 3.2. Hoạt động của hệ thống

- Điều kiện cảm ứng (có lactose). Lactose được chuyển vào tế bào rất yếu vì chỉ có vài phân tử permease làm việc. Khi vào trong tế bào, một số lactose (liên kết β-1,4) được chuyển thành allolactose (liên kết β-1,6) nhờ β-galactosidase. Allolactose là chất cảm ứng, nó gắn vào protein kìm hãm và gây biến đổi cấu hình tạo phức hợp allolactoserepressor. Phức hợp này mất khả năng gắn operator. Lúc này operon được mở, RNA polymerase bắt đầu phiên mã các gen cấu trúc. Toàn bộ sự kiện diễn ra như trên hình 8.4b.

- Điều kiện không cảm ứng (không có lactose). Gen điều hòa của operon thường xuyên tổng hợp protein kìm hãm (repressor protein) ở mức độ thấp, vì nó có promoter ít hiệu quả. Sự tổng hợp các protein này bị tác động do nồng độ lactose trong tế bào. Ngược lại, promoter bình thường của operon lac gắn với RNA polymerase rất có hiệu quả. Khi không có đường lactose, protein điều hòa hoạt động (active regulator protein) cò

n gọi là protein kìm hãm gắn vào promoter hay “đọc” trình tự operator vì protein kìm hãm chiếm đoạn này. Như vậy, sự phiên mã của tất cả các gen cấu trúc của operon lac bị dừng (Hình 8.4a).

Do số lượng permease tăng, nên lactose vào tế bào với số lượng lớn và được phân hủy bởi -galactosidase. Khi lactose được sử dụng hết, các protein kìm hãm gắn trở lại vào operator làm operon bị đóng; sự phiên mã các gen cấu trúc bị dừng.

Bản thân gen điều hòa lacI chỉ có một promoter (Pi) và gen cấu trúc của protein kìm hãm. Promoter này yếu, khi các protein kìm hãm có số lượng lớn, nó bị các protein này gắn vào làm dừng phiên mã.

Hình 8.4. Operon lactose và hoạt động của nó

4. Điều hòa biến dưỡng: Kiểm soát âm-ức chế

Biến dưỡng (anabolism) là quá trình tổng hợp nên các chất cần thiết cho tế bào. Ví dụ tổng hợp các amino acid.

Quá trình tổng hợp tryptophan bắt đầu từ tiền chất tryptophan là chorismic acid, trải qua 5 giai đoạn kế tiếp do enzyme xúc tác. Hệ thống tổng hợp amino acid tryptophan ở E.

coli là ví dụ điển hình về operon bị kìm hãm do sự kiểm soát âm.

4.1. Cấu trúc và hoạt động

Hệ thống tryptophan cũng có cấu trúc tương tự hệ thống lactose gồm gen điều hòa trpR và operon tryptophan (promoter, operator và 5 gen cấu trúc). Các gen cấu trúc xác định 5 enzyme được xếp theo thứ tự tương ứng với chức năng xúc tác theo trình tự các phản ứng của chuỗi biến dưỡng tryptophan (Hình 8.5).

Hình 8.5. Operon tryptophan

Sự khác nhau căn bản với hệ thống lactose là ở gen điều hòa. Gen điều hòa của hệ thống tryptophan tổng hợp thường xuyên aporepressor protein, là chất kìm hãm mà riêng nó không có hoạt tính. Khi tryptophan dư thừa nó trở thành chất corepressor (đồng kìm hãm) và kết hợp với aporepressor thành phức hợp kìm hãm (holorepressor) có hoạt tính. Phức hợp này gắn vào operator của operon tryptophan (trp) làm dừng phiên mã các gen cấu trúc. Khi nồng độ tryptophan thấp, nó tách khỏi phức hợp kìm hãm và aporepressor mất hoạt tính. Lúc này các operator lại được mở và RNA polymerase dịch mã 5 gen cấu trúc để tổng hợp 5 enzyme tạo tryptophan (Hình 8.5). Sự điều hòa kiểu này còn gọi là điều hòa ức chế ngược (retro-inhibition) do sản phẩm cuối cùng có mối liên hệ ngược (feed-back).

