Kiểm soát sự biểu hiện của gen
Gs. Bùi Tấn Anh - Phạm
Thị Nga

I.

II.

III.

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN GEN Ở VI KHUẨN

1.

Kiểm soát âm tính

2.

Sự kiểm soát dương tính

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN Ở TẾ BÀO CHÂN HẠCH

1.

Tổ chức của nhiễm sắc thể ở nhóm chân hạch

2.

Bằng chứng về việc kiểm soát sự phiên mã của gen

3.

Sự ghi dấu: cách duy trì hoạt động của gen

4.

Cơ chế của sự kiểm soát phiên mã

5.

Sự kiểm soát sau phiên mã

UNG THƯ

1.

Ðặc điểm của tế bào ung thư

2.

Giả thuyết nhiều bước

3.

Gen gây ung thư (Oncogen)

4.

Nguyên nhân môi trường của ung thư

CHƯƠNG V

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN

Mỗi tế bào trong cơ thể của một sinh vật đa bào đều nhận trọn vẹn một bộ nhiễm sắc thể, một bản
ADN trong tế bào ban đầu mà từ đó sinh vật phát triển. Các trình tự nucleotid của ADN nầy chứa đựng toàn b
tin di truyền, đó chính là cơ sở của tiến hóa tế bào. Dù cho mỗi tế bào trong cơ thể nhận được một bộ thông t
nhau nhưng tế bào nầy khác với các tế bào kia và mỗi tế bào hoạt động theo những phương thức hoàn to
nhau. Thật vậy, chỉ có một số gen trong bộ gen của tế bào là sản xuất protein và ở từng thời điểm chỉ có v
trăm ADN nầy hoạt động. Chúng ta đã thấy nhiều sự điều chỉnh nhỏ hóa học của tế bào bằng sự thay đổi tro
động của các enzim, nhưng những điều chỉnh lớn đòi hỏi sự thay đổi biểu hiện của gen trong tế bào.

Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát tính logic và cơ chế của sự kiểm soát gen, một quá trình mà n


chúng ta đã biết có những chất hóa học liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với ADN hoặc mARN.
I. KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN GEN Ở VI KHUẨN

Trước đây các nhà nghiên cứu về sự biểu hiện của gen ở vi khuẩn đã đưa ra nhiều giả định về quá trìn
tìm hiểu. Thứ nhất, chỉ những gen mà sản phẩm của chúng cần thiết ở thời điểm đó mới được biểu hiện. Th
hầu hết các gen mã hóa cho một enzim mà enzim kiểm soát chỉ một bước trong quá trình sinh hóa, nên các
hóa cho nhiều enzim trong cùng quá trình phải được kiểm soát thành một nhóm.

Những giả định này đã được chứng minh là đúng trong nhiều trường hợp phiên mã ở vi khuẩn. Mô h
tiên về sự kiểm soát gen được hình thành từ các nghiên cứu trên vi khuẩn đường ruột E. coli.

1.Sự kiểm soát âm tính

a. Sự cảm ứng gen: mô hình của Jacob và Monod

Trong một công trình nghiên cứu kéo dài về sự tổng hợp protein ở E. coli, từ cuối những năm 1940,
sinh hóa người Pháp là François Jacob và Jacques Monod đã xây dựng một mô hình gen điều hòa trong tế

khuẩn. Họ tập trung vào (-galactosidaz là loại enzim xúc tác sự phân giải lactoz thành glucoz và galactoz.

Lactoz không phải lúc nào cũng có sẵn cho E. coli. Vì vậy gen qui định (-galactosidaz thường được p
với một tỉ lệ rất thấp. Jacob và Monod nhận thấy rằng sự sản xuất thêm loại enzim tiêu hóa này thường được
bởi sự có mặt của một chất gọi là chất cảm ứng (inducer), trong trường hợp này là allolactoz, một dẫn xuất củ
được sản xuất tự động trong tế bào khi có lactoz. Như vậy (-galactosidaz là một enzim cảm ứng (inducible enz

Jacob và Monod đã chứng minh được sự tham gia của 4 gen trong việc sản xuất (- galactosidaz và
khác tham gia vào sự phân giải lactoz: có 3 gen gọi là gen cấu trúc (structure gen), mỗi gen chuyên biệt ch
tự acid amin của một loại enzim, và một gen điều hòa (regulator gen) kiểm soát hoạt động của các gen cấu t
giả định rằng gen điều hòa nằm ngoài các gen cấu trúc, điều khiển tổng hợp chất ức chế (repressor) là m
protein ngăn cản sự phiên mã của các gen cấu trúc.

