Cơ-sở-di-truyền-học-phan-tử-va-tế-bao-Đinh-Đoan-Long-pdf

Ch−¬ng 5 Gen vµ sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen 5.1. Tæng quan vÒ sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë c¸c ch−¬ng tr−íc, chóng ta ®· biÕt th«ng tin di truyÒn (trong gen) b»ng c¸ch nµo ®−îc t¸i b¶n (sao chÐp) vµ chuyÓn thµnh tÝnh tr¹ng (qua sù phiªn m· vµ dÞch m·). Tuy vËy, ë mäi loµi sinh vËt, vµo mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c gen ®Òu biÓu hiÖn. Ngay c¸c sinh vËt bËc thÊp (nh− vi khuÈn) còng ®· cã mét kh¶ n¨ng thÝch øng ®Æc biÖt víi c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng th−êng xuyªn biÕn ®éng. Sù thÝch øng cña chóng phô thuéc mét phÇn quan träng vµo kh¶ n¨ng “bËt”, “t¾t” vµ “®iÒu chØnh” sù biÓu hiÖn cña tËp hîp c¸c gen nh»m ®¸p øng c¸c thay ®æi cña m«i tr−êng. Sù ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña c¸c gen th−êng cã xu h−íng gióp c¸c tÕ bµo chØ tæng hîp c¸c protein vµ enzym cÇn thiÕt cho sù sèng cña chóng vµo tõng thêi ®iÓm, mµ kh«ng tæng hîp c¸c s¶n phÈm kh«ng cã nhu cÇu. §iÒu nµy ®¶m b¶o cho c¸c hÖ thèng sinh häc sö dông n¨ng l−îng mét c¸ch hiÖu qu¶. ë sinh vËt ®a bµo, sù ®iÒu hßa ho¹t ®éng gen kh«ng chØ lµ sù ®¸p øng l¹i c¸c thay ®æi cña m«i tr−êng, mµ cßn g¾n víi nhiÒu ho¹t ®éng sèng quan träng kh¸c, nh− sù “biÖt hãa c¸c tÕ bµo” vµ “qu¸ tr×nh ph¸t triÓn c¬ thÓ”. Trong thùc tÕ, hÇu hÕt c¸c tÕ bµo ng−êi (trõ mét sè tÕ bµo hÖ tuÇn hoµn vµ miÔn dÞch) ®Òu chøa hÖ gen gièng hÖt nhau. Nh−ng, tËp hîp c¸c gen ®−îc biÓu hiÖn ë c¸c tÕ bµo vµ m« kh¸c nhau (nh− ë hÖ thÇn kinh, c¬, da, v.v...) lµ kh¸c nhau. ChÝnh sù biÓu hiÖn cña c¸c gen kh¸c nhau ®· dÉn ®Õn sù ph©n hãa chøc n¨ng cña c¸c tÕ bµo. Gièng nh− ë vi khuÈn (prokaryote), sù biÓu hiÖn gen ë sinh vËt nh©n thËt (eukaryote) ®−îc ®iÒu khiÓn ë nhiÒu b−íc kh¸c nhau, tõ tr−íc phiªn m· tíi sau phiªn m· vµ dÞch m·. Nh−ng, nh×n chung kiÓu ®iÒu hßa c¬ b¶n nhÊt lµ ë sù khëi ®Çu phiªn m·. Trong phÇn ®Çu cña ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ nãi ®Õn mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen trªn c¬ së c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa ®· biÕt ë prokaryote (chñ yÕu ë E. coli). Trong phÇn tiÕp theo, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn mét sè c¬ chÕ ®iÒu hßa gen ë eukaryote, tõ c¸c tr−êng hîp ë nÊm men ®Õn c¸c sinh vËt ®a bµo bËc cao; ph©n tÝch mét sè ®Æc ®iÓm c¬ b¶n trong ®iÒu hßa gen ë eukaryote, bao gåm sù thay ®æi cÊu h×nh chÊt nhiÔm s¾c, hay sù tham gia cña c¸c ARN kÝch th−íc nhá. 5.1.1. Kh¸i niÖm vÒ c¸c gen c¬ ®Þnh (constitutive) vµ c¶m øng (inducible) Mét sè s¶n phÈm cña hÖ gen, ch¼ng h¹n nh− c¸c tARN, rARN, c¸c protein thµnh phÇn cña ribosome, cña ADN polymerase vµ nhiÒu enzym xóc t¸c tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt c¬ b¶n (nh− chuyÓn hãa ®−êng glucose, tæng hîp c¸c axit amin),... lµ c¸c thµnh phÇn thiÕt yÕu cho sù tån t¹i cña mäi lo¹i tÕ bµo. C¸c gen m· hãa cho c¸c lo¹i s¶n phÈm nµy th−êng ®−îc biÓu hiÖn th−êng xuyªn vµ liªn tôc ë hÇu hÕt c¸c tÕ bµo. Do vËy, chóng ®−îc gäi lµ c¸c gen c¬ ®Þnh (constitutive genes). Ng−îc l¹i, nhiÒu s¶n phÈm kh¸c cña hÖ gen chØ cÇn cho tÕ bµo vµ c¬ thÓ vµo nh÷ng thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh hoÆc trong ®iÒu kiÖn m«i tr−êng ®Æc thï. ViÖc ho¹t ®éng theo kiÓu c¬ ®Þnh ®èi víi nh÷ng gen nµy sÏ lµ sù l·ng phÝ vÒ n¨ng l−îng. Cã lÏ v× vËy, tr¶i qua hµng triÖu n¨m tiÕn hãa, c¸c tÕ bµo ®· ph¸t triÓn c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen sao cho chóng chØ biÓu hiÖn c¸c gen cÇn thiÕt vµo tõng thêi ®iÓm vµ vÞ trÝ nhÊt ®Þnh cña c¬ thÓ; 134

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen vµ c¸c c¬ thÓ cã c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa hiÖu qu¶ sÏ cã −u thÕ chän läc cao h¬n so víi c¸c c¬ thÓ thiÕu c¸c c¬ chÕ nµy. Gi¶ thiÕt nµy gióp gi¶i thÝch v× sao hÇu hÕt mäi d¹ng sèng tån t¹i hiÖn nay, kÓ c¶ vi khuÈn vµ virut, ®Òu cã c¸c c¬ chÕ biÓu hiÖn gen rÊt hiÖu qu¶. E. coli vµ phÇn lín c¸c vi khuÈn kh¸c cã thÓ sinh tr−ëng trong m«i tr−êng cã nguån n¨ng l−îng lµ c¸c lo¹i ®−êng kh¸c nhau. NÕu m«i tr−êng cã glucose, vi khuÈn cã xu h−íng −u tiªn sö dông ®−êng nµy. Nh−ng, khi kh«ng cã glucose, vi khuÈn vÉn cã thÓ sinh tr−ëng tèt nÕu cã mét trong c¸c lo¹i ®−êng kh¸c, nh− sucrose, galactose, arabinose vµ lactose. VÝ dô nh−, khi m«i tr−êng chØ cã lactose lµ nguån hydrat carbon duy nhÊt, c¸c tÕ bµo E. coli sÏ tiÕn hµnh tæng hîp enzym β-galactosidase vµ protein permease cÇn thiÕt cho viÖc sö dông lactose lµm nguån n¨ng l−îng (thay thÕ cho glucose). Permease lµ mét protein vËn chuyÓn gióp “b¬m” lactose tõ ngoµi m«i tr−êng vµo trong tÕ bµo, cßn β- galactosidase lµ enzym ph©n c¾t lactose thµnh glucose vµ galactose. Hai protein nµy hÇu nh− kh«ng cã vai trß g× khi tÕ bµo E. coli ®−îc nu«i trong m«i tr−êng kh«ng cã lactose. ViÖc tæng hîp hai protein nµy cÇn n¨ng l−îng (tõ ATP vµ GTP). V× vËy, c¬ chÕ ®iÒu hßa cho phÐp c¸c tÕ bµo chØ tæng hîp m¹nh c¸c s¶n phÈm cÇn thiÕt cho chuyÓn hãa lactose khi m«i tr−êng cã lactose (vµ kh«ng cã glucose), ®ång thêi h¹n chÕ tèi ®a sù ho¹t ®éng cña chóng khi m«i tr−êng kh«ng cã ®−êng nµy (hoÆc cã glucose) sÏ ®¶m b¶o cho c¸c tÕ bµo sö dông n¨ng l−îng hiÖu qu¶ cho ho¹t ®éng sèng cña chóng. Trong m«i tr−êng tù nhiªn (vÝ dô: èng tiªu hãa ë ng−êi), vi khuÈn E. coli hiÕm khi gÆp ®iÒu kiÖn thiÕu glucose vµ thõa lactose. Do vËy, c¸c gen m· hãa c¸c enzym chuyÓn hãa lactose cña nã th−êng ë tr¹ng th¸i “t¾t” (thùc chÊt lµ biÓu hiÖn tèi thiÓu). Nh−ng nÕu vi khuÈn ®−îc chuyÓn sang m«i tr−êng chØ cã lactose lµm nguån hydrat carbon, th× chóng nhanh chãng (chØ sau kho¶ng 10 phót) tæng hîp c¸c enzym chuyÓn hãa vµ sö dông lactose. Qu¸ tr×nh “bËt” sù biÓu hiÖn cña gen ®Ó ®¸p øng l¹i sù cã mÆt cña tÝn hiÖu nµo ®ã trong m«i tr−êng ®−îc gäi lµ sù c¶m øng. C¸c gen ®−îc ®iÒu hßa theo kiÓu nµy ®−îc gäi lµ c¸c gen c¶m øng (inducible genes). S¶n phÈm do gen nh− vËy m· hãa, nÕu lµ enzym th× ®−îc gäi lµ c¸c enzym c¶m øng, cßn nÕu lµ protein th× ®−îc gäi lµ protein c¶m øng. C¸c enzym tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh dÞ hãa, nh− chuyÓn hãa lactose, galactose, hay arabinose, th−êng lµ c¸c gen c¶m øng ®iÓn h×nh. CÇn ph©n biÖt sù kÝch øng (c¶m øng t¨ng c−êng) biÓu hiÖn gen m· hãa c¸c enzym víi sù ho¹t hãa enzym, bëi hai hiÖn t−îng nµy kh¸c nhau vÒ c¬ chÕ vµ ph−¬ng thøc thùc hiÖn. Sù kÝch øng biÓu hiÖn c¸c gen lµm thay ®æi tèc ®é tæng hîp enzym, chø kh«ng lµm thay ®æi ho¹t tÝnh enzym. Ng−îc l¹i, sù ho¹t hãa c¸c enzym th−êng liªn quan tíi sù t−¬ng t¸c gi÷a enzym vµ c¸c ph©n tö tÝn hiÖu lµm thay ®æi ho¹t tÝnh enzym, nh−ng th−êng kh«ng lµm thay ®æi møc ®é biÓu hiÖn cña gen m· hãa enzym. C¸c vi khuÈn cã thÓ tù tæng hîp phÇn lín c¸c ph©n tö h÷u c¬ cÇn cho sù sèng cña chóng, nh− c¸c axit amin, c¸c nucleotide vµ vitamin. VÝ dô nh−, hÖ gen E. coli chøa 5 gen m· hãa c¸c enzym tham gia sinh tæng hîp tryptophan (Trp). N¨m gen nµy biÓu hiÖn theo kiÓu c¬ ®Þnh khi E. coli ®−îc nu«i trong m«i tr−êng thiÕu Trp. Nh−ng nÕu vi khuÈn ®−îc nu«i trong m«i tr−êng d− thõa Trp, th× E. coli cã mét c¬ chÕ ®iÒu hßa gióp “t¾t” sù biÓu hiÖn cña c¸c gen nµy. C¸c gen ®−îc ®iÒu hßa theo kiÓu nµy ®−îc gäi lµ c¸c gen bÞ nÐn, hay gen bÞ øc chÕ. Khi c¸c gen bÞ nÐn ®−îc ho¹t hãa trë l¹i th× ®−îc gäi lµ sù gi¶i nÐn. C¸c gen m· hãa enzym tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh ®ång hãa th−êng lµ c¸c gen ®−îc ®iÒu hßa biÓu hiÖn theo kiÓu bÞ nÐn. Gièng nh− kiÓu ®iÒu hßa c¶m øng, sù nÐn gen ®iÓn h×nh ®−îc thùc hiÖn ë b−íc phiªn m·. CÇn ph©n biÖt sù nÐn gen víi sù øc chÕ ph¶n håi. Bëi øc chÕ ph¶n håi th−êng liªn quan ®Õn sù øc chÕ g©y ra bëi s¶n phÈm cuèi cïng cña mét con ®−êng chuyÓn hãa ®èi víi ho¹t tÝnh cña enzym tham gia con ®−êng chuyÓn hãa ®ã, mµ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn sù biÓu hiÖn cña gen m· hãa enzym. 135

§inh §oµn Long 5.1.2. §iÒu hßa d−¬ng tÝnh vµ ®iÒu hßa ©m tÝnh Sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen, dï lµ kÝch øng hay øc chÕ, ®Òu cã thÓ thùc hiÖn qua hai c¬ chÕ ®iÒu hßa d−¬ng tÝnh vµ ©m tÝnh. C¶ hai c¬ chÕ nµy ®Òu liªn quan ®Õn sù tham gia cña c¸c gen ®iÒu hßa. C¸c gen nµy m· hãa cho c¸c s¶n phÈm trùc tiÕp ®iÒu hßa sù biÓu hiÖn cña c¸c gen kh¸c. Trong c¬ chÕ ®iÒu hßa d−¬ng tÝnh, s¶n phÈm cña gen ®iÒu hßa cã vai trß lµm t¨ng sù biÓu hiÖn cña mét hay mét sè gen cÊu tróc. Cßn trong c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa ©m tÝnh, s¶n phÈm cña gen ®iÒu hßa th−êng øc chÕ hoÆc lµm t¾t sù biÓu hiÖn cña gen cÊu tróc. C¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa ©m tÝnh vµ d−¬ng tÝnh ®èi víi c¶ hai hÖ thèng ®iÒu hßa kÝch øng vµ øc chÕ ®−îc minh häa trªn h×nh 5.1. ë ch−¬ng 4, chóng ta biÕt r»ng mét gen ®−îc biÓu hiÖn khi ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt vµo promoter cña nã vµ tiÕn hµnh tæng hîp b¶n phiªn m· ARN chøa vïng m· hãa cña gen. S¶n phÈm cña gen ®iÒu hßa ho¹t ®éng b»ng c¸ch liªn kÕt vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa cña nã (vÞ trÝ liªn kÕt protein ®iÒu hßa, kÝ hiÖu RPBS) th−êng n»m gÇn promoter cña gen mµ nã ®iÒu hßa. Khi s¶n phÈm cña gen ®iÒu hßa liªn kÕt vµo RPBS, sù phiªn m· gen cÊu tróc ®−îc ho¹t hãa trong hÖ thèng ®iÒu hßa d−¬ng tÝnh (h×nh 5.1, ph¶i) hoÆc bÞ øc chÕ hay k×m h·m trong hÖ thèng ®iÒu hßa ©m tÝnh (h×nh 5.1, tr¸i). S¶n phÈm cña c¸c gen ®iÒu hßa ®−îc gäi lµ c¸c protein ®iÒu hßa, xuÊt hiÖn d−íi mét trong hai d¹ng lµ: 1) protein ho¹t hãa trong c¸c hÖ thèng ®iÒu hßa d−¬ng tÝnh, vµ 2) protein øc chÕ trong c¸c hÖ thèng ®iÒu hßa ©m tÝnh. ViÖc c¸c protein ®iÒu hßa cã liªn kÕt vµo RPBS ®−îc hay kh«ng th−êng phô thuéc vµo sù xuÊt hiÖn c¸c ph©n tö cã kÝch th−íc nhá (nh− c¸c axit amin, ®−êng hoÆc c¸c s¶n phÈm trao ®æi chÊt kh¸c). Nh÷ng ph©n tö nµy ®−îc gäi chung lµ c¸c ph©n tö tÝn hiÖu. NÕu c¸c ph©n tö tÝn hiÖu nµy lµm t¨ng c−êng sù biÓu hiÖn cña gen th× ®−îc gäi lµ c¸c ph©n tö kÝch øng; cßn nÕu lµm h¹n chÕ hay k×m h·m sù biÓu hiÖn cña gen ®−îc gäi lµ c¸c ph©n tö ®ång øc chÕ. C¸c ph©n tö kÝch øng vµ ®ång øc chÕ th−êng liªn kÕt vµo protein ®iÒu hßa (ho¹t hãa hoÆc øc chÕ) vµ lµm thay ®æi cÊu h×nh cña chóng, dÉn ®Õn sù thay ®æi ho¹t tÝnh hoÆc chøc n¨ng cña nh÷ng protein nµy. Sù thay ®æi cÊu h×nh dÉn ®Õn sù thay ®æi ho¹t tÝnh hoÆc chøc n¨ng cña c¸c protein nh− vËy ®−îc gäi lµ sù biÕn ®æi dÞ h×nh (xem môc 1.4.4, ch−¬ng 1). §èi víi c¸c protein ho¹t hãa vµ øc chÕ, sù biÕn ®æi dÞ h×nh g©y ra bëi c¸c ph©n tö kÝch øng hoÆc ®ång øc chÕ th−êng liªn quan ®Õn sù thay ®æi ¸i lùc liªn kÕt cña chóng vµo c¸c vÞ trÝ RPBS ë gÇn promoter cña c¸c gen mµ chóng ®iÒu khiÓn. Trong hÖ thèng ®iÒu hßa kÝch øng vµ ©m tÝnh (h×nh 5.1a, tr¸i), khi kh«ng cã ph©n tö kÝch øng, protein øc chÕ ë tr¹ng th¸i tù do sÏ liªn kÕt vµo RPBS vµ g©y øc chÕ sù phiªn m·. Cßn khi cã ph©n tö kÝch øng, phøc hÖ [chÊt kÝch øng/protein øc chÕ] kh«ng thÓ g¾n ®−îc vµo RPBS, dÉn ®Õn viÖc ARN polymerase sau khi liªn kÕt vµo promoter cã thÓ khëi ®Çu phiªn m·. Nh− vËy, ë ®©y sù biÓu hiÖn cña gen cÊu tróc chØ diÔn ra khi cã chÊt kÝch øng. Trong hÖ thèng ®iÒu hßa k×m h·m vµ ©m tÝnh (h×nh 5.1b, tr¸i), sù phiªn m· c¸c gen cÊu tróc chØ diÔn ra khi cã chÊt ®ång øc chÕ. Khi cã chÊt ®ång øc chÕ, phøc hÖ [protein øc chÕ/chÊt ®ång øc chÕ] liªn kÕt vµo RPBS vµ ng¨n c¶n enzym ARN polymerase tiÕn hµnh phiªn m· c¸c gen cÊu tróc. Khi kh«ng cã chÊt ®ång øc chÕ, protein øc chÕ kh«ng liªn kÕt ®−îc vµo tr×nh tù RPBS, vµ v× vËy ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt ®−îc vµo promoter vµ khëi ®Çu sù phiªn m· gen cÊu tróc. Trong hÖ thèng ®iÒu hßa øc chÕ vµ d−¬ng tÝnh (h×nh 5.1b, ph¶i), s¶n phÈm cña gen ®iÒu hßa lµ protein ho¹t hãa liªn kÕt ®−îc vµo RPBS vµ thóc ®Èy sù liªn kÕt cña ARN polymerase vµo promoter vµ tiÕn hµnh phiªn m· c¸c gen cÊu tróc. Khi chÊt ®ång øc chÕ xuÊt hiÖn, nã sÏ h×nh thµnh phøc hÖ [protein ho¹t hãa/chÊt ®ång øc chÕ]. Phøc hÖ nµy 136