Như vậy, hoạt động của hệ thống này ngược lại với hệ thống lactose: khi có tryptophan thì operon bị đóng, thiếu tryptophan thì gen được mở.

4.2. Sự suy yếu (attenuation)

Kiểu điều hòa thứ hai được phát hiện ở operon tryptophan được gọi là sự suy yếu. Ở đầu 5’ của mRNA đa gen (polycistronic) của operon này có 5 enzyme. Đoạn này được gọi là trình tự leader (trình tự chỉ huy). Một phần của trình tự này được phiên mã tạo leader peptide gồm 14 amino acid, mà chức năng đến nay chưa rõ.

Cơ chế kiểm tra mà ở đó sự tổng hợp mRNA được bắt đầu nhưng kết thúc sớm với chiều dài mRNA ngắn hơn được gọi là sự suy yếu. Ví dụ: các tế bào E. coli đang tăng trưởng trong môi trường thiếu một amino acid nào đó, nhưng chưa đủ các enzyme cần có cho sự tổng hợp của tất cả 20 amino acid cần thiết để tạo ra protein. Khi thêm một amino acid (tryptophan) vào môi trường sẽ làm giảm đáng kể sự tổng hợp của các enzyme cần cho sự tạo amino acid đó. Phản ứng này có tính thích ứng và duy trì các nguồn enzyme không còn cần nữa khi sản phẩm cuối cùng của chuỗi sinh tổng hợp (tryptophan) đang có trong tế bào (ức chế ngược).

Operon tryptophan có phương thức điều hòa hoạt động gen thứ hai, hoàn toàn độc lập với hệ thống repressor-operator (chất kìm hãm đoạn điều hành). Ở operon tryptophan, sự tổng hợp mRNA bắt đầu từ 161 base trước codon khởi sự của trpE, enzyme cấu trúc đầu tiên được phiên mã. Đột biến do mất đoạn DNA ngay phía trước trpE, giải phóng trpE khỏi sự kìm hãm của phức hợp represser-operator. Các đột biến này làm tăng mức độ biểu hiện của cả operon lên gấp sáu lần. Tinh sạch các DNA được phiên mã in vitro cho thấy phần lớn mRNA kết thúc ở ngay base 139 và không bao giờ đạt tới trpE. Ở đây, có sự kìm hãm phiên mã ngay trước gen cấu trúc và khi mất nó sự biểu hiện của gen có hiệu quả hơn. Đoạn dài của mRNA nằm trước trpE được gọi là leader (trpL) và đoạn kìm hãm phiên mã được gọi là attenuator (trpa, chứ không phải trpA). Cuối cùng, quan sát cho thấy sự suy yếu dao động theo nồng độ của tryptophan thấp, nhiều phân tử mRNA được tạo ra hơn qua attenuator và toàn bộ operon được phiên mã. Sự suy yếu là một phương thức khác để kiểm soát sự biểu hiện của gen.

Hình 8.6. Sự suy yếu xảy ra khi cấu trúc thứ cấp đặc biệt tạo thành trong mRNA. mRNA được trình bày ở đây là từ trình tự leader của operon trp. Nếu tryptophan trong tế bào phong phú và trình tự leader được phiên dịch nhanh, thì mRNA sẽ tạo thành cấu trúc thân và quai (stem-andloop) hoạt động như là một tín hiệu kết thúc phiên mã.

Cơ chế suy yếu thực hiện sự kết hợp giữa phiên mã và dịch mã. RNA polymerase bắt đầu phiên mã các gen mã hóa cho các enzyme sinh tổng hợp cần thiết để tạo ra tryptophan. Ví dụ: khi hiện diện tryptophan nó nhanh chóng đạt tới điểm (trên RNA mới được tổng hợp) gọi là attenuator và dừng phiên mã tại đây.