Jacob và Monod cũng khám phá ra rằng có một vùng đặc biệt của ADN, nằm giữa vùng khởi động (pr
và các gen cấu trúc của (- galactosidaz xác định khi nào sự phiên mã của gen được tiến hành. Họ gọi vùng
này là vùng chỉ huy (operator) và tập hợp của vùng chỉ huy và ba gen cấu trúc được gọi là operon. Khi chấ
gắn vào vùng chỉ huy, ARN polymeraz không bám được vào vùng khởi động của ADN và sự phiên mã bị n
(Hình 1 A).


Hình 1. Một thí dụ về operon cảm ứng: Lac operon

Nếu có mặt chất cảm ứng, nó sẽ liên kết với chất ức chế gây ra một sự thay đổi hình thể của chất ức
chúng không thể gắn vào vùng chỉ huy. Nói cách khác, chất cảm ứng làm bất hoạt chất ức chế (Hình 1 B).
khi được tự do liên kết với vùng khởi động, ARN polymeraz có thể mở đầu sự phiên mã của các gen cấu trúc
hợp mARN (Hình 1C). Phân tử mARN có mang thông tin của cả ba gen cấu trúc, chúng bám vào các ribô thể
bào chất, tại đây thông tin của chúng được giải mã và ba enzim cần thiết cho sự biến dưỡng lactoz được tổng h
b. Sự ức chế gen



Hình 2. Operon ức chế

Không phải tất cả các operon đều được điều hòa theo cách thức giống như lac operon (một loại ope
ứng), nghĩa là nó bất hoạt cho đến khi được bật lên bởi một chất cảm ứng. Nhiều operon hoạt động liên tục tr
đóng lại bởi một chất đồng ức chế (corepressor). Một thí dụ là operon mà 5 gen cấu trúc của nó mã hóa
enzim cần thiết để tổng hợp acid amin tryptophan. Bình thường operon này hoạt động nhưng khi E. coli đư
cấy trong môi trường có tryptophan thì operon đóng lại. Các enzim được mã hóa bởi các gen mà bình thường
động nhưng có thể bị ức chế được gọi là enzim ức chế (repressible enzim). Trong trường hợp này, protein
được mã hóa bởi gen điều hòa sẽ không hoạt động lúc mới được tổng hợp. Chỉ khi có một chất đồng ức chế
và hoạt hóa nó làm nó có thể gắn vào operon, do đó cản trở sự bám của ARN polymeraz (Hình 2). Không g
enzim cảm ứng chỉ được tổng hợp nếu operon của chúng được kích hoạt bởi một chất cảm ứng, các enzim
được tổng hợp tự động trừ phi operon của chúng bị đóng bởi một chất đồng ức chế. Trong sự tổng hợp tryp
chính tryptophan hoạt hóa protein ức chế, làm cho nó có thể gắn vào vùng chỉ huy.

Một chất cảm ứng thường hoặc là cơ chất đầu tiên trong quá trình sinh hóa hoặc là một số chất có quan
thiết với cơ chất đó. Ngược lại một chất đồng ức chế thường là sản phẩm cuối cùng của quá trình sinh hóa


một chất có quan hệ mật thiết với quá trình đó.

2. Sự kiểm soát dương tính

Cả hai trường hợp chúng ta vừa thảo luận là những thí dụ của sự kiểm soát âm tính: một chất ức chế
vùng chỉ huy làm đóng sự phiên mã. Trong một trường hợp thì sự kiểm soát do sự khử hoạt tính của chấ
bởi một chất cảm ứng và trong một trường hợp khác là do sự hoạt hóa nó bởi một chất đồng ức chế. Sự kiểm
tính dù loại này hoặc một loại kia là cách phổ biến nhất về sự điều hòa biểu hiện của gen ở nhóm sơ hạch. Tu
một vài hệ thống được điều hòa bởi sự kiểm soát dương tính: một protein kiểm soát gắn trực tiếp vào A
hoạt hóa operon.
Bây giờ chúng ta hãy xem hệ thống kiểm soát dương tính làm việc như thế nào?


