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

24/03/2016
1
Chương 6
Điều hòa sự biểu hiện của gene
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí1
Quá trình kiểm soát gene Prokaryote đòi hỏi đáp ứng
nhanh với những thay đổi của môi trường.
Kiểm soát gene có thể là dương – có nghĩa là hoạt hóa
hoạt động của gene, hoặc âm – kìm hãm sự hoạt động
của gen.
Điều hòa sự biểu hiện của gene ở Prokaryote chủ yếu
là ở mức độ phiên mã.
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí2
Điều hòa sự biểu hiện của ở Prokaryote
DNA → mRNA → Protein
24/03/2016
2
Mô hình Operon điều hòa
• Phức hợp gọi là operon được mô tả vào năm 1961 bởi Francois Jacob và
Jacques Monod.
• Một operon có ba phần: promoter, operator và các gen cấu trúc. Thêm
vào đó là một gen điều hòa liên quan đến việc cho phép gen cấu trúc được
phiên mã hay không .
• Operon – Một cụm các gene cấu trúc đặt dưới sự kiểm soát của một vùng điều
hòa. (Repressor binding site = operator ; RNAP binding site = promoter
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí
3
Phức hợp Operon
1. Promoter: được nhận diện bởi RNA polymerase là nơi bắt
đầu quá trình phiên mã
2. Operator: kiểm soát việc gắn RNA polymerase vào promoter
và thông thường nằm trong promoter hoặc nẳm giữa
promoter và gen cần được phiên mã.
3. Gene cấu trúc: gene cấu trúc (hoặc gen thiết kế) mã hóa cho
chuỗi polypeptide.
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí4
24/03/2016
3
Mô hình Operon điều hòa
• Một operon cảm ứng (inducible) chứa
một cụm gen cấu trúc thông thường ở
dạng đóng (off), bị khóa bởi
repressor của nó. Khi tác nhân kiểm
soát gắn vào repressor, tách nó khỏi
vị trí khóa gene (vì thế ngừng ức chế).
Gen sau đó trở thành trạng thái mở
(on) cho đến khi một repressor gắn
trở lại operator. Operon cảm ứng-
được hoạt hóa bởi các phân tử cảm
ứng nhỏ VD: Lac operon
• Một operon ức chế (repressible) chứa
một cụm gen cấu trúc thông thường ở
dạng mở (on). Khi tác nhân kiểm
soát gắn vào repressor, repressor gắn
vào operator, khóa gene cấu trúc và
gen trở thành trạng thái đóng (off).
Operon ức chế - bị đóng bởi những
chất đồng kìm hãm. VD: Trp operon
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí5
Cơ chế điều hòa gene
• Kiểm soát dương: quá trình phiên mã chỉ xảy ra khi
promoter được hoạt hóa bởi activator.
• Kiểm soát âm thường là cơ chế phổ biến ở
prokaryote.
• Kiểm soát dương thường phổ biến ở eukaryote
• Sự tự điều hòa: protein điều hòa quá trình phiên mã
của chính nó.
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí6
24/03/2016
4
Kiểm soát dương:
Kiểm soát dương = activator gắn vào vị trí điều hòa để kích
thích quá trình phiên mã gene, cần sự có mặt của một nhân tố
activator để sự phiên mã xảy ra
Kiểm soát âm:
Kiểm soát âm = repressor gắn lên bị trí điều hòa để chặn lại
quá trình phiên mã của gene.
Sự có mặt của nhân tố repressor ức chế quá trình phiên mã, sự
phiên mã chỉ xảy ra khi repressor bị bất hoạt bởi một inducer
Cả hai kiểu operon cảm ứng và ức chế, gen đóng khi repressor
gắn vào operator của nó. Sự khác biệt đó là cách hoạt động của
tác nhân kiểm soát repressor.
Kiểm soát dương - Kiểm soát âm
3/24/2016 7
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí7
Kiểm soát dương: cảm ứng
Phức hợp activator -
inducer gắn lên vị trí 
điều hòa
Xảy ra sự phiên mã
3/24/2016 8
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí8
24/03/2016
5
Kiểm soát dương: ức chế
3/24/2016 9
Phức hợp activator -
repressor không thể
gắn với vị trí điều
hòa
Không phiên mã
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí9
Kiểm soát âm: cảm ứng
Khi inducer hiện
diện, repressor
không thể gắn lên vị
trí điều hòa.
Xảy ra sự phiên
mã.
Allolactose, inducer
3/24/2016 10
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí10
24/03/2016
6
Kiểm soát âm: ức chế
Phức hợp repressor-
corepressor gắn lên vị
trí điều hòa
Không phiên mã
Tryptophan, corepressor
3/24/2016 11
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí11
Lac Operon
• Sự biểu hiện của gene là do cảm ứng hay theo chương trình.
• Repressor thường được biểu hiện từ gen i
• Repressor gắn vào operator để chặn quá trình phiên mã của gene
cấu trúc.
• Inducer lactose gắn và làm bất hoạt repressor cho phép khởi đầu
quá trình phiên mã.