Attenuator có chức năng như điểm kết thúc chỉ khi tryptophan hiện diện. Sự phiên mã dừng khi trình tự leader đạt attenuator. Nếu có đủ trytophan trong tế bào, sự dịch mã của các codon được thực hiện, và cả phiên mã và dịch mã được thực hiện hoàn chỉnh cho đến lúc RNA polymerase đạt tới điểm attenuator, nơi kết thúc sự phiên mã. Khi không có trytophan, dịch mã dừng và phần leader của mRNA cuộn lại sao cho attenuator không thực hiện chức năng, trong trường hợp này sự tổng hợp của mRNA toàn vẹn cho operon tryptophan được tạo ra. Với sự hiện diện của các enzyme đó, trytophan được tích lũy với số lượng lớn trong tế bào. Attenuator là dạng tinh tế của sự ức chế, điều hòa hoạt động gen, tạo đặc hiệu cho sự tổng hợp amino acid trong tế bào.

Cơ chế repressor điều hòa thô hệ thống tryptophan, trong khi đó hệ thống cơ chế attenuation kiểm soát nồng độ tryptophan một cách tinh tế. Sự suy yếu của operon Trp cũng nhạy cảm với nồng độ của một số amino acid như histidine và leucine.

5. Kiểm soát dương và cảm ứng

Cơ chế điều hòa dương, cảm ứng được tìm thấy ở operon arabinose của E. coli. Arabinose là chất đường, cần ba enzyme (được mã hóa bởi các gen araB, araA và araD) cho sự biến dưỡng. Hai gen khác nằm xa operon góp phần đưa arabinose vào tế bào. Gen điều hòa araC nằm gần các gen B, A và D. Sản phẩm của gen araC là protein kìm hãm của operon khi không có đường arabinose.

Tuy nhiên, khi có đường arabinose trong tế bào, nó gắn với repressor (protein araC) hình thành nên phức hợp activator (hoạt tố) tạo thuận tiện cho sự phiên mã của RNA polymerase.

Trên thực tế, các nghiên cứu cho thấy cơ chế điều hòa này rất phức tạp. Ví dụ: cAMP và protein hoạt hóa thoái dưỡng (catabolite gene activator protein) còn được gọi là CRP (cyclic AMP receptor protein-protein thể nhận cAMP) đều tham gia vào sự điều hòa của hệ thống arabinose.

Hình 8.7. Operon arabinose của E. coli

IV. Điều hòa hoạt tính của eukaryote

Các cơ chế điều hòa ở eukaryote có thể xảy ra ở 5-6 mức độ khác nhau (xem mục II). Trong phần này chỉ nhấn mạnh thêm một số đặc điểm của điều hòa hoạt động gen ở eukaryote:

- Ở các operon của prokaryote, các gen điều hòa và các promoter thường nằm gần nhau, nhưng ở eukaryote các gen điều hòa ít khi nằm gần các promoter do chúng kiểm

soát.

- Các enhancer là những trình tự cùng nằm trên một phân tử với các promoter có thể có hàng trăm cặp base ở phía trước hoặc phía sau promoter mà chúng kích thích.

- Trình tự điều hòa 5’ ở phía trước có promoter ở eukaryote thường rất dài, có khi hàng chục kilobase (kb).

- Có nhiều kiểu điều hòa ở dạng các nhân tố có tác động từ xa (trans) là các protein.

Sự phiên mã có thể được kích thích bởi các tín hiệu khác nhau. Sự điều hòa hoạt động gen ở prokaryote phần lớn đáp ứng lại các tín hiệu bên trong.

1. Các promoter

Tương tự như ở vi khuẩn, các promoter của eukaryote cùng nằm phía trước điểm xuất phát của mRNA và có những trình tự được bảo tồn trong tiến hóa. Hộp TATA, định hướng cho RNA polymerase bắt đầu phiên mã, nằm khoảng dưới 30 basepair (bp) ở động vật có vú, và 60-120 ở nấm men. Hộp TATA hoạt động có hiệu quả cùng với hai trình tự tương ứng phía trước khoảng 40 bp là CCAAT và 110 bp là trình tự giàu GC.