Chúng ta đã thấy rằng ARN polymeraz nhận biết và gắn vào trình tự của vùng khởi động kế cận vùng chỉ huy
khởi động của nhiều gen thường có các trình tự nucleotid giống hệt nhau (trình tự phổ biến). Các gen mà vù
động có trình tự khác với trình tự phổ biến thường ít được phiên mã vì ARN polymeraz sẽ gắn vào chúng m
lỏng lẽo. Trong sự kiểm soát dương tính của những gen như vậy, một protein kiểm soát được gọi là yếu tố p
(transcription factor-TF) gắn vào vùnghoạt hóa (activator) ở phía trước vùng khởi động củng cố trình
vùng nầy, giúp cho polymeraz gắn vào và làm cho sự phiên mã thuận lợi hơn.
Có 2 kiểu kiểm soát dương tính đã được biết:

Trong kiểu thứ nhất, một chất hóa học gắn vào TF, gây biến dạng và hoạt hóa TF, giúp nó có thể gắn v
và làm thuận lợi cho sự phiên mã. Thí dụ một TF thường gặp là CAP (catabolic gene activator protein: prot
động gen biến dưỡng) của E. coli. Khi glucoz, một thức ăn được (ưa thích( của vi khuẩn (nghĩa là được biế
nhanh chóng và hiệu quả nhất), trở nên khan hiếm, một chất liên lạc là AMP vòng được sản xuất. AMP vòng
và hoạt hóa CAP, sự phiên mã của các operon biến dưỡng các chất dinh dưỡng tăng lên nhanh chóng (Hình 3).

Trong kiểu thứ hai, một protein kiểm soát bình thường thì hoạt động nhưng bị bất hoạt khi có một phân
gắn vào. Khi bị bất hoạt, protein này không thể giúp ARN polymeraz gắn vào trình tự của vùng khởi động v
sự phiên mã bị giảm đến tối thiểu . Thí dụ tín hiệu AMP vòng, thông qua CAP, hoạt hóa các operon của nh
tiêu hóa các chất dinh dưỡng, đồng thời làm bất hoạt protein TF. Lúc này hệ thống biến dưỡng các nguồn thự
được hoạt hóa và hệ thống biến dưỡng glucoz tạm thời bị ngưng hoạt động.


Hình 3. Sự cảm ứng phiên mã bởi CAP
II. KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN Ở TẾ BÀO CHÂN HẠCH

1. Tổ chức của nhiễm sắc thể ở nhóm chân hạch

a. Vai trò của các protein nhiễm sắc thể
Như ta đã biết ở chương 6, nhiễm sắc thể bao gồm ADN và protein. Protein của nhiễm sắc thể gồm
histon và phi histon.


Một số bằng chứng cho thấy histon thành phần chủ yếu của thể nhân có thể tham gia vào sự biểu h
nhưng vai trò của chúng có vẻ thụ động : với lõi là thể nhân, sự phiên mã không thể tiến hành vì sự duỗi xoắ
thiết để ARN polymeraz gắn vào ADN.

Những bằng chứng gần đây nhất cho thấy rằng các protein phi histon giữ vai trò quan trọng hơn nhiều
các tác nhân chọn lọc trong sự điều hòa gen. Một số protein này được gắn trực tiếp vào ADN trong khi một
được liên kết với lõi của thể nhân. Chúng biểu hiện rất đa dạng vì vậy chúng có tính chuyên biệt cần thiết
yếu tố kiểm soát. Hơn nữa, các protein phi histon dường như tham gia rất ít trong cấu trúc của chất nhiễm sắc
lẽ vai trò của chúng là điều hòa. Ít nhất một vài protein phi histon liên kết với những vùng kiểm soát chuyên b
ADN làm nới lỏng các vòng (loop) của nhiễm sắc thể.
b. ADN có trình tự lặp lại cao

Tổ chức của nhiễm sắc thể ở tế bào chân hạch đã được phát hiện phần lớn nhờ vào kỹ thuật lai ADN
hybridization). Các kỹ thuật lai ADN đã cho thấy rằng lịch sử tiến hóa của nhiễm sắc thể nhóm sơ hạch và
chân hạch rất khác nhau. Có lẽ sự tương phản rõ nhất là bộ gen (genome) của nhóm chân hạch có các trình t
bao giờ phiên mã, các trình tự này có nhiều bản sao. Chẳng hạn khoảng 10% của phần lớn ADN trong tế b
hạch chứa các trình tự baz được tìm thấy không phải chỉ một mà là hàng ngàn lần trong bộ gen, nên được gọi
có trình tự lặp lại cao.