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen kh«ng thÓ liªn kÕt ®−îc víi RPBS. KÕt qu¶ lµ, ARN polymerase kh«ng thÓ liªn kÕt ®−îc víi promoter vµ sù phiªn m· gen cÊu tróc kh«ng diÔn ra. §iÒu hßa ©m tÝnh §iÒu hßa d−¬ng tÝnh VÞ trÝ g¾n protein VÞ trÝ g¾n protein ®iÒu hßa C¸c gen cÊu tróc Gen ®iÒu hßa Promoter Gen ®iÒu hßa ®iÒu hßa Promoter C¸c gen cÊu tróc Protein øc chÕ Liªn kÕt cña yÕu tè øc chÕ lµm Protein (yÕu tè) ARN polymerase kh«ng liªn (yÕu tè øc chÕ) ng¨n c¶n phiªn m· øc chÕ kh«ng ho¹t ®éng kÕt ®−îc vµo promoter nÕu yÕu Gen ®iÒu hßa ARN polymerase tè (protein) ho¹t hãa kh«ng liªn ChÊt kÝch øng kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa VÞ trÝ g¾n protein Promoter ®iÒu hßa C¸c gen cÊu tróc Gen ®iÒu hßa ChÊt kÝch øng VÞ trÝ g¾n protein ®iÒu hßa Promoter C¸c gen cÊu tróc Phiªn m· diÔn ra Phiªn m· diÔn ra Phøc hÖ chÊt kÝch øng / protein øc chÕ kh«ng liªn Phøc hÖ chÊt kÝch øng / protein ho¹t hãa liªn kÕt kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa ®−îc vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa a) HÖ thèng ®iÒu hßa kÝch øng (inducible) §iÒu hßa ©m tÝnh §iÒu hßa d−¬ng tÝnh VÞ trÝ g¾n protein VÞ trÝ g¾n protein ®iÒu hßa C¸c gen cÊu tróc Gen ®iÒu hßa Promoter Gen ®iÒu hßa ®iÒu hßa Promoter C¸c gen cÊu tróc Phiªn m· diÔn ra Phiªn m· diÔn ra Protein øc chÕ ë tr¹ng th¸i tù do kh«ng liªn Protein ho¹t hãa ë tr¹ng th¸i tù do liªn kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa ChÊt ®ång øc chÕ ChÊt ®ång øc chÕ VÞ trÝ g¾n protein VÞ trÝ g¾n protein Gen ®iÒu hßa ®iÒu hßa Promoter C¸c gen cÊu tróc Gen ®iÒu hßa Promoter ®iÒu hßa C¸c gen cÊu tróc Phiªn m· kh«ng ARN polymerase kh«ng liªn kÕt diÔn ra ®−îc vµo promoter nÕu yÕu tè ho¹t hãa kh«ng liªn kÕt ®−îc ARN polymerase vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa Phøc hÖ chÊt ®ång øc chÕ / protein øc chÕ liªn Phøc hÖ chÊt ®ång øc chÕ / protein øc chÕ kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa kh«ng liªn kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa b) HÖ thèng ®iÒu hßa øc chÕ (repressible) H×nh 5.1. §iÒu hßa ©m tÝnh vµ d−¬ng tÝnh cña c¸c gen biÓu hiÖn kiÓu kÝch øng hoÆc øc chÕ. C¸c protein ®iÒu hßa cÇn liªn kÕt ®−îc vµo ADN ®Ó \"bËt\" gen trong ®iÒu hßa d−¬ng tÝnh vµ \"t¾t\" gen trong ®iÒu hßa ©m tÝnh (nguån: Snudstad vµ Simmons, 2003) 137

§inh §oµn Long §Ó hiÓu h¬n c¸c hÖ thèng ®iÒu hßa gen nªu trªn, cÇn ph©n biÖt ®−îc sù kh¸c biÖt gi÷a chóng, bao gåm: 1) S¶n phÈm cña gen ®iÒu hßa lµ protein ho¹t hãa lµm t¨ng c−êng biÓu hiÖn cña gen trong ®iÒu hßa d−¬ng tÝnh; nh−ng nÕu ®ã lµ protein øc chÕ, th× nã sÏ liªn quan ®Õn sù k×m h·m hay øc chÕ biÓu hiÖn cña gen trong ®iÒu hßa ©m tÝnh; 2) ë c¶ hai hÖ thèng ®iÒu hßa ©m tÝnh vµ d−¬ng tÝnh, th× sù ho¹t hãa hay øc chÕ biÓu hiÖn gen phô thuéc vµo viÖc protein ®iÒu hßa cã liªn kÕt hay kh«ng vµo c¸c vÞ trÝ RPBS. 5.2. §iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë prokaryote ARN polymerase ë vi khuÈn phæ biÕn nhÊt (mang yÕu tè σ70) nhËn ra promoter dùa vµo ba yÕu tè tr×nh tù, gäi lµ c¸c tr×nh tù liªn øng, lµ “-10”, “-35” vµ “UP”. Khi kh«ng cã protein ®iÒu hßa, c¸c tr×nh tù nµy quy ®Þnh hiÖu suÊt liªn kÕt cña ARN polymerase vµo promoter vµ sù khëi ®Çu phiªn m·. Nh×n chung, sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen cã thÓ ®−îc thùc hiÖn ë nhiÒu b−íc kh¸c nhau tõ tr−íc phiªn m· ®Õn sau dÞch m·. Nh−ng, kiÓu ®iÒu hßa c¬ b¶n nhÊt ë prokaryote lµ b−íc khëi ®Çu phiªn m·. Trong thùc tÕ, tÝnh linh ho¹t trong c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen lµ cao h¬n, bao gåm c¸c kiÓu ®iÒu hßa sau khëi ®Çu phiªn m·, nh− sù ng¨n c¶n kÕt thóc phiªn m· hay ®iÒu hßa dÞch m·. 5.2.1. C¸c nguyªn t¾c ®iÒu hßa phiªn m· 5.2.1.1. BiÓu hiÖn gen ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c protein ®iÒu hßa Nh− ®· nªu ë trªn, sù biÓu hiÖn cña nhiÒu gen ë c¶ prokaryote vµ eukaryote phô thuéc chÆt chÏ vµo m«i tr−êng, cô thÓ h¬n lµ c¸c tÝn hiÖu cña m«i tr−êng. ë vi khuÈn, c¸c tÝn hiÖu ®iÓn h×nh chÝnh lµ c¸c ph©n tö cã mÆt trong m«i tr−êng sèng. “Th«ng tin” tõ c¸c tÝn hiÖu nµy ®−îc “truyÒn” tíi gen qua c¸c protein ®iÒu hßa. Chóng ta nhí l¹i c¸c b−íc khëi ®Çu phiªn m· (ch−¬ng 3). §Çu tiªn, ARN polymerase liªn kÕt vµo promoter trong phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· “®ãng”. Sau ®ã, phøc hÖ nµy chuyÓn thµnh d¹ng “më” víi hai m¹ch cña ph©n tö ADN t¹i promoter gi·n xo¾n, t¸ch ra côc bé, råi ARN polymerase b¾t ®Çu sù phiªn m·. VËy, c¸c protein ®iÒu hßa ho¹t ®éng thÕ nµo? C¸c protein ho¹t hãa vµ øc chÕ t¸c ®éng vµo b−íc nµo cña sù khëi ®Çu phiªn m·? §iÒu nµy thùc tÕ phô thuéc vµo tõng promoter vµ protein ®iÒu hßa. Sau ®©y lµ hai vÝ dô ®iÓn h×nh. 5.2.1.2. NhiÒu promoter ®−îc ®iÒu khiÓn qua ¸i lùc gi÷a ARN polymerase víi ADN Víi nhiÒu promoter, khi kh«ng cã c¸c protein ®iÒu hßa, ARN polymerase th−êng liªn kÕt rÊt yÕu, bëi v× nh÷ng promoter nµy thiÕu mét trong c¸c yÕu tè cña tr×nh tù liªn øng, hoÆc do chóng kh«ng hoµn chØnh. Nh−ng, do “kÏ hë” cña liªn kÕt yÕu, ®«i khi ARN polymerase vÉn liªn kÕt ®−îc víi promoter vµ khëi ®Çu sù phiªn m·. §iÒu nµy dÉn ®Õn sù biÓu hiÖn gen kiÓu c¬ ®Þnh, nh−ng chØ ë møc c¬ b¶n (tèi thiÓu). Sù liªn kÕt cña ARN polymerase vµo promoter ë ®©y lµ mét kiÓu giíi h¹n tèc ®é biÓu hiÖn gen (h×nh 5.2a). §Ó ®iÒu hßa ©m tÝnh mét promoter nh− vËy, chØ cÇn cã mét protein øc chÕ g¾n vµo mét vÞ trÝ bªn trong hoÆc gèi lªn promoter. VÞ trÝ nµy ®−îc gäi lµ tr×nh tù ®iÒu hµnh (operator). Do sù liªn kÕt cña protein øc chÕ vµo operator, ARN polymerase kh«ng g¾n ®−îc vµo promoter vµ sù phiªn m· kh«ng ®−îc thùc hiÖn (h×nh 5.2b). Ng−îc l¹i, ®Ó ®iÒu hßa d−¬ng tÝnh promoter nµy, mét protein ho¹t hãa cã thÓ gióp ARN polymerase liªn kÕt dÔ dµng h¬n víi promoter. HiÖn t−îng nµy x¶y ra mét c¸ch ®iÓn h×nh nh− sau: protein ho¹t hãa dïng mét phÇn ph©n tö cña nã ®Ó liªn kÕt víi ADN t¹i vÞ trÝ gÇn promoter, cßn phÇn kh¸c t−¬ng t¸c víi ARN polymerase, nhê vËy ®−a enzym nµy ®Õn gÇn promoter (h×nh 5.2c). C¬ chÕ nµy ®−îc gäi lµ sù liªn hîp ADN/protein. Vai trß cña chÊt ho¹t hãa ë ®©y chØ ®¬n thuÇn cã vai trß “®Ýnh kÕt” gi÷a ADN vµ ARN polymerase. Nãi c¸ch kh¸c, 138

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen vai trß cña nã lµ mang enzym tíi gÇn promoter. Mét khi yÕu tè ho¹t hãa cã mÆt, sù h×nh thµnh phøc hÖ “më” t¹i promoter cã thÓ h×nh thµnh tù ph¸t vµ sù phiªn m· diÔn ra. Operon lac ë E. coli ho¹t ®éng víi sù tham gia cña mét protein ho¹t hãa vµ mét protein øc chÕ theo kiÓu trªn ®©y. Chóng ta sÏ xem ho¹t ®éng cña operon nµy ë phÇn sau. 5.2.1.3. Qui t¾c dÞ h×nh ®iÒu khiÓn sau b−íc ARN polymerase ®Ýnh kÕt vµo promoter Kh«ng ph¶i mäi promoter ®Òu ®−îc ®iÒu a) ARN polymerase khiÓn b»ng c¬ chÕ gièng nhau. Theo mét c¬ chÕ kh¸c, ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt s½n víi mét phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· “®ãng”. Nh−ng phøc hÖ nµy kh«ng tù chuyÓn Operator Phiªn m· ë sang ®−îc tr¹ng th¸i “më” møc c¬ b¶n khi kh«ng cã protein ho¹t VÞ trÝ liªn kÕt cña Promoter Kh«ng cã hãa. Khi cã mÆt protein ho¹t protein ho¹t hãa Protein øc chÕ phiªn m· hãa, phøc hÖ “®ãng” chuyÓn b) thµnh phøc hÖ “më”, vµ sù khëi ®Çu phiªn m· diÔn ra. c) §iÓn h×nh lµ c¸c protein ho¹t hãa sau khi t−¬ng t¸c víi phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· Protein ho¹t hãa “®ãng”, chóng kÝch øng sù ARN polymerase thay ®æi cÊu h×nh hoÆc cña Phiªn m· ë møc t¨ng c−êng ARN polymerase hoÆc cña ADN theo qui t¾c dÞ h×nh, vµ chuyÓn phøc hÖ “®ãng” thµnh “më”. ë ch−¬ng 1, chóng ta biÕt qui t¾c dÞ h×nh H×nh 5.2. Ho¹t hãa gen bëi sù huy ®éng ARN polymerase. lµ mét trong nh÷ng qui t¾c c¬ a) Khi kh«ng cã protein ®iÒu hßa, ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt tù ph¸t víi b¶n nhÊt trong ®iÒu hßa chøc promoter vµ khëi ®Çu phiªn m· (ë møc c¬ b¶n), b) Sù liªn kÕt cña protein øc n¨ng vµ ho¹t tÝnh protein. Mét vÝ dô lµ c¸c protein chÕ vµo operator ng¨n c¶n ARN polymerase liªn kÕt vµo promoter, qua ®ã Cyclin ho¹t hãa c¸c enzym øc chÕ sù phiªn m·, c) ARN polymerase ®−îc c¸c protein ho¹t hãa huy ®éng ®Õn gen lµm t¨ng c−êng sù phiªn m· (gen biÓu hiÖn ë møc tèi ®a) Cdk tham gia ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo. C¸c Cyclin ho¹t hãa ®−îc enzym nµy b»ng c¸ch liªn kÕt vµo enzym vµ chuyÓn chóng tõ tr¹ng th¸i kh«ng ho¹t ®éng sang tr¹ng th¸i ho¹t ®éng (h×nh 1.12). ë ®©y, chóng ta xem qui t¾c dÞ h×nh ®−îc vËn dông trong ®iÒu hßa phiªn m· ë hai promoter lµ glnA vµ metT. Trong tr−êng hîp ë glnA, chÊt ho¹t hãa (NtrC) t−¬ng t¸c víi ARN polymerase vµ thóc ®Èy phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· “®ãng” chuyÓn thµnh “më”. Cßn trong tr−êng hîp metT, chÊt ho¹t hãa (MerR) t¹o ra hiÖu øng t−¬ng tù nh−ng b»ng sù thay ®æi cÊu h×nh ADN (promoter). Còng ph¶i nãi lµ sù ®iÒu hßa phiªn m· t¹i promoter trong thùc tÕ lµ ®a d¹ng h¬n. Ch¼ng h¹n nh−, nhiÒu c¬ chÕ kh¸c nhau cã thÓ ®−îc kÕt hîp ®ång thêi, hoÆc sù k×m h·m phiªn m· kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i qua sù ng¨n c¶n liªn kÕt gi÷a ARN polymerase vµ promoter. 139

§inh §oµn Long c) Protein Protein ho¹t hãa a) Protein ®iÒu hßa ADN bÎ cong ARN polymerase ADN b) ADN H×nh 5.3. Sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c protein liªn kÕt ADN. a) T−¬ng t¸c gi÷a c¸c protein ®iÒu hßa liªn kÕt gÇn nhau. b) T−¬ng t¸c gi÷a c¸c protein ®iÒu hßa liªn kÕt xa nhau, h×nh thµnh \"vßng th¾t\" trªn ph©n tö ADN. c) \"Protein bÎ cong ADN\" gióp ®−a mét protein ho¹t hãa liªn kÕt ë xa ®Õn gÇn phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· vµ ADN t−¬ng t¸c víi ARN polymerase. 5.2.1.4. Sù ®iÒu khiÓn biÓu hiÖn gen tõ kho¶ng c¸ch xa vµ cÊu tróc vßng th¾t ADN C¸c protein ®iÒu hßa th−êng liªn kÕt ë vÞ trÝ gÇn promoter cña gen, nh−ng ®iÒu nµy kh«ng ph¶i lóc nµo còng ®óng. §«i khi, protein ®iÒu hßa liªn kÕt vµo ph©n tö ADN t¹i vÞ trÝ c¸ch gen rÊt xa. Lóc nµy, ®Ó protein ®iÒu hßa cã thÓ t−¬ng t¸c ®−îc víi gen, th−êng cã sù h×nh thµnh c¸c “vßng th¾t” trªn ph©n tö ADN (h×nh 5.3b). Trong thùc tÕ, protein ho¹t hãa phiªn m· NtrC (®· ®−îc nh¾c ®Õn ë trªn) ho¹t ®éng theo c¸ch nµy. VÞ trÝ liªn kÕt ADN cña nã n»m ng−îc dßng promoter (vÒ phÝa ®Çu 5’ cña m¹ch m· hãa) 150 bp. Protein nµy thËm chÝ cã thÓ ho¹t hãa gen ngay c¶ khi nã liªn kÕt ë vÞ trÝ xa h¬n (1 kb hoÆc h¬n). Trong viÖc ®iÒu khiÓn biÓu hiÖn gen tõ xa nh− vËy, c¸c vßng th¾t ADN cã thÓ cã ®é dµi ®¹t ®Õn 3 kb. Mét c¸ch kh¸c ®Ó ®−a c¸c tr×nh tù ADN ë xa ®Õn gÇn nhau lµ nhê c¸c protein liªn kÕt vµo ®o¹n tr×nh tù ë gi÷a (h×nh 5.3c). Nh÷ng protein “kÕt cÊu” nh− vËy ®−îc t×m thÊy trong c¬ chÕ t¸i tæ hîp ®Æc hiÖu (xem ch−¬ng 6). ë cuèi ch−¬ng, chóng ta còng sÏ thÊy kiÓu ®iÒu khiÓn “tõ xa” ë eukaryote cßn phæ biÕn h¬n. 5.2.1.5. Qui t¾c dÞ h×nh vµ liªn kÕt ADN - protein trong ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen Trong nhiÒu tr−êng hîp, sù ho¹t hãa gen ®−îc thùc hiÖn b»ng sù t−¬ng t¸c ®¬n gi¶n gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö, vÝ dô nh− gi÷a ADN vµ ARN polymerase, tõ ®ã huy ®éng bé m¸y phiªn m· tËp trung tíi promoter. Trong nh÷ng tr−êng hîp kh¸c, gen ®−îc ®iÒu hßa bëi qui t¾c dÞ h×nh. NghÜa lµ, mét protein ho¹t hãa t−¬ng t¸c víi enzym ARN polymerase ®· liªn kÕt s½n víi ADN vµ lµm thay ®æi cÊu h×nh hoÆc cña enzym vµ/hoÆc cña promoter, qua ®ã sù khëi ®Çu phiªn m· cã thÓ diÔn ra. C¶ hai qui t¾c liªn kÕt ADN-protein vµ dÞ h×nh ®Òu cã nh÷ng vai trß kh¸c n÷a trong ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña gen vµ c¸ch t−¬ng t¸c gi÷a chóng cã thÓ phøc t¹p h¬n. VÝ dô nh− hai hay nhiÒu protein ®iÒu hßa cïng t−¬ng t¸c víi nhau vµ víi ADN; qua ®ã, chóng hç trî nhau cïng t¨ng c−êng liªn kÕt vµo vÞ trÝ gen ®−îc ®iÒu khiÓn. KiÓu t−¬ng t¸c nµy t¹o nªn t¸c dông “hiÖp lùc” vµ cã thÓ nhanh chãng chuyÓn mét gen tõ tr¹ng th¸i kh«ng biÓu hiÖn sang tr¹ng th¸i biÓu hiÖn tèi ®a. Sù “hiÖp lùc” cña c¸c protein ho¹t hãa cßn cã vai trß tÝch hîp tÝn hiÖu. §ã lµ khi c¸c gen chØ biÓu hiÖn khi ®ång thêi cã mÆt nhiÒu tÝn hiÖu kh¸c nhau. Mét vÝ dô vÒ kiÓu ®iÒu hßa nµy lµ sù biÓu hiÖn c¸c gen ë phag¬ λ (xem ch−¬ng 3). 140

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen 5.2.1.6. Khëi ®Çu phiªn m· kh«ng ph¶i lµ c¬ chÕ ®iÒu hßa duy nhÊt ë tÊt c¶ c¸c gen Nh− nªu ë trªn, sù ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña c¸c gen th«ng qua b−íc khëi ®Çu phiªn m· lµ mét c¬ chÕ ®iÒu hßa gen c¬ b¶n nhÊt, kh«ng chØ ë prokaryote mµ c¶ ë eukaryote. Nh−ng, mét sè vÝ dô ë phÇn sau cho thÊy: ë vi khuÈn ngoµi c¬ chÕ ®iÒu hßa ho¹t ®éng gen ë b−íc khëi ®Çu phiªn m· cßn cã c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen kh¸c n÷a, bao gåm c¸c b−íc kÐo dµi phiªn m·, hoµn thiÖn mARN, dÞch m· tæng hîp protein. 5.2.2. Sù ®iÒu hßa khëi ®Çu phiªn m· ë vi khuÈn Môc nµy tr×nh bµy c¸ch thøc ho¹t ®éng cña côm gen m· hãa c¸c enzym ph©n gi¶i ®−êng lactose (operon Lac) ë vi khuÈn E. coli. Qua ®ã, chóng ta sÏ thÊy c¸ch mµ c¸c protein ®iÒu hßa (ho¹t hãa vµ øc chÕ) cïng phèi hîp ®iÒu khiÓn sù biÓu hiÖn cña c¸c gen. 5.2.2.1. Operon Lac ®−îc ®iÒu khiÓn ®ång thêi bëi c¸c protein ho¹t hãa vµ øc chÕ Operon Lac lµ mét côm gen a) lacZ lacY lacA operator trong hÖ gen E. coli gåm 3 gen cÊu VÞ trÝ CAP promoter ARN polymerase tróc (lacZ, lacY vµ lacA) n»m liÒn kÒ nhau (h×nh 5.4a). Gäi lµ b) operon bëi sù phiªn m· cña c¸c gen nµy diÔn ra ®ång thêi do dïng b1) lacZ chung mét promoter. Promoter BiÓu hiÖn ë møc c¬ b¶n cña operon Lac (promoter lac), b2) LacI lacZ Kh«ng biÓu hiÖn n»m gÇn ®Çu 5’ cña LacZ, ®iÒu khiÓn sù phiªn m· tæng hîp mét b3) CAP ARN polymerase ph©n tö mARN duy nhÊt. Nh−ng, lacZ ph©n tö mARN nµy chøa th«ng tin m· hãa cña nhiÒu h¬n mét BiÓu hiÖn ë gen, nªn ®−îc gäi lµ mARN ®a møc cao(tèi ®a) cistron. Ph©n tö mARN nµy sau H×nh 5.4. Sù biÓu hiÖn cña operon Lac. a) CÊu tróc cña operon ®ã ®−îc dÞch m· cho ra ba lo¹i Lac, víi ba gen cÊu tróc (lacZ, Y vµ A). Tr×nh tù liªn kÕt CAP vµ promoter dµi kho¶ng 20bp. Operator n»m gèi lªn promoter, cßn vÞ trÝ protein kh¸c nhau. Gen lacZ m· CAP ngay phÝa tr−íc promoter. b) Sù cã mÆt hay v¾ng mÆt glucose hãa enzym β-galactosidase. vµ lactose ®iÒu khiÓn møc biÓu hiÖn cña c¸c gen cÊu tróc. Møc biÓu Enzym nµy xóc t¸c ph¶n øng thñy hiÖn cao (b3) cÇn cã lactose vµ kh«ng cã glucose; møc biÓu hiÖn c¬ ph©n lactose thµnh glucose vµ b¶n (b1) khi m«i tr−êng cã c¶ lactose vµ glucose; operon kh«ng ®−îc galactose, ®Ó cung cÊp n¨ng l−îng phiªn m· (b2) khi m«i tr−êng kh«ng cã lactose. cho tÕ bµo. Ngoµi ra, β- galactosidase cßn xóc t¸c ph¶n øng chuyÓn hãa mét phÇn lactose (liªn kÕt β-1,4-D-glycoside cña glucose vµ galactose) thµnh mét ®ång ph©n lµ allolactose (liªn kÕt β-1,6-D-glycoside cña glucose vµ galactose). Chóng ta sÏ thÊy ë phÇn sau, allolactose (chø kh«ng ph¶i lactose) chÝnh lµ ph©n tö kÝch øng sù biÓu hiÖn cña operon Lac. Gen lacY m· hãa protein vËn chuyÓn permease. Permease n»m xuyªn mµng tÕ bµo vi khuÈn vµ cã vai trß vËn chuyÓn chñ ®éng lactose tõ m«i tr−êng ngo¹i bµo 141