Sự thay đổi hộp TATA làm giảm tốc độ phiên mã. Hiệu quả của tốc độ phiên mã được đo bằng sự thay đổi của từng base trong promoter, các thay đổi base ngoài hộp TATA và các trình tự phía trước không gây hiệu quả đối với tốc độ phiên mã, trong khi đó các thay đổi ở những yếu tố được nêu trên làm giảm đáng kể tốc độ phiên mã. Khác với promoter của prokaryote, các promoter của eukaryote khó đảm bảo nhận biết các tín hiêu một cách đầy đủ để RNA polymerase khởi sự phiên mã in vitro. Hộp TATA và các trình tự phía trước phải được nhận biết bởi các protein điều hòa, và chính các protein này gắn với các điểm nhất định trên chúng và hoạt hóa sự phiên mã.

2. Các enhancer

Enhancer là các trình tự có tác động cis (liền kề), chúng tăng tốc độ phiên mã đáng kể từ các promoter nằm ngay trên cùng một phân tử DNA. Tính độc đáo của các enhancer là ở chỗ chúng có khả năng thực hiện một cách hiệu quả khi ở một khoảng cách rất xa, có khi đến vài nghìn cặp base. Ngoài ra, chúng có hoạt động chức năng ở bất kỳ hướng nào, dù ở phía trước hay phía sau promoter.

Xét trên một góc độ nào đó, các enhancer tương tự promoter. Cụ thể, chúng được tổ chức gồm một dãy các trình tự có tác động cis để nhận biết các nhân tố tác động từ xa (trans) (Hình 8.8).

3. Các protein là nhân tố có tác động trans

Một vài protein, nhận biết hộp CCAAT, đã được xác định ở tế bào động vật có vú. Các nhân tố này có thể được phân biệt giữa các đơn vị của các phân tử CCAAT. Các hộp GC được nhận biết bởi các nhân tố phụ. Các ví dụ về các tác động trans (trans-acting factor) đã tìm thấy ở nấm men và động vật có vú. Các nhân tố trans có đặc điểm chung là gồm hai vùng cấu trúc và chức năng chính:

- Vùng gắn nhân tố trans vào DNA.

- Vùng tác động lên sự phiên mã.

Đồng thời các nhân tố trans có bốn kiểu tác động như:

- “ngón tay kẽm” (zinc-finger)

- “xoắn-vòng-xoắn” (helix-turn-helix)

- “xoắn-nút-xoắn” (helix-loop-helix)

- “dây kéo leucine” (leucine-zipper) (Hình 8.9).

Hình 8.8. Enhancer của DNA eukaryote

Đặc tính chung của các cấu trúc vừa kể là chúng luôn luôn gắn lên các trình tự cis dưới dạng dimer (gồm hai dimer).

Trình tự cis và nhân tố trans thường có các tương tác đặc hiệu do những liên kết yếu hình thành giữa các phân tử của nhân tố trans với các base của trình tự cis. Ví dụ, trường hợp tương tác giữa các hormone steroid với các enhancer.

Nhiều protein có tác động trans tham gia vào tiến trình phát triển của cơ thể ruồi giấm, chúng có vai trò đặc biệt trong xác định sự sắp xếp các đoạn thân của ruồi.

Như vậy, các gen eukaryote được hoạt hóa bởi hai trình tự DNA có tác động cis là promoter và enhancer, chúng nhận biết được các nhân tố protein có tác động trans, các nhân tố trans cho phép RNA polymerase khởi sự phiên mã và đạt tốc độ phiên mã tối đa.

Hình 8.9. Các kiểu tác động của nhân tố trans

4. Hormone

Ví dụ rõ nhất về các chất điều hòa nội tại của hoạt tính gen là hormone. Đó là những chất tạo ra do một loạt tế bào có hiệu quả đến các tế bào khác. Các hormone thường được vận chuyển đến các phần của cơ thể nhưng chỉ tác động đến các tế bào có các receptor tương ứng.

Sự tương tác giữa hormone với receptor gây ra tín hiệu tác động đến các vùng đặc trưng của DNA, gây hoạt hóa gen hoặc một nhóm gen tương ứng.

Các hormone có thể kích thích phiên mã bởi một trong các cơ chế sau:

- Hormone có thể làm cho DNA tách khỏi histone và tạo điều kiện cho RNA polymerase bắt đầu phiên mã.