• Lactose operator là một vị trí cần thiết cho sự ức chế
• Lactose promoter là một vị trí cần thiết cho sự phiên mã
• Lac operon chứa vùng gen cấu trúc liên kết với gene điều hòa.
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí12
24/03/2016
7
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí13
Disaccharide Lactose
Lactose, một đường được tìm thấy trong sữa, hình thành khi galactose 
và glucose được nối với nhau qua cầu nối a (1→4) glycosidic.
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí14
Lac Operon
24/03/2016
8
Lac Operon
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí15
Khi không có lactose (controller), repressor gắn vào
operator ức chế quá trình phiên mã bằng cách ngăn RNA
polymerase gắn vào promoter.
Khi có cơ chất, allolactose (controller), gắn vào phân tử repressor đang nằm
trên vùng operator của gene, khi đó repressor được tách khỏi gen. RNA
polymerase có thể gắn vào promoter và gene mã hóa cho ba enzyme cần
thiết cho việc sử dụng lactose được phiên mã.
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí16
Lac Operon
24/03/2016
9
Lac operon
• Khi các enzyme được tổng hợp , lactose được sử dụng, bao
gồm cả phân tử allolactose gắn vào repressor. Khi allolactose
không còn gắn vào repressor protein, repressor khóa promoter
(bằng cách gắn vào operator), làm quá trình phiên mã ngừng.
Đây là cơ chế kiểm soát âm, bởi vì promoter bị khóa do
operator bị gắn bởi repressor .
• Lactose operon là một ví dụ điều hòa hoạt động của gen cảm
ứng, bởi vì khi hiện diện cơ chất của con đường chuyển hóa
(metabolic pathway) có thể cảm ứng quá trình tổng hợp
enzyme. Bởi vì allolactose cảm ứng phiên mã, lactose operon
được gọi là operon cảm ứng ( hoặc trong một số trường hợp,
gọi là operon được giải ức chế - derepressable operon vì
lactose làm ngừng hoạt động của repressor).
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí17
Lac operon
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí18
24/03/2016
10
Lac Operon
• Lactose operon có một phần của kiểm soát
dương
• Kiểm soát dương của lac operon liên quan đến
cAMP-CRP (cyclic AMP receptor protein; hoặc
CAP: catabolite activator protein) gắn vào
promoter để hoạt hóa quá trình phiên mã bởi
RNA polymerase.
• Phức cAMP-CRP điều hòa hoạt tính của lac
operon
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí19
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí20
Lac Operon
Khi mức glucose trong tế bào xuống thấp, cAMP (cyclic adenosine
monophosphate), một chất truyền tin thứ hai trong việc truyền tín hiệu tế bào tích
lũy lại. cAMP gắn vào vị trí allosteric của CRP hình thành một phức CRP- cAMP.
CRP-cAMP gắn vào vị trí kế lactose operon promoter và nó làm RNA polymerase dễ
dàng gắn vào vùng promoter tăng cường việc phiên mã các enzyme lactase (nếu
lactose hiện diện sẽ tách phân tử lactose repressor).
24/03/2016
11
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí21
Lac Operon
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí22
Lac Operon
24/03/2016
12
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí23
Lac Operon
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 Nguyễn Hữu Trí24
24/03/2016
13
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 Nguyễn Hữu Trí25
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 Nguyễn Hữu Trí26
24/03/2016
14
Trp Operon - Điều hòa giảm bớt
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí27
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 Nguyễn Hữu Trí28
24/03/2016
15
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí29
Trp Operon - Điều hòa giảm bớt
+ trp
DNA
RNA
Cấu trúc ngừng
phiên mã
RNA polymerase Ngừng 
phiên mã
- trp
Leader peptide
Leader peptide
DNA
RNA
RNA polymerase
Phiên mã 
tiếp tục
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí30
Trp Operon - Điều hòa giảm bớt
24/03/2016
16
Một số Operon điều hòa giảm bớt
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí31
Operon Arabinose
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí32
24/03/2016
17
Operon Arabinose
3/24/2016
33
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.
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
Operon Arabinose
24/03/2016
18
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
3/24/2016
36
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.
24/03/2016
19
CAP protein
3/24/2016
37
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
Arabinose operon
Kiểm soát dương (cảm ứng) Kiểm soát âm (cảm ứng)
3/24/2016 38
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
24/03/2016
20
Điều hòa 2 thành phần
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí39
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.
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 Nguyễn Hữu Trí40
24/03/2016
21
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 Nguyễn Hữu Trí41
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí42
Sử dụng luân phiên nhân tố σ ở E. coli 
24/03/2016
22
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 Nguyễn Hữu Trí43
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 Nguyễn Hữu Trí44
24/03/2016
23
Kiểm soát phiên mã của virus
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí45
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.
Kiểm soát phiên mã của virus
3/24/2016 2:59:32 AM Nguyễn Hữu Trí46
24/03/2016
24
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 Nguyễn Hữu Trí47
24/03/2016 2:59 SA Nguyễn Hữu Trí48