§inh §oµn Long vµo trong tÕ bµo. Gen lacA m· hãa enzym thiogalactoside transacetylase, cã vai trß gi¶i ®éc tÕ bµo ®èi víi c¸c hîp chÊt thiogalactoside còng ®−îc vËn chuyÓn vµo tÕ bµo khi permease ho¹t ®éng. Nh÷ng gen nµy chØ ®−îc biÓu hiÖn m¹nh khi trong m«i tr−êng cã lactose vµ kh«ng cã glucose. Cã hai protein ®iÒu hßa tham gia ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña operon Lac, ®ã lµ protein ho¹t hãa CAP vµ protein øc chÕ LacI. LacI ®−îc m· hãa bëi gen lacI n»m gÇn operon Lac vÒ phÝa ®Çu 5’, vµ lµ mét gen c¬ ®Þnh. CAP cßn cã tªn lµ CRP (cAMP receptor protein; hay protein thô thÓ cña cAMP). Gen m· hãa CAP n»m xa operon Lac. C¶ hai protein ®iÒu hßa CAP vµ LacI ®Òu lµ c¸c protein liªn kÕt ADN víi vÞ trÝ liªn kÕt t−¬ng øng n»m gÇn ®Çu 5’ (víi CAP) vµ 3’ (víi LacI; vÞ trÝ nµy ®−îc gäi lµ tr×nh tù ®iÒu hµnh, hay Operator) cña promoter lac (h×nh 5.4). Mçi protein ®iÒu hßa “tiÕp nhËn” mét tÝn hiÖu kh¸c nhau tõ m«i tr−êng vµ “truyÒn tin” tíi operon Lac. NÕu CAP truyÒn tÝn hiÖu vÒ viÖc m«i tr−êng kh«ng cã glucose, th× LacI th«ng b¸o trong m«i tr−êng cã lactose. HÖ thèng ®iÒu khiÓn operon Lac ho¹t ®éng nh− sau: LacI chØ liªn kÕt ®−îc vµo Operator vµ øc chÕ operon Lac khi m«i tr−êng kh«ng cã lactose. Khi cã mÆt lactose, LacI bÞ “bÊt ho¹t” vµ operon Lac ®−îc “gi¶i nÐn” vµ biÓu hiÖn. Ng−îc l¹i, protein CAP khi liªn kÕt vµo operon Lac l¹i cã vai trß thóc ®Èy operon ho¹t ®éng. Tuy vËy, CAP chØ liªn kÕt m¹nh khi m«i tr−êng kh«ng cã glucose. V× vËy, sù phèi hîp cña hai protein ®iÒu hßa CAP vµ LacI sÏ ®¶m b¶o cho operon chØ biÓu hiÖn m¹nh khi trong m«i tr−êng cã lactose, ®ång thêi kh«ng cã glucose (h×nh 5.4b). 5.2.2.2. CAP vµ LacI cã ¶nh h−ëng ®èi lËp ®Õn liªn kÕt promoter - ARN polymerase ë operon Lac, tr×nh tù ®iÒu hµnh O gåm 21 bp víi tr×nh tù ë hai ®Çu lÆp l¹i ®¶o chiÒu, ®èi xøng qua cÆp nucleotide sè 11 (h×nh 5.5b). CÊu tróc ®èi xøng cña operator ®−îc nhËn biÕt t−¬ng øng bëi hai tiÓu phÇn cña LacI. Do tr×nh tù liªn kÕt cña LacI t¹i operator phñ lªn promoter lac mét phÇn (h×nh 5.5a), nªn khi LacI liªn kÕt vµo operator, nã ng¨n c¶n sù liªn kÕt cña ARN polymerase vµo promoter. Cßn ®èi víi CAP, khi thiÕu v¾ng protein nµy, ARN polymerase chØ liªn kÕt ®−îc rÊt yÕu vµo promoter. Së dÜ nh− vËy, v× promoter lac thiÕu tr×nh tù UP, ®ång thêi tr×nh tù liªn øng “-35” cña nã kh«ng hoµn chØnh. Sù kh«ng hoµn chØnh cña c¸c tr×nh tù liªn øng lµ ®Æc ®iÓm ®iÓn h×nh cña nhiÒu promoter ®−îc ®iÒu hßa biÓu hiÖn bëi c¸c protein ho¹t hãa. a) CÊu tróc vïng ®iÒu khiÓn operon Lac Tr×nh tù liªn kÕt ARN polymerase liªn kÕt vµ bao phñ ®o¹n tr×nh tù CAP nµy mARN 5’ CAACGCAATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGGCACCCCAGGCTTTACA TTTATGCCTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAAACAGCT 3’ GTTGCGTTAATTACACTCAATCGAGTGAGTAATCCGTGGGGTCCGAAATGTAAATACGGAGGCCGAGCATACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTTTGTCGA -35 -10 +1 b) Tr×nh tù operator (O) cña operon Lac LacI liªn kÕt vµ bao phñ 5’ A A T T G T G A G C G G A T A A C A A T T ®o¹n tr×nh tù nµy (operator) 3’ T T A A C A C T C G C C T A T T G T T A A 2 tr×nh tù lÆp l¹i ®¶o chiÒu qua cÆp nucleotide H×nh 5.5. CÊu tróc vïng ®iÒu khiÓn cña operon Lac. a) Tr×nh tù nucleotide vµ cÊu tróc vïng ®iÒu khiÓn cho thÊy vÞ trÝ CAP ngay phÝa tr−íc promoter, cßn tr×nh tù liªn kÕt cña protein øc chÕ LacI n»m \"gèi\" lªn promoter. b) Operator (O) gåm hai ®o¹n tr×nh tù lÆp l¹i ®¶o chiÒu, ®èi xøng qua cÆp nucleotide sè 11. 142

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen Còng gièng nh− LacI, CAP lµ mét protein cã hai chuçi polypeptide liªn kÕt vµo mét tr×nh tù ADN cã kÝch th−íc t−¬ng ®−¬ng tr×nh tù ®iÒu hµnh O, nh−ng kh¸c vÒ tr×nh tù nucleotide. Khi CAP liªn kÕt vµo vÞ trÝ nµy, nã ®ång thêi thóc ®Èy vµ huy ®éng ARN pol ®Ýnh kÕt vµo promoter. Sù liªn kÕt phèi hîp nµy lµm t¨ng tÝnh æn ®Þnh cña liªn kÕt ®−îc h×nh thµnh gi÷a ARN pol vµ promoter. Sau ®©y, chóng ta xem chi tiÕt c¬ chÕ ®iÒu hßa bëi CAP. 5.2.2.3. CAP cã mét miÒn liªn kÕt ADN vµ mét miÒn ho¹t hãa CAP ho¹t hãa operon Lac b»ng viÖc huy ®éng enzym ARN polymerase ®Õn promoter. Mét sè ph©n tö CAP ®ét biÕn liªn kÕt ®−îc vµo promoter, nh−ng kh«ng ho¹t hãa ®−îc operon. Nh÷ng ®ét biÕn nµy cho thÊy, sù ho¹t hãa cña CAP kh«ng phô thuéc ®¬n thuÇn vµo viÖc liªn kÕt víi operon, mµ yÕu tè kh«ng kÐm quan träng lµ CAP ®ång thêi ph¶i cã mét miÒn ho¹t hãa (vÞ trÝ tiÕp xóc víi ARN polymerase) míi cã thÓ ho¹t hãa ®−îc operon. Vïng ho¹t hãa nµy t−¬ng t¸c víi miÒn ®Çu C cña tiÓu phÇn α thuéc ARN polymerase (αCTD). §Õn ®©y, chóng ta nhí l¹i r»ng, ARN polymerase ë E. coli gåm 6 tiÓu phÇn (polypeptide) víi 2 tiÓu phÇn α. Trong c¸c tiÓu phÇn α nµy cã mét ®o¹n tr×nh tù linh ho¹t ®Çu N, ®−îc gäi lµ ®o¹n nèi linh ho¹t αNTD. PhÇn chÝnh cña αNTD n»m s©u trong ph©n tö, nh−ng mét ®o¹n ®Çu N cña chuçi polypeptide nµy béc lé ra ngoµi, gäi lµ αCTD, vµ th−êng liªn kÕt víi yÕu tè UP cña c¸c promoter. ë operon αCTD α β β’ Lac, v× kh«ng cã yÕu tè UP, NTD nªn thay vµo viÖc liªn kÕt víi promoter, αCTD sÏ liªn kÕt vµo CAP lacZ miÒn ho¹t hãa cña CAP (h×nh 5.6). V× vËy, khi CAP liªn kÕt VÞ trÝ liªn -35 -10 kÕt CAP vµo promoter, nã sÏ huy ®éng ARN polymerase tËp trung t¹i H×nh 5.6. Protein CAP ho¹t hãa operon Lac. CAP ®−îc ARN vÞ trÝ nµy. Mét c©u hái ®Æt ra polymerase nhËn biÕt bëi ®Çu αCTD thuéc chuçi α cña enzym. αCTD lµ: B»ng c¸ch nµo c¸c protein ®ång thêi liªn kÕt víi ADN sau khi g¾n vµo CAP. B»ng c¸ch nµy, CAP ®iÒu hßa, nh− CAP vµ LacI, huy ®éng ®−îc ARN polymerase tíi promoter lac. nhËn ra ®−îc c¸c vÞ trÝ liªn kÕt ®Æc hiÖu cña chóng trªn ADN? 5.2.2.4. CAP vµ LacI liªn kÕt ADN qua c¸c mÉu h×nh (motif) c¬ b¶n C¸c nghiªn cøu cÊu tróc cña c¸c protein ®iÒu hßa ë vi khuÈn (bao gåm CAP vµ LacI) cho thÊy, xÐt vÒ chi tiÕt c¸c protein nµy kh¸c nhau vÒ c¸ch ho¹t ®éng. Nh−ng, c¸ch nhËn biÕt tr×nh tù ADN ®Æc hiÖu cña chóng th× t−¬ng ®èi gièng nhau. Trong tr−êng hîp ®iÓn h×nh, c¸c protein ®iÒu hßa th−êng gåm hai chuçi polypeptide gièng nhau. T−¬ng øng víi chóng, tr×nh tù liªn kÕt trªn ADN th−êng lµ c¸c tr×nh tù ng¾n, lÆp l¹i ®¶o chiÒu (h×nh 5.5b). Mçi chuçi polypeptide cña protein ®iÒu hßa liªn kÕt víi mét bªn cña ®o¹n tr×nh tù ADN nhËn biÕt. §Ó liªn kÕt vµo ADN, protein ®iÒu hßa th−êng dïng cÊu tróc bËc 2 phæ biÕn lµ “xo¾n – uèn – xo¾n” vµ cµi mét chuçi xo¾n α vµo khe chÝnh cña ph©n tö ADN sîi kÐp (h×nh 5.7a). Nh− nªu ë ch−¬ng 1, nhê cÊu h×nh t−¬ng ®ång nh− vËy, c¸c axit amin trªn bÒ mÆt ph©n tö protein cã thÓ t−¬ng t¸c ®−îc víi c¸c gèc thuéc c¸c baz¬ nit¬. Sù t−¬ng t¸c nµy cã thÓ th«ng qua c¸c liªn kÕt hydro (trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp qua c¸c ph©n tö n−íc), hoÆc bëi lùc Van der Waals. §Æc ®iÓm cña nh÷ng liªn kÕt nµy trong t−¬ng t¸c protein-ADN ®· ®−îc nªu ë ch−¬ng 1. H×nh 5.7b minh häa mét vÝ dô vÒ sù t−¬ng t¸c gi÷a mét protein víi tr×nh tù ADN ®Æc hiÖu qua khe chÝnh. 143

§inh §oµn Long Chuçi xo¾n thø VÞ trÝ t−¬ng t¸c protein - ADNa) b) hai trong cÊu tróc xo¾n-uèn-xo¾n th−êng R Gln33 n»m v¾t ngang khe chÝnh vµ tiÕp xóc víi Gln44 phÇn khung cña Ser45 ADN, võa ng¨n c¶n sù t¸c ®éng vµo vÞ trÝ R Asn55 nµy cña c¸c ph©n tö kh¸c, võa bæ sung A thªm lùc liªn kÕt gi÷a Lys4 protein ®iÒu hßa vµ G ADN. KiÓu liªn kÕt G cña protein ®iÒu hßa víi ADN trªn ®©y H×nh 5.7. T−¬ng t¸c gi÷a protein ®iÒu hßa vµ ADN. a) Mét kiÓu liªn kÕt ®iÓn kh«ng chØ ®óng ®èi h×nh, trong ®ã protein ®iÒu hßa cã motif xo¾n-uèn-xo¾n liªn kÕt vµo ADN b»ng viÖc víi CAP vµ LacI, mµ \"cµi\" chuçi xo¾n α (kÝ hiÖu R) vµo khe chÝnh cña ADN; protein nµy liªn kÕt ë d¹ng cßn gÆp ë nhiÒu phøc kÐp (dimer) víi 2 tr×nh tù ADN lÆp l¹i ®¶o chiÒu; b) Liªn kÕt hydro h×nh thµnh protein ®iÒu hßa kh¸c gi÷a protein øc chÕ cI (ë phag¬ λ) víi khe chÝnh cña ph©n tö ADN. C¸c axit amin ë vi khuÈn, nh− CI vµ trªn h×nh t¹o liªn kÕt hydro víi c¸c baz¬ nit¬ n»m trong khe chÝnh thuéc tr×nh tù nhËn biÕt cña promoter. Cro ë phag¬ λ (xem ch−¬ng 3). XÐt chi tiÕt vÒ ho¹t ®éng cña c¸c protein ®iÒu hßa, mét sè kh¸c biÖt ®−îc t×m thÊy nh− sau: - ë operon Lac, LacI thùc tÕ cã Operator bèn (chø kh«ng ph¶i hai) tiÓu phÇn, bëi ngoµi hai tiÓu phÇn liªn kÕt vµo tr×nh tù LacI O s¬ cÊp, hai tiÓu phÇn kh¸c cña nã th−êng liªn kÕt vµo mét trong hai tr×nh Promotor Operator Operator tù O thø cÊp (n»m c¸ch tr×nh tù O s¬ cÊp 90 bp vÒ ®Çu 5’, vµ 400 bp vÒ ®Çu 3’). Víi ®Æc ®iÓm nµy, khi LacI liªn kÕt H×nh 5.8. Protein øc chÕ LacI liªn kÕt vµo hai tr×nh tù vµo operator, ®o¹n ADN quanh operon operator cña operon Lac ë d¹ng hai ®«i phøc kÐp. Vßng Lac cã cÊu tróc “th¾t nót” (h×nh 5.8) vµ xo¾n ADN h×nh thµnh gi÷a hai vÞ trÝ liªn kÕt cña LacI vµo tr×nh tù operator s¬ cÊp vµ operator thø cÊp n»m ng−îc dßng lµm t¨ng hiÖu qu¶ ng¨n c¶n phiªn m·. promoter. Mçi h×nh trßn minh häa mét tiÓu phÇn (chuçi - Trong mét sè tr−êng hîp, c¸c polypeptide) cña LacI. vïng ngoµi cÊu tróc “xo¾n-uèn-xo¾n” cña protein còng liªn kÕt ®−îc víi ADN. Ch¼ng h¹n nh− protein øc chÕ cI ë phag¬ λ cã thÓ sö dông ®Çu N tËn cïng ®Ó liªn kÕt víi ADN. Nh÷ng ®o¹n polynucleotide nµy quÊn quanh ADN vµ t−¬ng t¸c víi khe phô ë mÆt sau chuçi xo¾n ADN (h×nh 5.7b). - Trong nhiÒu tr−êng hîp, sù liªn kÕt víi protein kh«ng lµm thay ®æi cÊu h×nh ADN. Nh−ng trong c¸c tr−êng hîp kh¸c, sù t−¬ng t¸c protein-ADN cã thÓ t¹o nªn nh÷ng cÊu tróc ADN biÕn d¹ng. Cô thÓ ë operon Lac, khi protein CAP liªn kÕt vµo ADN, nã “bÎ cong” chuçi xo¾n kÐp vµ lµm chuçi xo¾n quÊn quanh nã mét phÇn. §©y còng lµ mét vÝ dô vÒ sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c phÇn protein n»m ngoµi cÊu tróc “xo¾n-uèn-xo¾n” víi c¸c tr×nh 144

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen tù ADN n»m ngoµi promoter (võa nªu trªn). Ngoµi ra, ®«i khi protein ®iÒu hßa sau khi liªn kÕt cã thÓ vÆn xo¾n tr×nh tù ADN t¹i promoter theo chiÒu ngang trôc chuçi xo¾n. Ph¶i nãi thªm r»ng, kh«ng ph¶i mäi protein ®iÒu hßa ë prokaryote ®Òu liªn kÕt ADN bëi cÊu tróc “xo¾n-uèn-xo¾n”. Ch¼ng h¹n nh−, protein øc chÕ Arc ë phag¬ P22 (phag¬ nµy g©y nhiÔm ë Salmonella), còng dïng cÊu tróc protein kÐp (dimer) cña nã ®Ó liªn kÕt vµo operator cã cÊu tróc lÆp l¹i ®¶o chiÒu, nh−ng nã kh«ng dïng chuçi xo¾n α ®Ó cµi vµo phÇn khe chÝnh cña ADN, mµ thay vµo ®ã lµ sö dông cÊu tróc mÆt ph¼ng β. 5.2.2.5. CAP vµ LacI ®−îc c¸c ph©n tö tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn theo qui t¾c dÞ h×nh Khi lactose ®−îc permease vËn chuyÓn vµo trong tÕ bµo, nã ®−îc β-galactosidase chuyÓn hãa thµnh allolactose. ChÝnh allolactose ®iÒu hßa sù ho¹t ®éng cña LacI. Mét c©u hái ®Æt ra lµ: d−êng nh− lóc nµy operon Lac ch−a ®−îc ho¹t hãa, vËy β-galactosidase ë ®©u mµ cã? C©u tr¶ lêi lµ: sù ®iÒu hßa øc chÕ operon Lac cã “kÏ hë”. Ngay c¶ khi operon Lac ë tr¹ng th¸i bÞ øc chÕ, th× vÉn lu«n cã mét Ýt ph©n tö mARN cña c¸c gen cÊu tróc ®−îc phiªn m·. Së dÜ nh− vËy lµ do sù liªn kÕt cña ARN polymerase còng nh− cña c¸c protein ®iÒu hßa kh¸c vµo ADN lµ nh÷ng liªn kÕt yÕu, nghÜa lµ chóng ®−îc h×nh thµnh vµ ph¸ vì ë møc c©n b»ng (xem ch−¬ng 1). Do ®ã, lu«n cã mét Ýt ph©n tö ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt ®−îc vµo promoter vµ tiÕn hµnh phiªn m· c¸c gen cÊu tróc. “KÏ hë” nµy gióp tÕ bµo lu«n duy tr× ®−îc mét l−îng nhá β-galactosidase vµ permease, ngay c¶ khi m«i tr−êng kh«ng cã lactose. §iÒu nµy gi¶i thÝch t¹i sao ngay khi cã lactose, lactose cã thÓ ®−îc vËn chuyÓn ngay vµo tÕ bµo vµ chuyÓn hãa thµnh allolactose ®Ó kÝch øng ho¹t ®éng cña operon. Allolactose liªn kÕt vµo LacI vµ lµm thay ®æi cÊu h×nh cña protein øc chÕ nµy, dÉn ®Õn sù “láng lÎo” trong liªn kÕt gi÷a nã vµ operator, vµ lacI “rêi khái” promoter; c¸c ph©n tö LacI tù do kh¸c nÕu ®· liªn kÕt víi allolactose th× hÇu nh− kh«ng cã ¸i lùc víi ADN. Lóc nµy, c¸c gen cÊu tróc cña operon Lac ®−îc “gi¶i nÐn”. Ch−¬ng 1 ®· ®Ò cËp ®Õn sù thay ®æi dÞ h×nh cña LacI víi ®Æc ®iÓm miÒn liªn kÕt allolactose n»m ngoµi miÒn liªn kÕt ADN. Ho¹t ®éng cña CAP ®−îc ®iÒu hßa bëi mét c¬ chÕ t−¬ng tù, trong ®ã ph©n tö cAMP lµ ph©n tö kÝch øng dÞ h×nh cña CAP. NghÜa lµ, chØ khi cAMP liªn kÕt víi CAP, th× protein nµy míi cã cÊu h×nh phï hîp ®Ó liªn kÕt víi ADN. MÆt kh¸c, trong tÕ bµo E. coli, nång ®é cAMP cã t−¬ng quan nghÞch víi l−îng glucose cã trong m«i tr−êng. Nãi c¸ch kh¸c, khi nång ®é glucose cao th× nång ®é cAMP thÊp vµ ng−îc l¹i. Së dÜ nh− vËy lµ do c¸c ph©n tö glucose khi ®−îc vËn chuyÓn vµo trong tÕ bµo th−êng ®−îc phosphoryl hãa bëi hÖ thèng phosphoryl hãa phô thuéc vµo PEP (phosphoenolpyruvate). HÖ thèng nµy ®−îc gäi t¾t lµ PTS (PEP-dependent phosphotransferase system, h×nh 5.9). Khi m«i tr−êng cã glucose, protein xuyªn mµng EIIIg (®−îc phosphoryl hãa bëi PEP) sÏ chuyÓn nhãm phosphat cho glucose ®Ó h×nh thµnh glucose-6-phosphate (nhê vËy, glucose sau khi ®· vµo tÕ bµo kh«ng thÓ bÞ vËn chuyÓn ng−îc trë l¹i). Nh−ng khi m«i tr−êng kh«ng cã glucose, EIIIg sÏ ho¹t hãa enzym adenylate cyclase. §Õn l−ît m×nh, enzym nµy xóc t¸c chuyÓn hãa ATP thµnh cAMP vµ lµm t¨ng nång ®é chÊt nµy trong tÕ bµo. Nh− vËy, khi m«i tr−êng kh«ng cã glucose, nång ®é cAMP t¨ng cao, lµm t¨ng sù h×nh thµnh phøc hÖ CAP-cAMP. Lóc nµy, CAP liªn kÕt m¹nh víi operon Lac vµ ho¹t hãa sù biÓu hiÖn cña operon nµy. §iÒu ®¸ng chó ý lµ vÞ trÝ liªn kÕt víi cAMP cña CAP kh«ng n»m trong vïng liªn kÕt ADN cña protein nµy. 145