- Có thể làm chất cảm ứng (inducer) gây bất hoạt phân tử receptor.

- Có thể gắn trực tiếp với đoạn DNA đặc hiệu tạo thuận lợi cho việc gắn RNA polymerase hoặc protein là nhân tố phiên mã (protein transcription factor).

- Có thể hoạt hóa effector protein làm thành phức hợp gắn DNA và kích thích gắn RNA polymerase.

- Có thể gắn với protein tạo phức hợp hoạt hóa kích thích gắn RNA polymerase.

5. Kiểm soát các chất thường gặp trong nhân

Một số nhóm phân tử hiện diện rất nhiều trong mỗi tế bào eukaryote, như các histone, các chất của bộ máy dịch mã, các cấu phần của màng… Vài chương trình khác nhau được thực hiện để duy trì số lượng đủ lớn của chúng trong tế bào. Các chương trình đó gồm:

- Sự phiên mã liên tục và lặp lại trong tế bào.

- Sự lặp lại các gen.

- Sự khuếch đại ngoài nhiễm sắc thể các trình tự gen đặc hiệu.

5.1. Sự phong phú 

Các gen mã hóa cho rRNA và tRNA đã được nghiên cứu kỹ. Phản ứng lai đơn giản DNA-RNA cho thấy nhiễm sắc thể của Xenopus có vùng tổ chức hạch nhân (nucleolus organizer) chứa 450 bản sao của DNA mã hóa cho 18S và 28S rRNA. Ngược lại, trong mỗi nhân có 20.000 bản sao của các gen mã hóa cho 5S rRNA và các gen này không nằm ở vùng tổ chức hạch nhân.

Các gen mã hóa cho histone cũng có với nhiều bản sao được lặp lại hàng trăm lần.

Sự phong phú của các gen nêu trên đảm bảo đủ số lượng cần thiết cho dịch mã khi phải tổng hợp hàng triệu phân tử protein vào lúc cần thiết.

5.2. Sự khuếch đại gen

Một ví dụ về sự khuếch đại gen trong nhân là các chỗ phình (puff) của nhiễm sắc thể khổng lồ hay đa sợi (polytene chromosome) ở tuyến nước bọt của ruồi giấm. Ở các chỗ phình này, DNA nguyên nhiễm sắc (euchromatic) được khuếch đại khoảng vài nghìn lần.

Trong nhân tế bào trứng của Xenopus, có hàng trăm nhân con ngoài nhiễm sắc thể (extrachromosome nucleoli) với kích thước khác nhau, mỗi nhân con chứa các vòng tròn rDNA kích thước khác nhau, mà vai trò đến nay chưa rõ. Các DNA vòng tròn này sản sinh nhiều rRNA ở mức hợp lý.

V. Sự biệt hóa tế bào

1. Các tế bào biệt hóa mang thông tin giống nhau

Ở các sinh vật bậc cao cũng như ở người, cơ thể trưởng thành gồm nhiều loại tế bào khác nhau. Các tế bào này đều bắt nguồn từ một hợp tử ban đầu, nhưng đã qua quá trình biệt hóa trở thành các tế bào có các chức năng khác nhau. Tuy nhiên, thực nghiệm xác định rằng số lượng nhiễm sắc thể, số lượng DNA và cả tỷ lệ (A+T)/(G+C) của các tế bào thuộc các mô khác nhau của cùng một cơ thể đều giống nhau. Sử dụng kỹ thuật lai DNA cho thấy DNA từ những tế bào của các mô khác nhau của cùng một cơ thể không bị biến đổi trong quá trình biệt hóa, chúng có thể tự hồi tính (renaturation) với nhau.

Thí nghiệm ghép nhân tế bào ruột ếch vào tế bào trứng bị hỏng nhân (do chiếu tia tử ngoại) cho thấy 1% tế bào ghép nhân phát triển thành ếch trưởng thành. Điều này chứng tỏ tế bào ruột tuy đã biệt hóa vẫn giữ nguyên vẹn thông tin di truyền để tạo ra ếch trưởng thành.