§inh §oµn Long Operon Lac lµ m« h×nh ®−îc hai nhµ sinh häc ng−êi Ph¸p lµ Francois Jacob vµ Jacques Monod ®−a ra n¨m 1961 ®Ó chøng minh cho c¬ chÕ ®iÒu hßa ho¹t ®éng gen. Víi c«ng tr×nh nµy, hai nhµ khoa häc ®· ®−îc trao gi¶i th−ëng Nobel y häc vµo n¨m 1965. H×nh 5.9. HÖ thèng phosphoryl hãa PTS. M«i tr−êng ngo¹i bµo cã glucose lµm gi¶m l−îng cAMP ®−îc t¹o ra trong tÕ bµo, vµ ng−îc l¹i. 5.2.2.6. CAP ®iÒu khiÓn ®ång thêi nhiÒu gen theo kiÓu ®iÒu hßa tæ hîp Operon Lac lµ mét vÝ dô vÒ c¬ chÕ ®iÒu hßa theo kiÓu tÝch hîp tÝn hiÖu. NghÜa lµ, sù biÓu hiÖn cña c¸c gen ®−îc ®iÒu hßa ®ång thêi bëi hai ph©n tö tÝn hiÖu lµ allolactose vµ cAMP qua hai protein ®iÒu hßa t−¬ng øng lµ LacI vµ CAP. ë E. coli, cã mét operon kh¸c, lµ operon Gal, m· hãa cho c¸c enzym chuyÓn hãa galactose. Operon nµy ho¹t ®éng khi trong m«i tr−êng cã galactose vµ kh«ng cã glucose. Gièng nh− operon Lac, operon Gal còng ®−îc ®iÒu hßa bëi hai tÝn hiÖu, th«ng qua mét protein ho¹t hãa vµ mét protein øc chÕ. Protein øc chÕ, do gen galR m· hãa, ®−îc ®iÒu khiÓn bëi chÊt kÝch øng galactose, vµ protein ho¹t hãa ë ®©y mét lÇn n÷a lµ CAP. §iÒu nµy cho thÊy CAP cã thÓ ®ång thêi ®iÒu khiÓn nhiÒu gen kh¸c nhau. KiÓu ®iÒu hßa nh− vËy ®−îc gäi lµ ®iÒu hßa tæ hîp. Trong thùc tÕ, ë E. coli, CAP tham gia ®iÒu hßa ®ång thêi sù biÓu hiÖn cña trªn 100 gen kh¸c nhau. Qua ph−¬ng thøc ®iÒu hßa tæ hîp, mét ph©n tö tÝn hiÖu cã thÓ ®ång thêi tham gia ®iÒu khiÓn nhiÒu gen kh¸c nhau. Nh−ng, sù ®iÒu hßa cña mçi gen vÉn cã tÝnh ®Æc tr−ng bëi sù xuÊt hiÖn c¸c ph©n tö tÝn hiÖu ®Æc thï cña nã (vÝ dô nh−, víi operon Lac lµ allolactose). Vµ, trong hÇu hÕt tr−êng hîp, c¸c ph©n tö tÝn hiÖu chØ t−¬ng t¸c víi mét protein ®iÒu hßa riªng cña nã. ë phÇn sau, chóng ta sÏ thÊy sù “tÝch hîp tÝn hiÖu” vµ “®iÒu hßa tæ hîp” ë eukaryote cßn phæ biÕn vµ linh ho¹t h¬n. 5.2.2.7. C¸c yÕu tè σ thay thÕ vµ sù “lËp tr×nh” biÓu hiÖn theo thø tù cña c¸c gen ë ch−¬ng 3, chóng ta biÕt r»ng ARN polymerase nhËn biÕt ®−îc promoter lµ nhê yÕu tè σ (sigma). Promoter lac còng nh− phÇn lín c¸c promoter kh¸c ë E. coli ®−îc nhËn biÕt bëi ARN polymerase mang yÕu tè σ70. Nh−ng, ngoµi σ70, E. coli cßn cã mét sè yÕu tè σ kh¸c (gäi lµ c¸c yÕu tè σ thay thÕ). Chóng ho¹t ®éng ë c¸c nhãm promoter ®Æc thï riªng, v× vËy chØ khi cã mÆt chóng, ARN polymerase míi ®−îc huy ®éng ®Õn nh÷ng promoter nµy. Mét trong nh÷ng yÕu tè σ nh− vËy lµ yÕu tè σ sèc nhiÖt (σ32). Khi tÕ bµo E. coli gÆp ®iÒu kiÖn sèc nhiÖt, th× σ32 ®−îc tæng hîp m¹nh trong tÕ bµo; yÕu tè nµy thay thÕ σ70 trong thµnh phÇn ARN polymerase. C¸c ARN polymerase mang yÕu tè σ32 ®−îc huy ®éng ®Õn promoter thuéc c¸c gen vµ s¶n phÈm cña chóng cã vai trß b¶o vÖ tÕ bµo khái t¸c ®éng cña c¸c yÕu tè sèc nhiÖt. L−îng σ32 trong tÕ bµo t¨ng lªn nhê hai c¬ chÕ. Mét lµ, sù t¨ng 146

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen c−êng dÞch m·, nghÜa lµ khi cã hiÖn t−îng sèc nhiÖt, ph©n tö mARN m· hãa σ32 ®−îc dÞch m· víi hiÖu suÊt cao h¬n tr−íc. Hai lµ, ®é bÒn cña s¶n phÈm protein t¨ng lªn. Mét vÝ dô kh¸c vÒ yÕu tè σ thay thÕ lµ σ54. YÕu tè σ54 nµy liªn quan ®Õn ho¹t ®éng cña ARN polymerase tiÕn hµnh phiªn m· c¸c gen tham gia xóc t¸c sù chuyÓn hãa nit¬. C¸c yÕu tè σ thay thÕ còng cã thÓ ®−îc sö dông trong viÖc “lËp tr×nh” biÓu hiÖn cña nhiÒu gen theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh. Ch¼ng h¹n nh−, hiÖn t−îng nµy xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh ph¸t sinh bµo tö ë vi khuÈn Bacillus subtilis hay trong qu¸ tr×nh g©y nhiÔm cña phag¬ ë vi khuÈn nµy. Phag¬ SPO1 g©y nhiÔm vµ g©y tan vi khuÈn B. subtilis. Sù g©y tan nµy ®ßi hái phag¬ ph¶i biÓu hiÖn c¸c gen cña nã theo mét trËt tù rÊt nghiªm ngÆt. TrËt tù nµy ®−îc “lËp tr×nh” b»ng viÖc sö dông mét sªri (chuçi) c¸c yÕu tè σ thay thÕ. Ban ®Çu, khi míi g©y nhiÔm, ARN polymerase cña vi khuÈn (mang yÕu tè σ70) sÏ chØ nhËn ra c¸c promoter “sím” cña phag¬ vµ tiÕn hµnh phiªn m· c¸c gen m· hãa c¸c protein cÇn thiÕt cho giai ®o¹n “sím” cña sù g©y nhiÔm. Trong sè nh÷ng gen ®−îc biÓu hiÖn sím, cã mét gen m· hãa cho mét yÕu tè σ thay thÕ (gäi lµ gen 28). YÕu tè σ nµy cã thÓ ®Èy yÕu tè σ70 cña vi khuÈn khái ARN polymerase vµ huy ®éng enzym nµy tíi mét nhãm promoter thø hai cña phag¬. Nh÷ng promoter nµy thuéc nh÷ng gen ®−îc biÓu hiÖn ë giai ®o¹n “gi÷a”. Mét trong nh÷ng gen biÓu hiÖn ë giai ®o¹n “gi÷a” l¹i m· hãa cho mét yÕu tè σ kh¸c lµm nhiÖm vô huy ®éng ARN polymerase tíi c¸c promoter cña c¸c gen ®−îc biÓu hiÖn “muén”. Cø nh− vËy, c¸c nhãm gen ®−îc biÓu hiÖn theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh. 5.2.2.8. NtrC vµ MerR lµ c¸c protein ho¹t hãa phiªn m· theo qui t¾c dÞ h×nh ë trªn, chóng ta thÊy phÇn lín protein ho¹t hãa phiªn m· ë prokaryote ho¹t ®éng theo kiÓu huy ®éng ARN polymerase ®Õn promoter. Tuy vËy, còng cã c¸c tr−êng hîp ngo¹i lÖ. Hai vÝ dô sau ®©y cho thÊy protein ho¹t hãa kh«ng ho¹t ®éng theo c¬ chÕ huy ®éng ARN polymerase, mµ thay vµo ®ã chóng sö dông qui t¾c dÞ h×nh. §ã lµ c¸c yÕu tè ho¹t hãa NtrC vµ MerR. Tr−íc tiªn, chóng ta cÇn ph©n biÖt sù kh¸c nhau gi÷a hai c¬ chÕ “huy ®éng ARN polymerase” vµ “qui t¾c dÞ h×nh”. Trong c¬ chÕ thø nhÊt, c¸c protein ho¹t hãa “thu hót” ARN polymerase tíi promoter; cßn ë c¬ chÕ thø hai, ARN polymerase th−êng liªn kÕt s½n víi promoter nh−ng kh«ng ho¹t ®éng. Enzym nµy chØ trë nªn ho¹t ®éng sau khi ®Ýnh kÕt víi protein ho¹t hãa vµ thay ®æi cÊu h×nh cña nã theo qui t¾c dÞ h×nh. NtrC ®iÒu khiÓn sù phiªn m· c¸c gen chuyÓn hãa nit¬, bao gåm glnA. T¹i gen glnA, ARN polymerase liªn kÕt s½n vµo promoter nh−ng chØ ë d¹ng phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· “®ãng”. Protein ho¹t hãa NtrC sau khi liªn kÕt vµo enzym lµm thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian cña enzym vµ chuyÓn phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· “®ãng” sang tr¹ng th¸i “më”. Sù ho¹t hãa ë ®©y dùa trªn sù thay ®æi dÞ h×nh cña enzym ARN polymerase. MerR lµ protein ho¹t hãa gen merT. Gen nµy m· hãa enzym gióp tÕ bµo gi¶i ®éc thñy ng©n. Còng gièng nh− NtrC, MerR kÝch øng sù thay ®æi cÊu h×nh cña phøc hÖ promoter - ARN polymerase vµ chuyÓn chóng tõ tr¹ng th¸i “®ãng” sang “më”. Nh−ng kh¸c víi NtrC, MerR lµm thay ®æi cÊu h×nh cña ADN (chø kh«ng ph¶i cña ARN polymerase). 5.2.2.9. NtrC cã ho¹t tÝnh ATPase vµ ho¹t ®éng tõ xa Gièng nh− CAP, NtrC cã mét miÒn liªn kÕt ADN t¸ch biÖt víi miÒn trung t©m ho¹t ®éng, vµ còng chØ liªn kÕt ®−îc víi ADN khi cã ph©n tö tÝn hiÖu ®Æc thï. Trong tr−êng hîp cña NtrC, tÝn hiÖu nµy chÝnh lµ nång ®é nit¬ (N) thÊp. Khi nång ®é N thÊp, mét enzym kinase lµ NtrB sÏ phosphoryl hãa NtrC vµ thay ®æi cÊu h×nh cña nã. Lóc nµy, NtrC míi cã thÓ ®Ýnh kÕt vµo ADN t¹i bèn vÞ trÝ c¸ch promoter cña gen kho¶ng 150 bp vÒ 147

§inh §oµn Long phÝa ®Çu 5’. T¹i mçi vÞ trÝ, NtrC liªn kÕt bëi mét cÊu tróc dimer, vµ th«ng qua t−¬ng t¸c protein-protein gi÷a c¸c dimer, bèn ph©n tö NtrC liªn kÕt víi nhau theo kiÓu hîp lùc. D¹ng ARN polymerase phiªn m· gen glnA chøa tiÓu phÇn σ54. Khi kh«ng cã NtrC, enzym nµy liªn kÕt bÒn v÷ng víi glnA, nh−ng ë d¹ng phøc hÖ “®ãng”. Khi ë tr¹ng th¸i ho¹t ®éng, NtrC (c¸ch promoter 150 bp) t−¬ng t¸c víi yÕu tè σ54 cña ARN polymerase. §Ó cã ®−îc sù t−¬ng t¸c nµy, mét “vßng th¾t” ADN (cã kÝch th−íc kho¶ng 150 kb) ®−îc h×nh thµnh (h×nh 5.10). Thùc nghiÖm cho thÊy, NtrC cã thÓ ho¹t hãa ®−îc gen glnA ngay NtrC c¶ khi vÞ trÝ liªn kÕt ADN cña ARN polymerase nã c¸ch promoter ®Õn 1 - 2 kb. B¶n th©n NtrC cã ho¹t glnA tÝnh cña enzym ATPase. Ho¹t tÝnh nµy cung cÊp n¨ng l−îng Gen ë tr¹ng th¸i “ho¹t hãa” Promoter cÇn thiÕt ®Ó nã cã thÓ lµm thay H×nh 5.10. Sù ho¹t hãa gen bëi NtrC. Promoter cña gen glnA ®−îc ®æi cÊu h×nh cña ARN ARN polymerase mang yÕu tè σ54 nhËn biÕt. MÆc dï kh«ng ®−îc minh polymerase. Sù thay ®æi cÊu h×nh nµy gióp enzym cã thÓ häa trªn h×nh, NtrC thùc tÕ t−¬ng t¸c víi tiÓu phÇn σ54 cña enzym. ë khëi ®Çu phiªn m·, bëi qua ®ã ®©y, NtrC ®−îc minh häa nh− mét protein d¹ng phøc kÐp (dimer), nh−ng nã chuyÓn phøc hÖ khëi ®Çu thùc tÕ d¹ng phøc cña nã phøc t¹p h¬n. phiªn m· tõ tr¹ng th¸i “®ãng” (kh«ng ho¹t ®éng), sang “më” (ho¹t ®éng). 5.2.2.10. MerR ho¹t hãa phiªn m· b»ng viÖc “vÆn xo¾n” ®o¹n promoter Khi m«i tr−êng cã thñy ng©n (Hg2+), MerR ho¹t hãa gen merT. H×nh 5.11 cho thÊy protein nµy liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ “-10” vµ “-35” cña promoter merT (ARN polymerase phiªn m· gen nµy mang σ70). MerR liªn kÕt vµo promoter qua mÆt ®èi diÖn víi mÆt liªn kÕt cña ARN polymerase. Nhê vËy, c¶ ARN polymerase vµ MerR cã thÓ cïng liªn kÕt ®−îc víi promoter. Promoter merT cã ®Æc ®iÓm lµ: ®o¹n tr×nh tù gi÷a hai vÞ trÝ “-10” vµ “-35” cã 19 bp (hÇu hÕt c¸c promoter kh¸c ho¹t ®éng víi σ70-ARN polymerase cã chiÒu dµi 15 – 17 bp). Do vËy, yÕu tè σ70 kh«ng ®ång thêi trùc diÖn ®−îc víi hai vÞ trÝ “-10” vµ “-35”, dÉn ®Õn ARN polymerase th−êng chØ liªn kÕt “láng lÎo” víi promoter nµy. Ngoµi ra, khi kh«ng cã Hg2+, MerR liªn kÕt vµo promoter, t¹o nªn cÊu h×nh kh«ng thuËn lîi cho sù liªn kÕt vµo promoter cña ARN polymerase, a) MerT vµ sù phiªn m· kh«ng diÔn ra. Khi Hg2+ liªn kÕt vµo -35 MerR -10 MerT MerR, protein nµy thay ®æi Hg2+ cÊu h×nh, råi lµm vÆn xo¾n ph©n tö ADN t¹i promoter b) (h×nh 5.11b). Sù “biÕn d¹ng” -35 MerR -10 cÊu tróc ADN nh− vËy lµm kho¶ng c¸ch gi÷a hai vÞ trÝ “- H×nh 5.11. Sù ho¹t hãa gen bëi MerR. a) Các trình tự \"-35\" và \"-10\" không trực diện với nhau trên trục của promoter. (a) Khi không có 35” vµ “-10” cña promoter Hg2+, MerR liên kết vào promoter ở dạng không hoạt động. b) Khi có Hg2+, MerR vặn xoắn trục khung ADN làm các trình tự liên ứng trở nên merT gÇn l¹i, vµ cã kÝch th−íc trực diện, đồng thời khoảng cách giữa chúng ngắn lại, phù hợp cho sự liên kết của ARN polymerase. gièng víi c¸c promoter σ70 m¹nh kh¸c. Lóc nµy, ARN polymerase cã thÓ khëi ®Çu phiªn m· hiÖu qu¶. 148