Tóm lại, số lượng DNA của các tế bào biệt hóa về căn bản giống với các hợp tử ban đầu và chứa nguyên vẹn thông tin di truyền đủ để phát triển thành cá thể nguyên vẹn.

2. Các tế bào biệt hóa tổng hợp các nhóm protein khác nhau

Để hiểu được sự khác nhau giữa các tế bào biệt hóa, cần xét nhiều vấn đề sau:

- Thứ nhất, nhiều quá trình là chung cho tất cả các tế bào nên có nhiều protein giống nhau. Những protein này gồm số lượng nhiều, dễ phân tích như phần lớn các protein cấu trúc của thành tế bào và nhiễm sắc thể; một số protein căn bản của các bào quan (lưới nội sinh chất, bộ máy Golgi, các ribosome…). Nhiều protein có số lượng không nhiều như các enzyme khác nhau, tham gia vào các phản ứng trung tâm của quá trình trao đổi chất, đều hiện diện như nhau ở tất cả các kiểu tế bào.

- Thứ hai, một số protein có số lượng phong phú ở một số tế bào chuyên hóa mà việc phát hiện chúng cần có thử nghiệm riêng. Ví dụ, hemoglobin chỉ có thể phát hiện ở

tế bào máu.

- Thứ ba, nếu như hơn 2.000 loại protein có số lượng dồi dào được so sánh giữa các kiểu tế bào biệt hóa của cùng một vi sinh vật với nhau bằng điện di hai chiều polyacrylamide, thì một số khác biệt đáng kể sẽ được tìm thấy. Dù sự so sánh giữa hai dòng tế bào nuôi cấy (như các dòng tế bào cơ và thần kinh) hay giữa các tế bào của cùng một mô của chuột (như gan và phổi), đại đa số các protein được phát hiện đều được tổng hợp ở cả hai loại tế bào và với tốc độ tổng hợp có thể khác nhau đến 105; chỉ có vài trăm protein hiện diện với số lượng khác nhau đáng kể ở hai kiểu tế bào.

Các nghiên cứu cho thấy các tế bào eukaryote bậc cao tổng hợp từ 10.000-20.000 protein khác nhau. Phần lớn chúng có số lượng rất ít và khó phát hiện. Nếu các protein hiếm (minor protein) này khác nhau giữa các tế bào với mức độ tương tự các protein dồi dào, thì chỉ một số lượng nhỏ của chúng cũng đủ tạo nên nhiều khác biệt chuyên hóa lớn về hình thái và sinh lý của tế bào.

Tế bào có thể thay đổi sự biểu hiện gen của chúng đáp lại tín hiệu bên ngoài.

Phần lớn các tế bào chuyên hóa của sinh vật đa bào có khả năng thay đổi phương thức biểu hiện của gen để đáp lại tác động bên ngoài. Ví dụ: nếu tế bào bị tác động bởi glucocorticoid hormone, thì sự tổng hợp một số protein chuyên biệt được tăng vọt (Hình 8.10). Glucocorticoid được phóng thích ra khi bị đói bụng hay hoạt động mạnh và báo hiệu cho gan tăng cường tạo glucose từ amino acid hay các phân tử nhỏ khác nhau. Các protein, được tạo ra do các enzyme cảm ứng như tyrosine aminotransferase hỗ trợ biến tyrosine thành glucose. Khi hormone không còn nữa, sự tổng hợp các protein này giảm xuống mức bình thường.

Các loại tế bào khác nhau phản ứng với glucocorticoid bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ ở tế bào mỡ, sự tổng hợp tyrosine transferase giảm, trong khi đó một số loại tế bào khác hoàn toàn không có phản ứng với glucocorticoid. Các ví dụ này minh họa cho tính chất chung của biệt hóa là các kiểu tế bào biệt hóa khác nhau thường phản ứng lại cùng một tín hiệu bên ngoài bằng nhiều cách khác nhau. Trên cơ sở đó, mỗi kiểu tế bào biệt hóa có một đặc tính ổn định thường xuyên. Các tính chất đó phản ánh sự biểu hiện lâu bền của các nhóm gen khác nhau.