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen §iÒu ®¸ng chó ý ë ®©y lµ ®Ó ho¹t hãa phiªn m·, protein MerR kh«ng t−¬ng t¸c víi ARN polymerase; thay vµo ®ã, nã lµm thay ®æi cÊu h×nh cña ADN ®Ó ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt vµo. Mét ®iÓm n÷a lµ, ë MerR kh«ng cã hai miÒn liªn kÕt ADN víi miÒn ho¹t hãa riªng biÖt. Thay vµo ®ã MerR liªn kÕt trùc tiÕp vµo ADN vµ ho¹t hãa phiªn m·. 5.2.2.11. Mét sè chÊt øc chÕ phiªn m· theo kiÓu \"gi÷\" ARN polymerase t¹i promoter LacI øc chÕ sù biÓu hiÖn cña operon Lac theo mét c¬ chÕ rÊt ®¬n gi¶n lµ nã liªn kÕt vµo mét tr×nh tù n»m gèi lªn promoter, lµm ARN polymerase kh«ng liªn kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ nµy. NhiÒu chÊt øc chÕ phiªn m· còng ho¹t ®éng theo c¬ chÕ t−¬ng tù. Nh−ng, còng cã mét sè chÊt øc chÕ phiªn m· cã c¬ chÕ ho¹t ®éng kh¸c. Ch¼ng h¹n nh− mét sè protein øc chÕ cã vÞ trÝ liªn kÕt hoµn toµn ë ngoµi promoter. V× vËy, thùc tÕ chóng kh«ng trùc tiÕp ng¨n c¶n ARN polymerase liªn kÕt vµo promoter. Nh−ng, thay vµo ®ã, chóng liªn kÕt víi ARN polymerase, lµm ®o¹n ADN ë gi÷a vÞ trÝ liªn kÕt cña protein øc chÕ vµ promoter h×nh thµnh cÊu tróc “vßng th¾t”. Víi cÊu tróc nµy gen kh«ng ®−îc biÓu hiÖn, mÆc dï ARN polymerase ®−îc gi÷ t¹i promoter. VÝ dô vÒ kiÓu ®iÒu hßa nµy lµ protein øc chÕ biÓu hiÖn cña gen Gal ®· ®−îc nªu ë môc 5.2.2.6 trªn ®©y. 5.2.2.12. AraC vµ sù ®iÒu hßa operon araBAD b»ng c¬ chÕ chèng ho¹t hãa Operon araBAD ë E. coli (gåm c¸c gen tham gia chuyÓn hãa ®−êng arabinose) ®−îc ho¹t hãa khi m«i tr−êng cã arabinose vµ kh«ng cã glucose. Lóc nµy, operon cã hai protein ®iÒu hßa cïng ho¹t ®éng lµ AraC vµ CAP. Khi m«i tr−êng cã arabinose, AraC liªn kÕt víi ®−êng nµy vµ cã cÊu h×nh phï hîp ®Ó liªn kÕt víi ADN t¹i hai vÞ trÝ araI1 vµ araI2 (h×nh 5.12). N»m phÝa tr−íc c¸c vÞ trÝ nµy lµ vÞ trÝ liªn kÕt cña CAP (kh«ng vÏ trªn h×nh). Gièng nh− ë operon Lac, khi kh«ng cã glucose, phøc hÖ CAP-cAMP liªn kÕt vµo vÞ trÝ liªn kÕt CAP vµ thóc ®Èy sù phiªn m· cña ARN polymerase. Khi m«i tr−êng kh«ng cã arabinose, operon araBAD kh«ng biÓu hiÖn, bëi lóc nµy AraC cã mét d¹ng cÊu h×nh kh¸c vµ nã liªn kÕt víi ADN theo mét kiÓu kh¸c. Cô thÓ lµ, mét tiÓu phÇn AraC liªn kÕt vµo vÞ trÝ araI1, nh−ng tiÓu phÇn thø hai liªn kÕt vµo mét vÞ trÝ kh¸c c¸ch vÞ trÝ ®Çu tiªn 194 bp, gäi lµ araO2. Lóc nµy, mét “vßng th¾t” ADN ®−îc h×nh thµnh gi÷a araI1 vµ araO2. §ång thêi, do thiÕu AraC liªn kÕt ë vÞ trÝ araI2, nªn a) Khi m«i tr−êng cã arabinose araC ARN polymerase Gen ®−îc biÓu hiÖn araO2 I1 I2 araPBAD b) Khi m«i tr−êng kh«ng cã arabinose araI araO2 araC Gen kh«ng biÓu hiÖn I1 I2 H×nh 5.12. Sù ®iÒu khiÓn operon araBAD. a) Arabinose liªn kÕt vµo araC, lµm thay ®æi cÊu h×nh protein ho¹t hãa nµy vµ nã liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ araI1 vµ araI2. Nhê mét tiÓu phÇn cña araC gÇn ARN polymerase nªn gen ®−îc ho¹t hãa phiªn m·. b) Khi kh«ng cã arabinose, phøc hÖ kÐp araC cã cÊu h×nh kiÓu kh¸c vµ nã liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ araO2 vµ araI1. Lóc nµy, protein araC kh«ng ho¹t hãa ®−îc promoter araPBAD. Promoter nµy còng ®−îc ho¹t hãa bëi CAP (nh−ng kh«ng ®−îc minh häa ë ®©y). 149

§inh §oµn Long promoter kh«ng cã cÊu h×nh phï hîp cho sù khëi ®Çu phiªn m·. KÕt qu¶ lµ gen kh«ng biÓu hiÖn. HiÖu qu¶ kÝch øng biÓu hiÖn gen cña arabinose qua promoter araBAD lµ rÊt m¹nh. V× vËy, promoter nµy ®−îc dïng lµm thµnh phÇn cña nhiÒu vect¬ biÓu hiÖn trong kÜ thuËt di truyÒn. C¸c vect¬ biÓu hiÖn lµ cÊu tróc ADN ®¶m b¶o cho sù tæng hîp hiÖu qu¶ mét protein nµo ®ã, khi gen cña nã ®−îc “cµi” vµo vect¬ bªn c¹nh mét “promoter” m¹nh. Khi sö dông vect¬ biÓu hiÖn chøa promoter araBAD, gen sÏ kh«ng ®−îc biÓu hiÖn cho ®Õn khi bæ sung arabinose vµo trong m«i tr−êng. HÖ thèng biÓu hiÖn nµy thËm chÝ cho phÐp biÓu hiÖn c¸c gen mµ s¶n phÈm cña chóng g©y ®éc víi tÕ bµo vi khuÈn. 5.2.3. Sù ®iÒu hßa gen sau khëi ®Çu phiªn m· ë vi khuÈn 5.2.3.1. C¸c operon sinh tæng hîp axit amin ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¬ chÕ phiªn m· kh«ng hoµn chØnh (phiªn m· dë) ë vi khuÈn E. coli, operon Trp gåm 5 gen n»m kÕ tiÕp nhau m· hãa cho c¸c enzym tham gia tæng hîp axit amin tryptophan (Trp). C¸c gen nµy chØ ®−îc biÓu hiÖn m¹nh khi l−îng Trp trong tÕ bµo lµ thÊp (h×nh 5.13). Operon Trp ®−îc ®iÒu khiÓn bëi protein øc chÕ trpR theo kiÓu gièng víi LacI ë operon Lac. Tuy vËy, ë operon Trp, ph©n tö c¶m øng (tryptophan) kh«ng ho¹t ®éng nh− mét chÊt kÝch øng, mµ lµ chÊt ®ång øc chÕ. NghÜa lµ, khi m«i tr−êng d− thõa tryptophan, chÊt nµy sÏ liªn kÕt víi trpR vµ lµm thay ®æi cÊu h×nh protein nµy, gióp nã liªn kÕt ®−îc víi tr×nh tù ®iÒu hµnh (operator) vµ ng¨n c¶n sù phiªn m·. Khi nång ®é Trp thÊp, chÊt øc chÕ trpR ®−îc gi¶i phãng vµ kh«ng liªn kÕt ®−îc víi operator. Nhê vËy, sù phiªn m· gen cã thÓ diÔn ra. Nh−ng, mét ®iÒu thó vÞ ë operon Trp lµ ngay c¶ khi ARN polymerase ®· khëi ®Çu phiªn m·, th× kh«ng cã nghÜa lµ b¶n phiªn m· (mARN) ®Çy ®ñ sÏ ch¾c ch¾n ®−îc t¹o ra. Trong thùc tÕ, phÇn lín c¸c b¶n phiªn m· ®−îc kÕt thóc sím, tr−íc khi tiÕp cËn ®−îc gen ®Çu tiªn (trpE), trõ khi cã “mét hÖ thèng ®iÒu hßa thø hai” cho biÕt tÕ bµo chØ cßn Ýt Trp. “HÖ thèng ®iÒu hßa thø hai” nµy ®−îc gäi lµ sù phiªn m· kh«ng hoµn chØnh (cßn ®−îc gäi lµ sù kÕt thóc phiªn m· sím, hay c¬ chÕ phanh h·m). Khi nång ®é Trp cao, enzym ARN polymerase (®· khëi ®Çu phiªn m·) sÏ dõng l¹i ë mét vÞ trÝ ®Æc biÖt, råi kÕt thóc phiªn m· tr−íc khi tiÕp cËn ®−îc gen trpE. Nh−ng khi nång ®é Trp thÊp, ARN polymerase sÏ kh«ng dõng l¹i mµ tiÕp tôc “®äc” ®Ó phiªn m· c¸c gen cÊu tróc cña operon. C¬ chÕ ®iÒu hßa nµy x¶y ra ®−îc lµ nhê ë vi khuÈn, sù phiªn m· vµ dÞch m· th−êng x¶y ra ®ång thêi, vµ ARN cã thÓ cã mét sè cÊu tróc ®Æc biÖt do sù t−¬ng t¸c néi ph©n tö gi÷a c¸c nucleotide. §iÓm mÊu chèt ®Ó hiÓu ®−îc c¬ chÕ ®iÒu hßa qua kÕt thóc phiªn m· sím lµ cÊu tróc phÇn gÇn ®Çu 5’ cña ph©n tö mARN ®−îc phiªn m· tõ operon Trp. Ph©n tö mARN nµy cã mét tr×nh tù dÉn ®Çu (ë ®Çu 5’ vµ kh«ng ph¶i tr×nh tù m· hãa) gåm 161 m· bé ba (codon), n»m gi÷a promoter vµ gen trpE. §o¹n tr×nh tù nµy chøa 4 vïng: vïng I gåm c¸c nucleotide tõ 50 ®Õn 68, vïng II gåm c¸c nucleotide tõ 75 ®Õn 92, vïng III gåm c¸c nucleotide tõ 108 ®Õn 121 vµ vïng IV lµ c¸c nucleotide tõ 125 ®Õn 132. Sau vïng IV lµ mét ®o¹n tr×nh tù gåm 8 nucleotide Uracil liªn tiÕp (gäi lµ tr×nh tù polyU), kÕt thóc ë nucleotide sè 140 (h×nh 5.13b). Bèn vïng cÊu tróc nµy cã mét tÝnh chÊt ®Æc biÖt lµ: vïng I vµ vïng II cã thÓ t¹o liªn kÕt bæ sung (liªn kÕt Chargaff) víi nhau; liªn kÕt bæ sung nµy còng cã thÓ x¶y ra gi÷a vïng II vµ III, còng nh− gi÷a vïng III vµ IV. Víi tÝnh chÊt nh− vËy, ®o¹n dÉn ®Çu cña ph©n tö mARN cã ®Æc ®iÓm lµ: khi vïng I liªn kÕt víi vïng II, th× vïng III liªn kÕt víi vïng IV. Lóc nµy, ®o¹n tr×nh tù dÉn ®Çu trªn ph©n tö mARN cã d¹ng cÊu tróc cÆp tãc kÐp (h×nh 5.13b vµ d). Nh−ng nÕu vïng I kh«ng liªn kÕt ®−îc víi vïng II, th× vïng II liªn kÕt víi vïng III, vµ lóc nµy c¶ vïng I vµ IV ë tr¹ng th¸i tù 150

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen do, kh«ng liªn kÕt. Trong tr−êng hîp nµy, ®o¹n tr×nh tù dÉn ®Çu cã d¹ng cÊu tróc cÆp tãc ®¬n (h×nh 5.13b vµ c). a) CÊu tróc operon Trp §o¹n dÉn ®Çu trpE trpD trpC trpB trpA Operator D¹ng cÆp tãc kÐp h×nh thµnh khi Promoter vïng I liªn kÕt víi vïng II, b) Tr×nh tù bèn vïng ®iÒu khiÓn thuéc ®o¹n dÉn ®Çu trªn mARN vµ vïng III liªn kÕt víi D¹ng cÆp tãc ®¬n h×nh vïng IV thµnh khi vïng II vµ III liªn kÕt víi nhau 2 bé ba I  II m· hãa  III Trp  IV Bé ba m· kÕt thóc c) §o¹n dÉn ®Çu khi m«i tr−êng thiÕu tryptophan – Operon Trp ®−îc biÓu hiÖn ARN polymerase tiÕp tôc phiªn m· Ribosome Ribosome dõng ë ®©y dõng ë ®©y d) §o¹n dÉn ®Çu khi m«i tr−êng d− thõa tryptophan – Operon Trp kh«ng biÓu hiÖn Ribosome t¹i CÊu tróc cÆp tãc bé ba m· kÐp hoµn chØnh, kÕt thóc ARN polymerase kÕt thóc phiªn m· t¹i ®©y Ribosome rêi khái CÆp tãc kÐp b¾t ph©n tö mARN ®Çu h×nh thµnh H×nh 5.13. §iÒu hßa phiªn m ë operon Trp. a) CÊu tróc operon Trp, víi operator (vÞ trÝ liªn kÕt cña protein øc chÕ trpR) n»m trong promoter. b) Bèn vïng (I, II, III vµ IV) thuéc ®o¹n dÉn ®Çu cã thÓ h×nh thµnh hoÆc cÊu tróc cÆp tãc ®¬n (tr¸i) hoÆc cÆp tãc kÐp (ph¶i). c) Khi m«i tr−êng thiÕu trytophan, cÊu tróc cÆp tãc ®¬n h×nh thµnh, sù phiªn m· diÔn ra hoµn chØnh vµ c¸c gen cÊu tróc (trpE, trpD, trpC, trpB vµ trpA) ®−îc biÓu hiÖn. d) Khi m«i tr−êng d− thõa tryptophan, cÊu tróc cÆp tãc kÐp h×nh thµnh, sù phiªn m· kÕt thóc sím vµ c¸c gen cÊu tróc kh«ng ®−îc biÓu hiÖn (theo Peter Paolella, 1998). 151

§inh §oµn Long Mét ®iÓm l−u ý n÷a trªn mARN cña operon Trp lµ gi÷a vïng I vµ II cã mét m· bé ba kÕt thóc (UGA) n»m ë c¸c nucleotide 69 - 71. PhÝa tr−íc nã, cã hai bé ba m· hãa cho tryptophan (5’-UGGUGG-3’) n»m ë vÞ trÝ tõ nucleotide 54 ®Õn 59. ChÝnh c¸c m· bé ba nµy cã vai trß quyÕt ®Þnh cho sù kÕt thóc phiªn m· sím (®−îc m« t¶ d−íi ®©y). §Æc ®iÓm nµy cã ë tr×nh tù dÉn ®Çu cña c¸c operon m· hãa c¸c enzym tham gia tæng hîp nhiÒu lo¹i axit amin kh¸c, ch¼ng h¹n nh− operon Leu cã 4 bé ba m· hãa Leu liªn tiÕp, operon His cã 7 bé ba m· hãa His liªn tiÕp, operon Val cã 5 bé ba m· hãa Val liªn tiÕp, v.v... VËy, sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen bëi c¬ chÕ kÕt thóc phiªn m· sím diÔn ra thÕ nµo? Chóng ta h·y xem ë m« h×nh operon Trp nh− sau: - Khi nång ®é Trp trong m«i tr−êng thÊp, Trp (víi vai trß chÊt ®ång øc chÕ) gi¶i phãng khái phøc hÖ Trp-trpR lµm cho protein øc chÕ nµy kh«ng liªn kÕt ®−îc vµo operator. Nhê vËy, ARN polymerase cã thÓ liªn kÕt vµo promoter vµ khëi ®Çu phiªn m·. Sau khi ARN polymerase ®· phiªn m· ®−îc mét ®o¹n mARN dµi kho¶ng 90 nucleotide th× ribosome g¾n vµo gÇn ®Çu 5’ cña ph©n tö mARN ®ang ®−îc kÐo dµi vµ b¾t ®Çu dÞch m·, tæng hîp mét chuçi peptide dÉn ®Çu (kh«ng thuéc chuçi polypeptide cña c¸c gen cÊu tróc). Ribosome sÏ tiÕp tôc tr−ît däc ph©n tö mARN, ®Õn khi nã gÆp hai bé ba m· hãa Trp (5’-UGGUGG-3’) ë vïng I. C¸c bé ba nµy sÏ chØ ®−îc dÞch m· khi m«i tr−êng cã s½n Trp vµ c¸c ph©n tö tARNTrp cã thÓ l¾p ghÐp chóng vµo chuçi peptide ®ang kÐo dµi. Nh−ng v× lóc nµy m«i tr−êng thiÕu Trp, c¸c m· bé ba nµy kh«ng ®−îc dÞch m·. Do ®ã, ribosome sÏ dõng l¹i ë c¸c m· bé ba m· hãa Trp nµy. ViÖc ribosome dõng l¹i ë vïng I (®o¹n nucleotide 54 - 59) liªn quan ®Õn hai hiÖn t−îng: 1) ARN polymerase vÉn tiÕp tôc tiÕn vÒ phÝa tr−íc ®Ó kÐo dµi chuçi mARN ®ang ®−îc kÐo dµi; 2) ribosome dõng l¹i theo nguyªn t¾c vËt lý mµ kh«ng rêi khái chuçi mARN, v× ®©y kh«ng ph¶i lµ tÝn hiÖu kÕt thóc dÞch m·. Khi ribosome dõng l¹i ë c¸c nucleotide 54-59, vïng I sÏ kh«ng liªn kÕt ®−îc víi vïng II. Lóc nµy, vïng II sÏ liªn kÕt víi vïng III vµ “gi¶i phãng” vïng IV (cÊu tróc cÆp tãc ®¬n). ë ®o¹n dÉn ®Çu cña ph©n tö mARN ë d¹ng nµy, ARN polymerase tiÕp tôc kÐo dµi chuçi mARN vµ tiÕp cËn ®−îc gen trpE còng nh− c¸c gen kh¸c cña operon Trp. Nãi c¸ch kh¸c, operon Trp ®−îc ho¹t hãa. - Khi nång ®é Trp trong m«i tr−êng cao, mét mÆt Trp víi vai trß ®ång øc chÕ, sÏ liªn kÕt víi protein øc chÕ trpR. Lóc nµy, phøc hÖ Trp-trpR sÏ liªn kÕt vµo operator vµ ng¨n c¶n ARN polymerase liªn kÕt vµo promoter vµ tiÕn hµnh phiªn m·. Tuy vËy, do “kÏ hë” cña c¬ chÕ ®iÒu hßa th«ng qua liªn kÕt cña ARN polymerase víi promoter (®· nªu ë môc 5.2.2.5), mét tØ lÖ nhá ARN polymerase vÉn cã thÓ khëi ®Çu phiªn m·. Sau khi mét phÇn ph©n tö mARN ®−îc h×nh thµnh, sù dÞch m· chuçi peptide dÉn ®Çu ®−îc b¾t ®Çu nh− m« t¶ ë trªn. Ribosome sÏ tr−ît däc ph©n tö mARN ®Õn khi gÆp c¸c bé ba m· hãa Trp ë cuèi vïng I. Nh−ng kh¸c víi tr−êng hîp trªn, lóc nµy do cã s½n tryptophan, c¸c axit amin nµy ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptide ®ang kÐo dµi. KÕt qu¶ lµ, ribosome sÏ v−ît qua ®−îc vÞ trÝ c¸c nucleotide 54 - 59 vµ tiÕp cËn ®Õn bé ba m· kÕt thóc (UGA) t¹i c¸c nucleotide 69 - 71. T¹i ®©y, theo c¬ chÕ kÕt thóc dÞch m· th«ng th−êng (xem ch−¬ng 4), ribosome rêi khái mARN. Lóc nµy, vïng I sÏ liªn kÕt víi vïng II vµ vïng III liªn kÕt víi vïng IV, t¹o nªn cÊu tróc cÆp tãc kÐp. Cã mét ®iÓm ®¸ng chó ý lµ cÊu tróc cÆp tãc gi÷a vïng III vµ IV cã lùc liªn kÕt lín (v× cã nhiÒu liªn kÕt G ≡ C). Lùc liªn kÕt nµy ®ñ ®Ó cã thÓ ®Èy ph©n tö ARN polymerase ra khái mARN vµ m¹ch ADN lµm khu«n lóc nµy ®ang tiÕp cËn ®Õn tr×nh tù polyU (nhí r»ng liªn kÕt A = U lµ liªn kÕt yÕu nhÊt trong c¸c liªn kÕt nucleotide theo nguyªn t¾c bæ sung). ViÖc ARN polymerase t¸ch khái phøc hÖ phiªn m· sÏ lµm qu¸ tr×nh phiªn m· kÕt thóc sím vµ c¸c gen cÊu tróc (n»m sau ®o¹n tr×nh tù dÉn ®Çu) kh«ng ®−îc phiªn m·. Sù k×m h·m phiªn m· nh− vËy diÔn ra cho ®Õn khi l−îng 152