Hình 8.10. Tác dụng của glucocortcoid làm tăng mức độ biểu hiện của gen

Như vậy, các tế bào biệt hóa chỉ sử dụng một phần thông tin. Nhiều loại tế bào chuyên hóa tổng hợp chủ yếu một số protein, ngoài các protein cấu trúc và protein cơ bản sử dụng cho các quá trình sinh lý bình thường. Ví dụ: tế bào cơ tổng hợp nhiều myosin, một protein quan trọng trong co cơ, hay tế bào biểu bì (epithelial) tổng hợp nhiều keratine. Như vậy, cũng như chứa thông tin di truyền giống nhau, nhưng mỗi loại tế bào biệt hóa chỉ sử dụng một phần thông tin: tổng hợp chủ yếu một số loại protein .

3. Sự điều hòa ở mức phiên mã là nguồn gốc căn bản của các sai khác giữa những tế bào biệt hóa

Nếu những sự biệt hóa giữa các kiểu tế bào khác nhau phụ thuộc vào các gen chuyên biệt mà tế bào biểu hiện, thì sự kiểm soát biểu hiện gen được thực hiện ở mức độ

nào?

Giả thuyết được chấp nhận hiện nay là trong các tế bào biệt hóa một số gen phiên mã, còn có các gen khác thì không. Không có sự kiện nào mâu thuẫn với giả thuyết này và nó giải thích hợp lý hơn cả tình trạng biệt hóa của các tế bào. Đối với phần lớn gen, sự kiểm soát phiên mã có tầm quan trọng hàng đầu, vì chỉ nó mới đảm bảo cho sự tổng hợp không dư thừa các chất trung gian.

Việc phát hiện các gen điều hòa và các gen đóng hay mở giúp hiểu được sự điều hòa quá trình phát triển cá thể và biệt hóa tế bào. Genome đơn bội của tế bào người có số lượng DNA nhiều hơn gấp 1.000 lần so với genome của vi khuẩn. Tuy nhiên, số lượng gen cấu trúc ở người chỉ lớn hơn 10 lần số gen cấu trúc vi khuẩn. Điều đó cho thấy nhiều gen ở người tham gia vào các cơ chế điều hòa.

Tóm lại, genome của tế bào chứa các trình tự nucleotide của DNA thông tin để tạo ra hàng nghìn các protein và phân tử RNA khác nhau. Tế bào chỉ biểu hiện điển hình một nhóm gen của nó và các kiểu tế bào biệt hóa khác nhau ở sinh vật đa bào được sản sinh ra do các nhóm gen khác nhau có sự biểu hiện không giống nhau. Hơn thế nữa, các tế bào có thể thay đổi phương thức biểu hiện các gen của chúng để đáp lại những thay đổi của môi trường, các tín hiệu đó từ các tế bào khác. Mặc dù tất cả các bước trong sự biểu hiện của gen về căn bản đều được điều hòa, nhưng đối với phần lớn các gen việc khởi sự phiên mã là điểm kiểm soát quan trọng nhất.

Tài liệu tham khảo/đọc thêm

1. Phạm Thành Hổ. 2003. Di truyền học. NXB Giáo dục, Hà Nội.

2. Lê Đức Trình. 2001. Sinh học phân tử của tế bào. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

3. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD. 2002. Molecular Biology of the Cell. 3rd ed. Garland Publishing, Inc. New York, USA.

4. Karp G. 2002. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments. 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.

5. Lewin B. 2000. Gene VII. Oxford University Press, Oxford, UK.

6. Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP,Zipursky SL and Darnell J. 2004. Molecular Cell Biology. 5th ed. Freeman and Company, New York, USA.

7. Walker JM and Rapley R. 2000. Molecular Biology and Biotechnology. Chapman & Hall Limited, London, UK.

8. Watson JD, Hopkins NH, Roberts JW and Weiner AM. 2004. Molecular Biology of the Gene. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. California, USA.

9. Weaver RF. 2003. Molecular Biology. 2nd ed. McGraw-Hill Company, New

York, USA

Nguồn: Giáo trình Sinh học phân tử - Nguyễn Hoàng Lộc (chủ biên)