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen tryptophan trong tÕ bµo gi¶m xuèng ®Õn møc tryptophan trong phøc hÖ øc chÕ Trp-trpR ®−îc ®em ra sö dông, ®ång thêi ribosome sÏ dõng l¹i t¹i c¸c bé ba m· hãa Trp trong qu¸ tr×nh tæng hîp ®o¹n peptide dÉn ®Çu nªu trªn. NghÜa lµ, lóc ®ã operon Trp ®−îc biÓu hiÖn trë l¹i. ViÖc kÕt hîp hai c¬ chÕ ®iÒu hßa phiªn m· kiÓu øc chÕ (bëi protein øc chÕ trpR) vµ phanh h·m (bëi c¬ chÕ kÕt thóc phiªn m· sím) nh− nªu trªn ®−îc vÝ nh− “chiÕt ¸p sinh häc” cã thÓ “tinh chØnh” l−îng tryptophan trong tÕ bµo. ¦íc tÝnh, c¬ chÕ ®iÒu hßa kiÓu øc chÕ lµm gi¶m møc ®é biÓu hiÖn gen kho¶ng 70 lÇn, cßn kiÓu k×m h·m lµm gi¶m møc biÓu hiÖn gen thªm 8 - 10 lÇn n÷a. NghÜa lµ khi ho¹t ®éng, operon Trp cã møc biÓu hiÖn m¹nh h¬n khi kh«ng ho¹t ®éng kho¶ng 600 lÇn. §èi víi mét sè operon tham gia tæng hîp c¸c axit amin kh¸c, cã mét ®iÓm ®¸ng nãi lµ cã mét sè operon kh«ng ®−îc ®iÒu hßa theo kiÓu øc chÕ (kh«ng cã protein øc chÕ), vÝ dô nh− c¸c operon His hay Leu. Thay vµo ®ã, nh÷ng operon nµy ®−îc ®iÒu hßa ®¬n thuÇn dùa trªn sù kÕt thóc phiªn m· sím. Nh− vËy, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c gen ®Òu cÇn protein ®iÒu hßa ®iÒu khiÓn sù biÓu hiÖn cña chóng. 5.2.3.2. C¸c protein ribosome tù øc chÕ sù biÓu hiÖn c¸c gen m· hãa chóng C¬ chÕ ®iÒu hßa dÞch m· th−êng ho¹t ®éng theo kiÓu gièng víi sù øc chÕ phiªn m·, nghÜa lµ mét protein øc chÕ sÏ liªn kÕt vµo vÞ trÝ khëi ®Çu dÞch m· vµ ng¨n c¶n sù dÞch m·. Trong mét sè tr−êng hîp, sù liªn kÕt liªn quan ®Õn viÖc nhËn ra cÊu tróc bËc 2 ®Æc thï cña mARN. ë ®©y, chóng ta sÏ xem sù ®iÒu hßa c¸c gen m· hãa cho protein ribosome. Sù biÓu hiÖn cña c¸c gen m· hãa protein ribosome cã ý nghÜa quan träng víi mäi tÕ bµo. Mçi ribosome chøa kho¶ng 50 lo¹i protein kh¸c nhau ®−îc tæng hîp cïng lóc. H¬n n÷a, tèc ®é biÓu hiÖn cña nh÷ng gen nµy cã liªn hÖ mËt thiÕt víi tèc ®é t¨ng tr−ëng cña tÕ bµo. Mét thay ®æi nhá trong m«i tr−êng cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn sù tæng hîp c¸c thµnh phÇn cña ribosome. VËy, c¸c gen nµy ®−îc ®iÒu khiÓn thÕ nµo? ë E. coli, c¸c gen m· hãa protein ribosome tËp hîp thµnh mét sè operon. Cã operon chøa tr×nh tù m· hãa ®Õn 11 lo¹i protein ribosome kh¸c nhau. Trong sè nµy, mét sè operon cßn chøa nh÷ng gen kh¸c cã liªn quan chÆt chÏ víi sù sinh tr−ëng cña tÕ bµo, vÝ dô nh− c¸c tiÓu phÇn α, β vµ β’ cña ARN polymerase; c¸c yÕu tè kÐo dµi chuçi dÞch m· EF-G, EF-Tu, v.v... (h×nh 5.14). Còng gièng c¸c operon kh¸c, c¸c operon nµy ®«i khi ®−îc ®iÒu hßa ë b−íc phiªn m·. Nh−ng kiÓu ®iÒu hßa c¬ b¶n nhÊt cña chóng l¹i lµ ë b−íc dÞch m·. ThÝ nghiÖm sau sÏ m« t¶ sù kh¸c biÖt gi÷a hai c¬ chÕ: L11 L1 β β’ Operon L11 Promoter L10 L7/12 Operon β S12 S7 EF-G EF-Tu Operon str S10 L3 L4 L23 L2 L22/S19 S3 L16 L29 Operon S10 L14 L24 L5 S14 S8 L6 L18 S5 L30 L15 Operon spc S13 S11 S4 α L17 Operon α H×nh 5.14. C¸c operon m hãa protein ribosome ë E. coli. C¸c protein ribosome ®−îc in ®Ëm (gen cña nã ®−îc kÝ hiÖu b»ng dÊu chÊm) lµ c¸c protein cã vai trß øc chÕ dÞch m· c¸c operon t−¬ng øng. S lµ c¸c protein cña tiÓu phÇn nhá ribosome, cßn L lµ cña tiÓu phÇn lín (Nguån: Nomura M et al, 1984). 153

§inh §oµn Long - Khi sè b¶n sao operon m· hãa protein ribosome ®−îc ®−a thªm vµo tÕ bµo, th× sè ph©n tö mARN h×nh thµnh t¨ng lªn t−¬ng øng, nh−ng sù tæng hîp protein th× kh«ng ®æi. ThÝ nghiÖm nµy cho thÊy tÕ bµo d−êng nh− ®· kh«ng dïng c¸c b¶n phiªn m· t¨ng thªm lµm khu«n ®Ó tæng hîp protein. Thùc tÕ, ®iÒu nµy x¶y ra lµ do chÝnh c¸c protein ribosome ®· øc chÕ sù dÞch m· tõ c¸c b¶n phiªn m· (mARN) t−¬ng øng cña chóng. - T¹i mçi operon, protein ribosome liªn kÕt vµo ph©n tö mARN t¹i tr×nh tù khëi ®Çu dÞch m· (th−êng phñ lªn m· më ®Çu AUG) cña mét trong nh÷ng gen ®Çu tiªn cña operon, qua ®ã ng¨n c¶n sù liªn kÕt cña ribosome vµo mARN vµ tiÕn hµnh dÞch m·. Sù øc chÕ dÞch m· ë mét trong H×nh 5.15. Protein ribosome S8 liªn kÕt víi rARN 16S. So s¸nh tr×nh tù t¹i vÞ trÝ liªn kÕt cña protein ribosome S8 nh÷ng gen ®Çu tiªn cña operon g©y nªn víi rARN 16S trong ribosome (h×nh tr¸i) vµ víi tr×nh tù khëi hiÖu øng øc chÕ tÊt c¶ c¸c gen n»m sau nã ®Çu dÞch m· trªn mARN cña nã (h×nh ph¶i). C¸c trong operon. C¬ chÕ øc chÕ nµy rÊt nh¹y. nucleotide ch÷ mµu tr¾ng cho thÊy sù gièng nhau gi÷a hai ChØ cÇn vµi ph©n tö L4 kh«ng ®−îc dïng, tr×nh tù nµy. §−êng ®øt nÐt biÓu diÔn vïng rARN 16S ®−îc nã sÏ lËp tøc lµm t¾t sù dÞch m· c¸c gen kÓ protein S8 bao phñ (theo Cerretti et al, 1988). tõ gen L4 trong operon S10 (h×nh 5.14). B»ng c¸ch nµy, c¸c protein ribosome lu«n ®−îc tæng hîp võa ®ñ theo yªu cÇu tæng hîp ribosome cña tÕ bµo. Mét c©u hái ®Æt ra lµ: b»ng c¸ch nµo mét protein võa cã thÓ ®ãng vai trß lµ thµnh phÇn cÊu t¹o ribosome, võa lµ chÊt øc chÕ dÞch m·? §Ó gi¶i thÝch ®iÒu nµy, chóng ta h·y so s¸nh hai tr×nh tù liªn kÕt víi protein ribosome trªn ph©n tö rARN (®Ó h×nh thµnh ribosome) vµ mARN (®Ó øc chÕ dÞch m·). H×nh 5.15 cho thÊy hai tr×nh tù nµy gièng nhau vÒ cÊu tróc bËc 2 vµ c¸c nucleotide t¹i vÞ trÝ liªn kÕt. Sù gièng nhau nµy cho phÐp protein S8 cã thÓ liªn kÕt vµo c¶ rARN vµ mARN. Tuy vËy, do ¸i lùc liªn kÕt cña protein ribosome víi rARN lµ lín h¬n víi mARN, nªn protein ribosome chØ g¾n kÕt víi mARN vµ øc chÕ dÞch m· khi chóng ®· ®ñ cho sù tæng hîp ribosome vµ trë nªn d− thõa. 5.3. §iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote Nh×n chung, ë eukaryote, sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen cã thÓ ®−îc thùc hiÖn ë tÊt c¶ c¸c b−íc nh− ë vi khuÈn, ngoµi ra cßn cã mét sè b−íc bæ sung kh¸c n÷a. Mét trong nh÷ng b−íc bæ sung næi bËt nhÊt lµ sù c¾t-nèi intron vµ hoµn thiÖn mARN. Nh− chóng ta ®· biÕt, c¸c gen ë eukaryote th−êng cã tÝnh ph©n m¶nh. Sau khi phiªn m·, c¸c vïng m· hãa cña ph©n tö tiÒn-ARN ®−îc c¾t vµ nèi l¹i ®Ó h×nh thµnh ph©n tö mARN hoµn thiÖn. Trong nhiÒu tr−êng hîp, mét b¶n phiªn m· tiÒn-ARN cã thÓ ®−îc c¾t vµ nèi theo c¸c c¸ch kh¸c nhau, dÉn ®Õn sù h×nh thµnh c¸c ph©n tö mARN hoµn thiÖn kh¸c nhau. Nãi c¸ch kh¸c, mét gen cã thÓ m· hãa cho mét sè protein kh¸c nhau. Tõ ch−¬ng 3, chóng ta biÕt r»ng bé m¸y phiªn m· vµ dÞch m· ë eukaryote lµ phøc t¹p h¬n so víi ë prokaryote. §iÒu nµy ®Æc biÖt ®óng víi sù phiªn m· cña ARN polymerase II (enzym phiªn m· c¸c gen m· hãa protein). Nh−ng, nh×n chung nhiÒu qui t¾c chóng ta ®· gÆp trong ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë prokaryote còng ®−îc t×m thÊy ë eukaryote. Ch¼ng h¹n nh− sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë c¶ hai giíi sinh vËt th−êng liªn 154

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen quan ®Õn c¸c protein ho¹t hãa vµ øc chÕ. ë eukaryote, nh÷ng protein nµy còng lµ nh÷ng protein liªn kÕt ADN vµ cã vai trß t¨ng c−êng hay øc chÕ sù biÓu hiÖn cña gen (sau khi chóng tiÕp nhËn tÝn hiÖu tõ m«i tr−êng). Ngoµi kh¸c biÖt vÒ sù c¾t-nèi intron nªu trªn, cã hai sù kh¸c biÖt næi bËt kh¸c trong ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote so víi prokaryote, cã thÓ tãm t¾t nh− sau: 1) C¸c cÊu tróc nucleosome (thÓ nh©n) vµ c¸c d¹ng biÓn ®æi cña chóng ¶nh h−ëng ®Õn sù biÓu hiÖn cña c¸c gen. Chóng ta biÕt r»ng, ADN hÖ gen eukaryote th−êng ®−îc ®ãng gãi cïng víi c¸c protein histone trong cÊu tróc nucleosome. CÊu tróc nµy lµm gi¶m (øc chÕ) kh¶ n¨ng biÓu hiÖn cña nhiÒu gen nÕu kh«ng cã sù “hç trî” cña c¸c protein ho¹t hãa. C¸c tÕ bµo eukaryote th−êng cã mét l−îng lín c¸c enzym cã chøc n¨ng t¸i cÊu tróc nucleosome, hoÆc c¶i biÕn (hãa häc) c¸c histone. Sù cã mÆt cña chóng th−êng lµm thay ®æi cÊu tróc nucleosome, qua ®ã bé m¸y phiªn m· nãi riªng vµ c¸c protein liªn kÕt ADN kh¸c nãi chung cã thÓ tiÕp cËn ®−îc c¸c gen cÇn biÓu hiÖn. Nh− vËy, ë prokaryote, chóng ta kh«ng gÆp cÊu tróc nucleosome; cßn ë eukaryote, ®©y lµ mét c¬ chÕ c¬ b¶n tham gia ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña c¸c gen. 2) C¸c gen ë eukaryote th−êng ®ång thêi ®−îc ®iÒu khiÓn bëi nhiÒu yÕu tè ®iÒu hßa h¬n h¼n so víi c¸c gen prokaryote ®iÓn h×nh. NÕu ë vi khuÈn, vÞ trÝ liªn kÕt cña c¸c protein ®iÒu hßa th−êng lµ c¸c tr×nh tù ng¾n, rêi r¹c ë gÇn gen trªn ph©n tö ADN, th× ë eukaryote, mçi gen th−êng ®ång thêi cã nhiÒu vÞ trÝ liªn kÕt cña c¸c protein ®iÒu hßa kh¸c nhau vµ chóng cã thÓ n»m rÊt xa tÝnh tõ vÞ trÝ cña gen. Chóng ta gäi ®o¹n tr×nh tù gÇn gen mµ ë ®ã bé m¸y phiªn m· liªn kÕt vµo vµ khëi ®Çu (khëi ®éng) sù phiªn m· lµ promoter; vÞ trÝ liªn kÕt cña tõng protein ®iÒu hßa lµ tr×nh tù ®iÒu hßa; cßn tËp hîp toµn bé c¸c vÞ trÝ ®iÒu hßa cña mét gen ®−îc gäi lµ c¸c tr×nh tù ®iÒu hßa. Kh¸i niÖm “c¸c tr×nh tù ®iÒu hßa” phÇn nµo cho thÊy, xu h−íng c¸c gen ë eukaryote ®−îc ®iÒu hßa ®ång thêi bëi nhiÒu protein ®iÒu hßa kh¸c nhau vµ cã sù tÝch hîp cña nhiÒu ph©n tö tÝn hiÖu kh¸c nhau. ë trªn, chóng ta ®· gÆp mét sè c¬ chÕ ®iÒu hßa phèi hîp ë vi khuÈn. Nh−ng th−êng th× ë vi khuÈn chØ liªn quan ®Õn hai protein ®iÒu hßa kh¸c nhau lµm nhiÖm vô tÝch hîp th«ng tin tõ hai ph©n tö tÝn hiÖu kh¸c nhau (nh− glucose vµ lactose ë operon Lac ch¼ng h¹n). Nh−ng ë eukaryote (®Æc biÖt ë sinh vËt ®a bµo), sù biÓu hiÖn cña mét gen th−êng cÇn ph¶i diÔn ra ®óng thêi ®iÓm vµ ®óng vÞ trÝ nhÊt ®Þnh trong c¬ thÓ, ®ång thêi liªn quan ®Õn nhiÒu ph©n tö tÝn hiÖu kh¸c nhau. ë nÊm men, sù tÝch hîp tÝn hiÖu nh− vËy kh«ng kh¸c nhiÒu so víi vi khuÈn vµ c¸c gen cña chóng còng cã Ýt c¸c tr×nh tù ®iÒu hßa h¬n nhiÒu so víi c¸c loµi eukaryote bËc cao (h×nh 5.16). Vi khuẩn Trình tự điều hòa Promoter H×nh 5.16. Tr×nh tù ®iÒu Nấm men Người hßa cña gen ë vi khuÈn, nÊm men vµ ng−êi. H×nh ¶nh nµy minh häa sù phøc t¹p t¨ng lªn trong cÊu tróc c¸c tr×nh tù ®iÒu hßa tõ vi khuÈn (nhiÒu gen chØ cã mét tr×nh tù ®iÒu hßa duy nhÊt) ®Õn ng−êi (mét gen cã thÓ cã nhiÒu tr×nh tù ®iÒu hßa). 155

§inh §oµn Long ë eukaryote, c¸c tr×nh tù ®iÒu hßa cã thÓ c¸ch promoter ®Õn hµng ngh×n nucleotide vÒ phÝa ®Çu 5’ hay 3’, vµ mçi gen cã thÓ cã ®Õn hµng chôc vÞ trÝ ®iÒu hßa kh¸c nhau. Th«ng th−êng c¸c vÞ trÝ ®iÒu hßa nµy ®−îc tËp hîp thµnh c¸c ®¬n vÞ gäi lµ c¸c ®o¹n tr×nh tù enhancer hoÆc ®o¹n tr×nh tù silencer (lµm “t¾t” gen). C¸c protein ®iÒu hßa th−êng liªn kÕt víi c¸c ®o¹n tr×nh tù nµy ®Ó t−¬ng øng “bËt” hoÆc “t¾t” c¸c gen vµo nh÷ng thêi ®iÓm vµ vÞ trÝ (tÕ bµo vµ m«) nhÊt ®Þnh trong qu¸ tr×nh sinh tr−ëng cña c¬ thÓ sinh vËt. ë eukaryote, vÞ trÝ ®iÒu hßa cã thÓ c¸ch gen ®−îc ®iÒu khiÓn ®Õn 50 kb hoÆc h¬n. VËy, b»ng c¸ch nµo c¸c protein ®iÒu hßa cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc gen tõ kho¶ng c¸ch xa nh− vËy? C¸c vÝ dô vÒ ®iÒu khiÓn tõ xa ë vi khuÈn cho biÕt, ADN th−êng t¹o cÊu tróc “vßng th¾t” ë gi÷a vÞ trÝ ®iÒu hßa vµ gen cÊu tróc. ë eukaryote, cÊu tróc nµy còng gióp gi¶i thÝch sù ®iÒu hßa tõ xa trong phÇn lín tr−êng hîp. Nh−ng ë mét sè tr−êng hîp, kho¶ng c¸ch nµy xa ®Õn møc mµ chi tiÕt cÊu tróc “vßng th¾t” ADN thÕ nµo ®Õn nay ch−a râ. Sù ho¹t hãa gen tõ xa trªn ph©n tö ADN ®Æt ra mét vÊn ®Ò n÷a lµ: khi liªn kÕt vµo enhancer tõ mét kho¶ng c¸ch xa, protein ho¹t hãa cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn nhiÒu gen kh¸c nhau. Nh−ng ®Õn nay, mét hiÖn t−îng phæ biÕn lµ hÇu hÕt mçi enhancer chØ liªn quan ®Õn sù ®iÒu khiÓn chØ mét (hoÆc mét sè Ýt) gen nhÊt ®Þnh. Ngoµi ra, cã mét nhãm c¸c ®o¹n tr×nh tù ®iÒu hßa kiÓu kh¸c, gäi lµ c¸c ®o¹n tr×nh tù c¸ch li (simulator) th−êng ®−îc t×m thÊy n»m ë gi÷a c¸c enhancer vµ promoter. C¸c ®o¹n tr×nh tù c¸ch li th−êng cã vai trß ng¨n c¶n sù biÓu hiÖn gen, dï cho protein ho¹t hãa ®· liªn kÕt vµo enhancer. Nh− vËy, mét vai trß cña c¸c yÕu tè c¸ch li lµ kiÓm so¸t ho¹t ®éng cña c¸c yÕu tè ho¹t hãa. 5.3.1. C¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa phiªn m· chung ë eukaryote Trong môc nµy, chóng ta sÏ tãm l−îc mét sè c¬ chÕ ®iÒu hßa chung ë eukaryote, tõ nÊm men ®Õn ®éng vËt cã vó. Nh÷ng loµi sinh vËt nµy ®Òu cã bé m¸y phiªn m· phøc t¹p vµ cÊu tróc nucleosome ®iÓn h×nh. Trong c¸c eukaryote, nÊm men lµ ®èi t−îng dÔ thao t¸c trong phßng thÝ nghiÖm vµ cã chu tr×nh sèng ng¾n, nªn th−êng ®−îc chän lµ ®èi t−îng nghiªn cøu m« h×nh. ThÕ nªn, phÇn lín c¸c kiÕn thøc thu ®−îc ®Õn nay vÒ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote lµ tõ ®èi t−îng nµy. Thùc nghiÖm cho thÊy c¸c protein ho¹t hãa ®iÓn h×nh cña nÊm men cã t¸c dông thóc ®Èy phiªn m· ë c¸c tÕ bµo ®éng vËt cã vó, nghÜa lµ bé m¸y ®iÒu hßa biÓu hiÖn c¸c gen cña chóng cã nh÷ng ®Æc ®iÓm chung. Chóng ta còng sÏ thÊy, mét protein ho¹t hãa ®iÓn h×nh ë eukaryote th−êng cã c¸ch thøc ho¹t ®éng gièng víi tr−êng hîp phæ biÕn nhÊt ë vi khuÈn. NghÜa lµ, chóng th−êng cã miÒn liªn kÕt ADN t¸ch biÖt víi miÒn ho¹t hãa, vµ chóng ho¹t hãa phiªn m· th«ng qua huy ®éng ARN polymerase vµ phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· tíi promoter cña c¸c gen. Tuy vËy, ë eukaryote, c¸c protein øc chÕ cã nhiÒu kiÓu ho¹t ®éng kh¸c nhau, trong ®ã mét sè cã c¸ch ho¹t ®éng rÊt kh¸c biÖt víi vi khuÈn. Trong sè nµy cã c¸c c¬ chÕ lµm t¾t gen, mµ sù biÕn ®æi cÊu tróc chÊt nhiÔm s¾c lµ mét c¬ chÕ c¬ b¶n lµm mét phÇn lín ADN hÖ gen trong chu tr×nh sèng cña tÕ bµo th−êng duy tr× ë tr¹ng th¸i kh«ng ho¹t ®éng. Dï cã nhiÒu ®Æc ®iÓm chung, nh−ng xÐt vÒ chi tiÕt, sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote lµ ®a d¹ng vµ cã tÝnh linh ho¹t cao. ë nÊm men, sè vÞ trÝ ®iÒu hßa ë mçi gen nh×n chung th−êng Ýt h¬n so víi c¸c sinh vËt ®a bµo. Qua ®ã, ta cã thÓ dù ®o¸n r»ng, c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa gen ë sinh vËt bËc ®a bµo cã sù ®a d¹ng vµ phøc t¹p h¬n. 156

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen 5.3.1.1. Protein ho¹t hãa ë eukaryote cã miÒn ho¹t hãa t¸ch biÖt víi miÒn liªn kÕt ADN Gièng ë vi khuÈn, nhiÒu protein ho¹t hãa ë eukaryote cã c¸c trung t©m ho¹t hãa vµ vÞ trÝ liªn kÕt ADN thuéc c¸c miÒn (domain) t¸ch biÖt nhau. Th«ng th−êng, hai bÒ mÆt t−¬ng t¸c nµy cña protein thuéc vÒ hai miÒn chøc n¨ng kh¸c nhau. §«i khi, trung t©m ho¹t hãa vµ vÞ trÝ liªn kÕt ADN thuéc vÒ c¸c chuçi polypeptide kh¸c nhau. B¶n chÊt t¸ch biÖt gi÷a c¸c miÒn ho¹t hãa vµ liªn kÕt ADN ë c¸c protein ®iÒu hßa cña eukaryote cã thÓ ®−îc ph¸t hiÖn bëi kü thuËt ph©n tÝch t−¬ng t¸c protein-protein (ch−¬ng 11). 5.3.1.2. C¸c protein ®iÒu hßa ë eukaryote sö dông c¸ch nhËn biÕt tr×nh tù ADN gièng prokaryote, nh−ng cã thÓ cã nhiÒu miÒn liªn kÕt ADN kh¸c nhau ë trªn, chóng ta biÕt r»ng phÇn lín protein ®iÒu hßa ë vi khuÈn liªn kÕt víi tr×nh tù ADN ®Ých bëi d¹ng phøc kÐp (dimer) cña protein; trong ®ã, mçi tiÓu phÇn cña nã th−êng cµi mét chuçi α vµo khe chÝnh cña ph©n tö ADN sîi kÐp. KiÓu liªn kÕt nµy kh«ng cÇn protein hay ADN ph¶i thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian cña nã. §Ó cã kiÓu t−¬ng t¸c ADN-protein nµy, nhiÒu protein ®iÒu hßa ë vi khuÈn sö dông motif xo¾n-uèn-xo¾n. Motif nµy th−êng cã hai chuçi xo¾n α nèi víi nhau bëi mét vßng th¾t ng¾n. Mét chuçi α cµi “võa khÝt” vµo khe chÝnh cña ADN vµ nhËn biÕt c¸c baz¬ nit¬ ®Æc hiÖu. Chuçi α kia liªn kÕt däc khung ph©n tö vµ lµm t¨ng c−êng lùc liªn kÕt gi÷a ADN vµ protein (h×nh 5.7). KiÓu liªn kÕt nh− vËy còng ®−îc t×m thÊy ë eukaryote (mÆc dï xÐt vÒ chi tiÕt, cã mét vµi kh¸c biÖt). NghÜa lµ, c¸c protein còng th−êng liªn kÕt vµo vÞ trÝ ®iÒu hßa ë d¹ng phøc kÐp (dimer) vµ cµi chuçi α vµo khe chÝnh cña ADN (h×nh 5.18). Mét nhãm lín c¸c protein ®iÒu hßa ë eukaryote cã chuçi xo¾n lµm nhiÖm vô nhËn biÕt ADN cã motif d¹ng xo¾n-uèn-xo¾n; tuy vËy, mét sè kh¸c cã motif vïng nhËn biÕt ADN hoµn toµn kh¸c biÖt. VÝ dô nh−, mét trong nh÷ng motif gÆp nhiÒu ë eukaryote, nh−ng ch−a gÆp ë prokaryote, lµ motif dÞ phøc kÐp (heterodimer), hoÆc trong C Chuçi xo¾n α mét sè tr−êng hîp lµ c¸c motif ®¬n ph©n (chØ nhËn biÕt ADN cã mét chuçi polypeptide). CÊu tróc dÞ phøc kÐp MÆt ph¼ng β cho phÐp c¸c protein ®iÒu hßa më réng kh¶ n¨ng liªn kÕt ®Æc hiÖu cña chóng. Khi mçi ®¬n His ph©n cã tÝnh ®Æc thï liªn kÕt riªng, th× tÝnh ®Æc Cys thï cña cÊu tróc dÞ phøc kÐp lµ kh¸c víi Zn nguyªn phøc kÐp (homodimer). D−íi ®©y lµ mét sè vÝ dô vÒ motif miÒn liªn kÕt ADN cña protein ®iÒu hßa ë eukaryote. MiÒn ®ång h×nh (homeodomain). “MiÒn His Cys ®ång h×nh” lµ kh¸i niÖm m« t¶ mét nhãm cÊu tróc d¹ng “xo¾n-uèn-xo¾n” trong vïng liªn kÕt ADN phæ biÕn ë c¸c yÕu tè phiªn m·; vÒ c¬ b¶n chóng nhËn biÕt ADN theo kiÓu gièng ë vi N khuÈn. Nh−ng, nÕu motif “xo¾n-uèn-xo¾n” cña c¸c protein ®iÒu hßa ë vi khuÈn kh¸c nhau vÒ cÊu tróc khi xÐt chi tiÕt, th× “miÒn ®ång h×nh” ë c¸c protein ®iÒu hßa t×m thÊy ë hÇu hÕt c¸c H×nh 5.17. Mét vÝ dô vÒ miÒn liªn kÕt ADN loµi eukaryote l¹i rÊt gièng nhau. NhiÒu protein cã miÒn ®ång h×nh liªn kÕt ADN ë chøa kÏm (Zn). Chuçi xo¾n α bªn tr¸i cã vai trß d¹ng dÞ phøc kÐp. nhËn biÕt ADN. MÆt ph¼ng β bªn ph¶i t−¬ng t¸c víi bÒ mÆt ph©n tö ADN. Nguyªn tö Zn liªn kÕt MiÒn liªn kÕt ADN chøa kÏm. Mét sè víi hai Cys cña mÆt ph¼ng β vµ hai His cña chuçi miÒn liªn kÕt ADN cã chøa c¸c nguyªn tö kÏm xo¾n α, t¹o nªn mét cÊu tróc æn ®Þnh cÇn thiÕt (Zn), trong ®ã bao gåm c¸c protein ngãn tay cho protein ®iÒu hßa cã thÓ liªn kÕt vµo ADN (theo Lee et al, 1989; Science, 254). 157

§inh §oµn Long kÏm (nh− yÕu tè TFIIIA ®iÒu hßa phiªn m· c¸c gen m· hãa rARN) hay c¸c protein bã kÏm (nh− yÕu tè Gal4 ë nÊm men). Trong protein ho¹t hãa Gal4, c¸c nguyªn tö Zn t−¬ng t¸c víi c¸c axit amin His vµ Cys t¹o thµnh mét cÊu tróc cÇn cho sù liªn kÕt vµo ADN cña protein (h×nh 5.17). ë ®©y, ADN còng ®−îc nhËn biÕt qua viÖc cµi chuçi α vµo khe chÝnh cña ADN. Mét sè protein cã thÓ chøa nhiÒu bã kÏm kÕt ®u«i nhau, mçi bã ®Òu liªn kÕt víi ADN qua khe chÝnh vµ chuçi α. Víi chiÒu dµi më réng nh− vËy, tÝnh ®Æc hiÖu cña liªn kÕt t¨ng lªn. Motif khãa kÐo leucine. Motif nµy th−êng gåm hai chuçi α dµi kÑp vµo ph©n tö ADN nh− mét chiÕc “k×m”. Trong ®ã, mçi chuçi cµi vµo mét khe chÝnh (h×nh 5.18a). ë motif khãa kÐo leucine, hai chuçi polypeptide th−êng ®−îc gi÷ víi nhau bëi t−¬ng t¸c kÞ n−íc gi÷a c¸c axit amin Leu vµ sù lång vµo nhau cña 2 vßng xo¾n α. C¸c protein motif khãa kÐo leucine cã thÓ hoÆc ë d¹ng dÞ phøc kÐp hoÆc nguyªn phøc kÐp (h×nh 5.18b). Motif xo¾n-vßng-xo¾n - HLH (helix-loop-helix). Gièng motif khãa kÐo leucine, motif nµy th−êng lµ phøc khÐp cña hai chuçi polypeptide (cã thÓ lµ dÞ phøc kÐp hoÆc nguyªn phøc kÐp) gåm c¸c vßng xo¾n α cµi vµo khe chÝnh vµ cã vai trß nhËn biÕt ADN, ngoµi ra cã c¸c vßng xo¾n α ng¾n h¬n cã vai trß cÊu tróc. Gi÷a hai vßng xo¾n α lµ mét “vßng th¾t” linh ho¹t gi÷ chóng víi nhau (v× vËy ®−îc gäi lµ xo¾n-vßng-xo¾n). Do vïng liªn kÕt ADN mang c¸c axit amin kiÒm, nªn c¸c protein cã motif nµy cßn ®−îc gäi lµ c¸c HLH kiÒm. a) b) Chuçi xo¾n α Khe chÝnh ADN ADN Nguyªn phøc kÐp DÞ phøc kÐp (homodimer) (heterodimer) H×nh 5.18. Motif khãa kÐo leucine. a) MiÒn liªn kÕt ADN cã motif nµy gåm hai chuçi xo¾n α kÝch th−íc lín lång vµo nhau; mçi chuçi cµi t−¬ng øng vµo mét khe chÝnh. b) Hai chuçi xo¾n cã thÓ tån t¹i ë d¹ng nguyªn phøc kÐp (hai chuçi gièng nhau), hoÆc dÞ phøc kÐp (hai chuçi kh¸c nhau) 5.3.1.3. MiÒn ho¹t hãa cã cÊu h×nh linh ho¹t Kh¸c víi miÒn liªn kÕt ADN, miÒn ho¹t hãa th−êng cã cÊu tróc biÕn ®æi. §iÒu nµy gióp trung t©m ho¹t hãa cã thÓ chuyÓn ®−îc tr¹ng th¸i, sau khi protein ®iÒu hßa liªn kÕt víi c¸c ph©n tö tÝn hiÖu kh¸c nhau. Thay cho motif, miÒn ho¹t hãa th−êng ®−îc ph©n lo¹i dùa trªn ®Æc tÝnh tÝch ®iÖn cña c¸c axit amin n»m trong miÒn nµy. NhiÒu ®ét biÕn lµm t¨ng tÝnh ë axit ë miÒn ho¹t hãa ®i ®«i víi ho¹t lùc cña protein ®iÒu hßa t¨ng lªn, cho thÊy vai trß cña c¸c axit amin tÝnh axit ë miÒn nµy. Ngoµi ra, c¸c protein ho¹t hãa th−êng kh¸c nhau vÒ tr×nh tù axit amin cña miÒn ho¹t hãa, nh−ng th−êng cã ®Æc ®iÓm chung vÒ c¸c axit amin cã tÝnh kÞ n−íc vµ tÝch ®iÖn ©m. V× vËy, cã quan ®iÓm cho r»ng miÒn ho¹t hãa th−êng gåm nhiÒu “®¬n vÞ”, trong ®ã mçi “®¬n vÞ” cã ho¹t tÝnh riªng; khi sè ®¬n vÞ vµ tÝnh axit cña miÒn ho¹t hãa cµng cao, th× ho¹t tÝnh cµng cã xu h−íng t¨ng. 158

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen 5.3.2. C¸c phøc hÖ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote 5.3.2.1. C¸c protein ho¹t hãa th−êng tæ hîp víi nhau ®Ó tÝch hîp tÝn hiÖu ë vi khuÈn, chóng ta ®· thÊy hiÖn t−îng tÝch hîp tÝn hiÖu trong ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen. Ch¼ng h¹n, operon Lac ë E. coli ®−îc ®iÒu hßa ®ång thêi bëi sù cã mÆt cña lactose vµ kh«ng cã glucose. Hai tÝn hiÖu nµy ®−îc truyÒn ®Õn gen th«ng qua hai protein ®iÒu hßa riªng biÖt, mét lµ protein ho¹t hãa (CAP), mét lµ protein øc chÕ (LacI). ë sinh vËt ®a bµo, sù tÝch hîp tÝn hiÖu nh− vËy rÊt phæ biÕn. Còng gièng ë vi khuÈn, mçi tÝn hiÖu trong ®iÒu hßa gen ë eukaryote th−êng ®−îc truyÒn ®Õn gen th«ng qua mét yÕu tè ®iÒu hßa riªng biÖt. Nh− vËy, ë mçi gen th−êng cã nhiÒu protein ®iÒu hßa cïng phèi hîp ho¹t ®éng. Khi phèi hîp ho¹t ®éng, c¸c protein ho¹t hãa th−êng cã t¸c ®éng hiÖp lùc. NghÜa lµ, hiÖu øng chung lín h¬n tæng hiÖu øng thµnh phÇn. TÝnh hiÖp lùc cã thÓ thÊy khi: 1) nhiÒu protein ho¹t hãa kh¸c nhau cïng huy ®éng mét thµnh phÇn cña bé m¸y phiªn m·, 2) khi chóng huy ®éng c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau cña bé m¸y phiªn m·, hoÆc 3) khi c¸c protein ho¹t hãa cã t¸c ®éng bæ trî trong liªn kÕt vµo ADN vµ ®iÒu khiÓn biÓu hiÖn gen. H×nh 5.19 minh häa mét sè c¸ch c¸c protein ho¹t hãa cã thÓ tæ hîp víi nhau trong t−¬ng t¸c víi ADN. Sù tæ hîp cã ý nghÜa quan träng ®èi víi sù tÝch hîp tÝn hiÖu cña c¸c protein ho¹t hãa. NhiÒu gen chØ biÓu a) b) hiÖn khi nhËn ®−îc ®ång thêi nhiÒu tÝn A B A B hiÖu kh¸c nhau. Mçi tÝn hiÖu ®−îc X truyÒn ®Õn gen bëi c¸c ph©n tö ho¹t hãa riªng, nh−ng gen hÇu nh− kh«ng ho¹t ®éng khi kh«ng cã ®ñ c¸c tÝn hiÖu (hoÆc AB A XB c¸c protein ®iÒu hßa) cÇn thiÕt. a) T¸c ®éng hiÖp lùc cña hai VÞ trÝ liªn kÕt B protein ®iÒu hßa (mét cã vai trß huy d) ®éng c¸c protein c¶i biÕn nucleosome, c) B A mét cã vai trß huy ®éng bé m¸y phiªn VÞ trÝ liªn kÕt A m·) ë gen HO. NÊm men S. cerevisiae A sinh s¶n b»ng h×nh thøc n¶y chåi d−íi sù ®iÒu khiÓn bëi gen HO. Gen HO chØ BA biÓu hiÖn trong tÕ bµo mÑ vµo mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh cña chu tr×nh tÕ bµo. Sù kiÖn nµy x¶y ra bëi hai tÝn hiÖu ®−îc “truyÒn t¶i” ®Õn gen qua hai Enzym t¸i A protein ®iÒu hßa lµ SW15 vµ SBF. cÊu tróc SW15 liªn kÕt vµo mét sè vÞ trÝ ë xa gen, trong ®ã vÞ trÝ gÇn nhÊt c¸ch A B promoter trªn 1 kb (h×nh 5.20). SBF B còng liªn kÕt vµo nhiÒu vÞ trÝ kh¸c nhau, nh−ng gÇn promoter h¬n so víi SW15. Së dÜ sù biÓu hiÖn cña gen nµy phô thuéc vµo hai protein ho¹t hãa H×nh 5.19. Mét sè c¸ch phèi hîp cña c¸c protein ®iÒu hßa. a) vµ b) Sù tæ hîp kh¸c nhau, v×: SBF (chØ ho¹t ®éng vµo trùc tiÕp cña hai hay nhiÒu protein ®iÒu mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh cña chu tr×nh hßa. c) Mét protein ®iÒu hßa (A) huy ®éng tÕ bµo) kh«ng thÓ liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ mét enzym t¸i cÊu tróc nucleosome, lµm cña nã trªn nhiÔm s¾c thÓ khi béc lé vÞ trÝ liªn kÕt cña protein kh¸c (B). nucleosome ch−a ®−îc c¶i biÕn, cßn d) Mét protein lµm gi·n xo¾n ADN t¹i SW15 (chØ ho¹t ®éng trong tÕ bµo mÑ) nucleosome, gióp mét protein kh¸c liªn kÕt cã thÓ liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ cña nã mµ ®−îc vµo vÞ trÝ cña nã (Watson, 2004). 159

§inh §oµn Long kh«ng cÇn sù biÕn ®æi nµo cña chÊt nhiÔm s¾c. Sù cã mÆt cña SW15 gióp huy ®éng c¸c yÕu tè c¶i biÕn nucleosome (nh− enzym histone acetylase vµ phøc hÖ t¸i cÊu tróc nucleosome SWI/SNF). Nhê vËy, SBF liªn kÕt ®−îc vµo c¸c vÞ trÝ ®iÒu hßa cña nã, ®ång thêi huy ®éng bé m¸y phiªn m· tíi gen vµ ho¹t hãa gen. Nh− vËy, gen HO chØ ®−îc biÓu hiÖn khi cã ®ång thêi hai protein SW15 vµ SBF. b) Sù phèi hîp cña c¸c protein ho¹t hãa gen β-interferon ë ng−êi. Gen m· hãa β- interferon ë ng−êi ®−îc ho¹t hãa khi cã sù x©m nhiÔm cña virut. Sù x©m nhiÔm nµy kÝch ho¹t ba protein ®iÒu hßa lµ NFκB, IRF vµ Jun/ATF. C¸c protein nµy liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ c¹nh nhau trong mét tr×nh tù enhancer c¸ch promoter 1 kb vÒ phÝa ®Çu 5’, vµ h×nh thµnh mét phøc hÖ t¨ng c−êng (enhancing complex). Sù h×nh thµnh phøc hÖ t¨ng c−êng lµ mét c¬ chÕ ®¶m b¶o cho sù tÝch hîp c¸c tÝn hiÖu: gen chØ biÓu hiÖn khi cã c¶ ba protein vµ chØ khi cã phøc hÖ t¨ng c−êng bé m¸y phiªn m· míi tiÕn hµnh biÓu hiÖn gen. 5.3.2.2. §iÒu hßa tæ hîp lµ trung t©m cña tÝnh ®a d¹ng vµ phøc t¹p trong ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote Phøc hÖ t¸i cÊu tróc Kh¸i niÖm ®iÒu hßa tæ hîp ®· ®−îc chÊt nhiÔm s¾c chóng ta nh¾c ®Õn trong tr−êng hîp protein CAP SW15 Enzym ®−îc dïng ®Ó ®iÒu hßa ®ång thêi nhiÒu gen kh¸c histone acetylase nhau ë vi khuÈn (vÝ dô c¸c operon Lac vµ Gal). HO Sù tæ hîp nµy ë eukaryote thËm chÝ cßn phæ biÕn h¬n. H×nh 5.21 minh häa mét vÝ dô vÒ ®iÒu hßa Gen kh«ng tæ hîp. Gen A ®−îc ®iÒu khiÓn bëi bèn tÝn hiÖu biÓu hiÖn (1, 2, 3 vµ 4), mçi tÝn hiÖu ho¹t ®éng qua mét protein ho¹t hãa kh¸c nhau (a1 – a4). Gen B SBF ®−îc ®iÒu khiÓn bëi 3 tÝn hiÖu (3, 5 vµ 6) vµ qua c¸c protein ho¹t hãa a3 – a6. Nh− vËy, hai gen HO nµy ®−îc ®iÒu khiÓn bëi cÆp “tÝn hiÖu – protein VÞ trÝ liªn VÞ trÝ liªn Gen kÕt SW15 kÕt SBF biÓu hiÖn ho¹t hãa” chung lµ “3 – a3”. ë ®éng vËt, kiÓu ®iÒu hßa tæ hîp th−êng liªn quan ®Õn nhiÒu gen H×nh 5.20. Sù ®iÒu khiÓn gen HO. SW15 cã vµ nhiÒu protein ®iÒu hßa h¬n. VËy, b»ng c¸ch thÓ liªn kÕt vµo vÞ trÝ cña nã trªn ADN mµ kh«ng nµo sù ®iÒu hßa tæ hîp kh«ng g©y “r¾c rèi” cho cÇn cã sù c¶i biÕn nµo, nh−ng SBF th× kh«ng. Sau sù biÓu hiÖn cña mçi gen? khi liªn kÕt vµo ADN, SW15 huy ®éng histone Nh− ®· nãi ë trªn, nhiÒu protein ®iÒu hßa acetylase vµ phøc hÖ t¸i cÊu tróc nucleosome lµm c¶i biÕn vïng chÊt nhiÔm s¾c t¹i vÞ trÝ liªn kÕt SBF, ho¹t ®éng theo kiÓu “tæ hîp”. ThËm chÝ, c¸c tiÓu nhê vËy protein ho¹t hãa SBF cã thÓ liªn kÕt vµo vÞ phÇn kh¸c nhau cña chóng còng cã thÓ g©y nªn trÝ cña nã (gÇn promoter) vµ ho¹t hãa gen. t¸c ®éng “tæ hîp”. §iÒu nµy gi¶i thÝch t¹i sao nhiÒu protein ®iÒu hßa cã thÓ cïng ho¹t ®éng trong c¸c tæ hîp kh¸c nhau. C¸c vÝ dô vÒ sù “tÝch 1 23 4 hîp tÝn hiÖu” nªu trªn (c¸c gen HO vµ β- Gen A interferon) ®Òu liªn quan ®Õn mét sè protein VÞ trÝ 1 VÞ trÝ 2 VÞ trÝ 3 VÞ trÝ 4 tham gia ®iÒu hßa tæ hîp. ë nÊm men, SW15 tham gia ®iÒu hßa nhiÒu gen kh¸c nhau; cßn ë 356 ®éng vËt cã vó, NFκB kh«ng chØ ®iÒu hßa gen β- Gen B interferon mµ cßn nhiÒu gen kh¸c, bao gåm chuçi nhÑ κ cña immunoglobulin trong c¸c tÕ bµo VÞ trÝ 3 VÞ trÝ 4 VÞ trÝ 5 lympho B. T−¬ng tù nh− vËy, Jun/ATF khi tæ H×nh 5.21. VÝ dô vÒ ®iÒu hßa tæ hîp. Hai gen hîp víi c¸c protein ho¹t hãa kh¸c cã thÓ tham nµy ®−îc ®iÒu khiÓn ®ång thêi bëi nhiÒu tÝn hiÖu gia ®iÒu hßa nhiÒu gen kh¸c nhau. Chóng ta kh¸c nhau. Mçi tÝn hiÖu ®−îc \"truyÒn t¶i\" bëi mét còng ®· m« t¶ mét sè protein liªn kÕt ADN cã protein ®iÒu hßa. Protein 3 ho¹t ®éng ®ång thêi trªn thÓ ë d¹ng “dÞ phøc kÐp” hoÆc “nguyªn phøc c¶ hai gen. Nh−ng ë mçi gen, nã tæ hîp víi c¸c yÕu tè ®iÒu hßa kh¸c nhau. 160

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen kÐp”. §©y còng lµ mét c¬ chÕ ®iÒu hßa tæ hîp kh¸c n÷a. §Õn nay, cã thÓ nãi c¬ chÕ ®iÒu hßa tæ hîp ®−îc t×m thÊy phæ biÕn ë mäi eukaryote. §iÒu nµy ®Æc biÖt ®óng ®èi víi c¸c gen ®Æc tr−ng cho toµn bé liªn giíi. V× vËy, nã ®−îc coi lµ trung t©m cña tÝnh phøc t¹p vµ ®a d¹ng trong ®iÒu hßa gen ë eukaryote. 5.3.2.3. C¸c chÊt øc chÕ phiªn m· Chóng ta ®· biÕt ë vi khuÈn cã mét sè protein øc chÕ phiªn m· ho¹t ®éng theo kiÓu liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ n»m trong hoÆc gèi lªn c¸c promoter (nh− ë c¸c operon Trp vµ Lac) lµm ng¨n c¶n sù liªn kÕt cña ARN polymerase vµo promoter. Ngoµi ra, c¸c protein øc chÕ cßn ho¹t ®éng theo mét sè c¸ch kh¸c n÷a. Ch¼ng h¹n nh− chóng liªn kÕt vµo mét sè vÞ trÝ gÇn promoter, råi t−¬ng t¸c víi ARN polymerase vµ øc chÕ enzym nµy khëi ®Çu phiªn m·; hoÆc th«ng qua sù can thiÖp vµo ho¹t ®éng cña c¸c protein ho¹t hãa. ë eukaryote, chóng ta còng gÆp c¸c c¬ chÕ a) C¬ chÕ c¹nh tranh øc chÕ nªu trªn, trõ c¬ chÕ ®Çu tiªn (®¸ng ng¹c AR nhiªn lµ c¬ chÕ nµy l¹i chÝnh lµ c¬ chÕ phæ biÕn VÞ trÝ liªn kÕt Promoter nhÊt ë vi khuÈn). ë eukaryote, c¬ chÕ phæ biÕn protein ho¹t hãa VÞ trÝ liªn kÕt h¬n c¶ d−êng nh− lµ qua c¸c protein øc chÕ cã protein øc chÕ vai trß huy ®éng c¸c phøc hÖ c¶i biÕn nucleosome. Nh−ng kh¸c víi c¸c protein ho¹t b) C¬ chÕ øc chÕ hãa, c¸c enzym ®−îc protein øc chÕ huy ®éng th−êng lµm chÊt nhiÔm s¾c ®ãng chÆt h¬n, ®ång AR thêi lo¹i bá c¸c “tÝn hiÖu” ®−îc bé m¸y phiªn m· nhËn biÕt. Ch¼ng h¹n, c¸c enzym histone c) C¬ chÕ k×m h m trùc tiÕp Phøc hÖ deacetylase øc chÕ phiªn m· qua viÖc lo¹i R khëi ®Çu nhãm acetyl khái ®o¹n ®u«i cña c¸c protein phiªn m· histone (d−íi ®©y, ta sÏ thÊy nhãm acetyl cña ChÊt m«i giíi c¸c histone cã vai trß thóc ®Èy phiªn m·). T−¬ng tù nh− vËy, c¸c enzym methyl hãa vïng “®u«i” histone còng th−êng cã t¸c dông øc chÕ phiªn m·. Nh÷ng c¶i biÕn nµy h×nh thµnh nªn mét c¬ chÕ “bÝt gen”. H×nh 5.22 minh häa mét sè c¬ chÕ “bÝt gen” ë eukaryote. 5.3.2.4. C¸c con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu vµ sù ARN polymerase ®iÒu khiÓn c¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m· d) C¬ chÕ k×m h m gi¸n tiÕp Protein øc chÕ huy a) TÝn hiÖu ®−îc truyÒn ®Õn c¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m· nh− thÕ nµo? ®éng histone deacetylase ë prokaryote vµ eukaryote, chóng ta ®Òu thÊy sù biÓu hiÖn cña gen th−êng phô thuéc R vµo mét sè tÝn hiÖu tõ m«i tr−êng. Cã nhiÒu c¸ch kh¸c nhau ®Ó c¸c tÕ bµo vµ gen cña chóng Vïng gen bÞ bÝt bëi histone deacetylase ph¸t hiÖn ®−îc c¸c tÝn hiÖu nµy. VÝ dô ë vi H×nh 5.22. Mét sè c¸ch ho¹t ®éng cña protein khuÈn, c¸c ph©n tö tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn c¸c øc chÕ biÓu hiÖn gen ë eukaryote. A lµ protein protein ®iÒu hßa b»ng c¸ch thay ®æi cÊu h×nh ho¹t hãa, R lµ protein øc chÕ. cña chóng. Th«ng th−êng, hiÖu øng “dÞ h×nh” xuÊt hiÖn trùc tiÕp; nghÜa lµ, mét ph©n tö nhá (nh− allolactose hay cAMP) liªn kÕt vµo yÕu tè ®iÒu hßa, lµm thay ®æi cÊu h×nh vµ sù biÓu hiÖn chøc n¨ng cña chóng. Nh−ng ®«i khi, hiÖu øng “dÞ h×nh” lµ gi¸n tiÕp. Ch¼ng h¹n, ®èi víi yÕu tè 161

§inh §oµn Long ho¹t hãa NtrC (môc 5.2.2.8), tÝn hiÖu cña m«i tr−êng (nång ®é NH4+ thÊp) ho¹t hãa mét enzym kinase; ®Õn l−ît m×nh, enzym nµy phosphoryl hãa vµ ho¹t hãa NtrC. KiÓu truyÒn tÝn hiÖu gi¸n tiÕp (qua nhiÒu b−íc) nµy lµ mét vÝ dô vÒ mét con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu. Kh¸i niÖm “tÝn hiÖu” ë ®©y th−êng ®−îc hiÓu chÝnh lµ ph©n tö kÝch øng (ligand) ®Çu tiªn. ë eukaryote, trong c¸c con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu ®iÓn h×nh, c¸c ligand th−êng ®−îc nhËn biÕt bëi c¸c thô thÓ bÒ mÆt tÕ bµo ®Æc tr−ng cña nã (ligand th−êng ®Ýnh kÕt vµo miÒn ngo¹i bµo cña thô thÓ, råi tÝn hiÖu tiÕp tôc ®−îc thô thÓ truyÒn tíi miÒn néi bµo). Tõ ®ã, tÝn hiÖu th−êng ®−îc truyÒn tíi c¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m· qua mét chuçi c¸c enzym kinase. Mét c©u hái ®Æt ra lµ: b»ng c¸ch nµo viÖc ®Ýnh kÕt mét ligand vµo miÒn ngo¹i bµo cña thô thÓ ®−îc “truyÒn t¶i” vµo miÒn néi bµo? §ã lµ do tÝnh chÊt “dÞ h×nh” cña miÒn néi bµo ë c¸c thô thÓ. Ngoµi ra, c¸c ligand còng cã thÓ ho¹t ®éng theo kiÓu kÕt hîp hai hay nhiÒu thô thÓ víi nhau. Sù t−¬ng t¸c gi÷a miÒn néi bµo cña c¸c thô thÓ kh¸c nhau cã thÓ ho¹t hãa lÉn nhau. H×nh 5.23 minh häa mét vÝ dô ®¬n gi¶n vÒ mét con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu. ë ®©y, mét enzym kinase th−êng xuyªn liªn kÕt vµo miÒn néi bµo cña thô thÓ. Khi ligand (ë ®©y lµ mét cytokine) ho¹t hãa thô thÓ, nã “®−a” hai chuçi thô thÓ ®Õn gÇn nhau vµ ho¹t hãa kinase xóc t¸c ph¶n øng phosphoryl hãa ë mét tr×nh tù ®Æc biÖt trong miÒn néi bµo cña thô thÓ. VÞ trÝ g¾n gèc ~ nµy ®−îc mét protein ®Æc biÖt (STAT) nhËn ra vµ liªn kÕt vµo, sau ®ã thô thÓ truyÒn l¹i gèc ~ cho STAT. Sau khi ®−îc ho¹t hãa (nhËn gèc ~), protein STAT h×nh thµnh mét nguyªn phøc kÐp vµ ®−îc vËn chuyÓn vµo nh©n tÕ bµo. T¹i ®©y, nã liªn kÕt víi ADN vµ ho¹t hãa sù biÓu hiÖn gen. Trong thùc tÕ, c¸c con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu ®Ó ho¹t hãa gen cã tÝnh phøc t¹p vµ møc ®é tæ hîp cao h¬n. Nh×n chung, sù truyÒn tÝn hiÖu phæ biÕn nhÊt lµ qua sù phosphoryl hãa. Tuy vËy, nh÷ng c¬ chÕ c¶i biÕn protein kh¸c, bao gåm sù ph©n gi¶i protein, lo¹i gèc phosphate... còng ®−îc dïng ®Ó truyÒn tÝn hiÖu. Cytokine Ngo¹i bµo Kinase SH2 TÕ bµo chÊt (JAK) STAT Nh©n tÕ bµo SH2 STAT Gen 1 H×nh 5.23. Mét vÝ dô vÒ con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu trong ®iÒu hßa sù biÓu hiÖn cña gen. b) C¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m· ë eukaryote ®−îc ®iÒu khiÓn bëi tÝn hiÖu nh− thÕ nµo? Khi c¸c tÝn hiÖu ®· ®−îc truyÒn tíi c¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m·, th× ho¹t ®éng ®iÒu khiÓn phiªn m· tiÕp theo nh− thÕ nµo? ë vi khuÈn, sù ®iÒu hßa qua qui t¾c dÞ h×nh lµm thay ®æi “¸i lùc liªn kÕt” cña mét yÕu tè ®iÒu hßa trªn ADN lµ mét c¬ chÕ phæ biÕn. Nh−ng ë eukaryote, c¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m· ®iÓn h×nh chñ yÕu kh«ng ho¹t ®éng qua c¬ chÕ nµy (trõ mét sè ngo¹i lÖ). HÇu hÕt c¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m· ë eukaryote ho¹t ®éng theo hai c¸ch c¬ b¶n sau: - Béc lé vïng ho¹t hãa: C¬ chÕ nµy x¶y ra hoÆc qua sù thay ®æi cÊu h×nh cña yÕu tè phiªn m· liªn kÕt s½n víi ADN (nh−ng ch−a h×nh thµnh phøc hÖ “më”), hoÆc qua sù gi¶i phãng c¸c gen khái c¸c protein bÞt mÆt (masking protein) lµm bé m¸y phiªn m· kh«ng tiÕp cËn ®−îc gen. Sù thay ®æi cÊu h×nh cña c¸c protein bÞt mÆt cã thÓ do sù liªn 162

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen kÕt trùc tiÕp cña c¸c ligand, hoÆc qua sù phosphoryl hãa ®−îc kÝch øng bëi c¸c ligand. Mét vÝ dô vÒ tr−êng hîp nµy lµ yÕu tè ho¹t hãa Gal4. Khi kh«ng cã galactose, Gal4 liªn kÕt ®−îc vµo gen GAL1, nh−ng nã kh«ng ho¹t hãa ®−îc gen nµy v× cã mét protein kh¸c (Gal80) liªn kÕt vµo nã vµ lµm bÊt ho¹t vïng ho¹t hãa cña Gal4. §−êng galactose cã t¸c dông kÝch øng gi¶i phãng Gal80, qua ®ã ho¹t hãa gen GAL1 (bëi v× lóc nµy Gal4 ®−îc tù do). Trong nhiÒu tr−êng hîp, c¸c protein bÞt mÆt kh«ng chØ phong táa c¸c vïng ho¹t hãa mµ b¶n th©n chóng lµ (hoÆc huy ®éng) mét deacetylase cã t¸c ®éng g©y øc chÕ m¹nh sù biÓu hiÖn cña gen. Mét vÝ dô vÒ c¬ chÕ nµy lµ yÕu tè ho¹t hãa E2F ë eukaryote. YÕu tè E2F th−êng xuyªn liªn kÕt phÝa tr−íc gen ®Ých cña nã. Mét protein øc chÕ (Rb) kiÓm so¸t ho¹t ®éng cña E2F b»ng c¸ch liªn kÕt vµo nã. Rb võa cã t¸c dông khãa vïng ho¹t hãa cña E2F, võa huy ®éng mét enzym deacetylase g©y øc chÕ biÓu hiÖn cña gen ®Ých. Sù phosphoryl hãa Rb lµm gi¶i phãng Rb khái E2F, nhê vËy gen ®−îc biÓu hiÖn. E2F lµ yÕu tè ho¹t hãa c¸c gen ®iÒu khiÓn tÕ bµo v−ît qua pha S cña chu tr×nh tÕ bµo (xem ch−¬ng 8). Nh− vËy, sù phosphoryl hãa Rb liªn quan ®Õn sù ®iÒu khiÓn ph©n bµo vµ c¸c ®ét biÕn ¶nh h−ëng ®Õn con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu nµy th−êng liªn quan ®Õn ung th−. - VËn chuyÓn ra vµ vµo nh©n tÕ bµo: Khi ë tr¹ng th¸i kh«ng ho¹t ®éng, hÇu hÕt c¸c protein ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ®Òu ®−îc gi÷ ë tÕ bµo chÊt. C¸c ph©n tö tÝn hiÖu th−êng ®ång thêi trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp kÝch øng sù vËn chuyÓn chóng vµo nh©n tÕ bµo. §Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh nµy cã nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. Ch¼ng h¹n, mét yÕu tè ®iÒu hßa cã thÓ bÞ gi÷ ë tÕ bµo chÊt bëi sù liªn kÕt víi mét protein øc chÕ hoÆc víi mµng tÕ bµo; hoÆc bëi nã ë d¹ng cÊu h×nh lµm che khuÊt tr×nh tù (peptide) tÝn hiÖu ®−îc bé m¸y vËn chuyÓn nhËn biÕt. Sù vËn chuyÓn c¸c yÕu tè ®iÒu hßa vµo nh©n tÕ bµo cã thÓ ®−îc thùc hiÖn qua sù ph©n gi¶i mét protein øc chÕ (hoÆc mét protein b¾t gi÷ yÕu tè ®iÒu hßa t¹i tÕ bµo chÊt) hoÆc bëi sù biÕn ®æi “dÞ h×nh” cña c¸c protein cã liªn quan. c) C¸c protein ho¹t hãa vµ øc chÕ ®«i khi cã tÝnh ph©n m¶nh Nh×n chung, chóng ta th−êng m« t¶ c¸c protein ®iÒu hßa (ho¹t hãa vµ øc chÕ) ë nh÷ng d¹ng ®¬n gi¶n nhÊt. Nh−ng thùc tÕ, chóng th−êng cã d¹ng phøc t¹p h¬n. Ch¼ng h¹n, trong nhiÒu tr−êng hîp c¸c yÕu tè ho¹t hãa cã tÝnh ph©n m¶nh. NghÜa lµ, hai miÒn liªn kÕt ADN vµ ho¹t hãa t¸ch biÖt nhau trªn hai chuçi polypeptide kh¸c nhau. Vµ, chØ khi chóng cïng liªn kÕt trªn ADN th× yÕu tè ho¹t hãa hoµn chØnh míi h×nh thµnh. Ngoµi ra, khi t×m hiÓu c¸ch thøc ®iÒu khiÓn cña mét sè yÕu tè ®iÒu hßa, mét ®Æc ®iÓm ®−îc nhËn thÊy lµ: mét sè yÕu tè ®iÒu hßa cã tÝnh ho¹t hãa hay øc chÕ cßn phô thuéc vµo b¶n chÊt vµ sù s¾p xÕp vÞ trÝ liªn kÕt trªn ADN cña chóng. H·y xem vÝ dô vÒ thô thÓ glucocorticoid (GR) d−íi ®©y. Khi kh«ng cã ligand, GR bÞ gi÷ l¹i tÕ bµo chÊt do liªn kÕt víi protein hsp90. Khi cã ligand, GR ®−îc gi¶i phãng khái hsp90 vµ ®−îc chuyÓn vµo nh©n tÕ bµo. Khi ®· ë trong nh©n, GR cã hai vÞ trÝ liªn kÕt. Khi GR liªn kÕt vµo vÞ trÝ thø nhÊt, chóng ho¹t hãa gen; nh−ng khi liªn kÕt vµo vÞ trÝ thø hai, chóng øc chÕ sù biÓu hiÖn cña gen. VËy sù ho¹t hãa vµ øc chÕ nµy x¶y ra thÕ nµo? Khi liªn kÕt vµo vÞ trÝ thø hai, GR cã cÊu h×nh dÔ liªn kÕt víi histone deacetylase, do vËy th−êng g©y øc chÕ c¸c gen l©n cËn. Nh−ng khi liªn kÕt víi vÞ trÝ thø nhÊt, GR cã cÊu h×nh kh«ng liªn kÕt ®−îc víi histone deacetylase, mµ thay vµo ®ã, nã liªn kÕt víi mét ph©n tö kh¸c lµ CBP. Phøc hÖ GR/CBP dÉn ®Õn sù ho¹t hãa mét sè gen gÇn kÒ, mét phÇn bëi CBP cã ho¹t tÝnh histone acetylase, mét phÇn nã cã t¸c ®éng huy ®éng c¸c thµnh phÇn cña bé m¸y phiªn m· (ë ®éng vËt cã vó, CBP tham gia ho¹t hãa nhiÒu gen, trong ®ã cã β-interferon ë ng−êi). C¸c kh¸i niÖm “yÕu tè ®ång ho¹t hãa” hay “yÕu tè ®ång øc chÕ” th−êng ®−îc dïng ®Ó chØ c¸c protein kh«ng trùc tiÕp tham gia vµo bé m¸y phiªn m·, ®ång thêi kh«ng ph¶i lµ 163

§inh §oµn Long c¸c yÕu tè ®iÒu hßa phiªn m· trùc tiÕp, nh−ng chóng cã liªn quan ®Õn ho¹t ®éng ®iÒu hßa phiªn m·. ë ®©y, CBP lµ mét vÝ dô vÒ yÕu tè “®ång ho¹t hãa”. C¸c kh¸i niÖm nµy còng ®−îc dïng ®Ó chØ c¸c phøc hÖ c¶i biÕn nucleosome. 5.3.3. BÝt gen qua biÕn ®æi histone vµ ADN Trªn ®©y, chóng ta míi chØ ®Ò cËp ®Õn sù ®iÒu hßa ho¹t ®éng gen bëi c¸c protein ®iÒu hßa g¾n kÕt gÇn vÞ trÝ c¸c gen vµ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña chóng. C¸c hiÖu øng nµy th−êng cã tÝnh côc bé vµ ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c tÝn hiÖu ngo¹i bµo. ë ®©y, chóng ta ®Ò cËp ®Õn mét sè c¬ chÕ bÝt gen (gene blocking). BÝt gen ë ®©y lµ mét hiÖu øng vÞ trÝ, nghÜa lµ gen bÞ bÝt lµ do vÞ trÝ cña nã trªn NST, chø kh«ng ph¶i do ®¸p øng l¹i c¸c tÝn hiÖu m«i tr−êng. BÝt gen cã thÓ lan táa däc ph©n tö ADN, lµm t¾t sù biÓu hiÖn cña nhiÒu gen, thËm chÝ ë mét vÞ trÝ rÊt xa kÓ tõ vÞ trÝ b¾t ®Çu x¶y ra sù “bÝt gen”. Dï cã kh¸c biÖt, nh−ng nh÷ng c¬ chÕ “bÝt gen” nh×n chung ®Òu dùa trªn c¸c nguyªn lý ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ®· nªu. KiÓu bÝt gen phæ biÕn nhÊt lµ “d¹ng kÕt ®Æc” cña chÊt nhiÔm s¾c gäi lµ dÞ nhiÔm s¾c. DÞ nhiÔm s¾c lµ vïng chÊt nhiÔm s¾c cã møc ®é kÕt ®Æc cao h¬n so víi nguyªn nhiÔm s¾c. Do ®ã, khi quan s¸t d−íi kÝnh hiÓn vi quang häc, vïng dÞ nhiÔm s¾c ®−îc ph©n biÖt b»ng sù b¾t mµu thuèc nhuém m¹nh h¬n. DÞ nhiÔm s¾c g¾n liÒn víi mét sè vïng trªn NST, ®Æc biÖt lµ t©m ®éng vµ ®Çu mót. T©m ®éng vµ ®Çu mót lµ hai vïng trªn NST th−êng chøa c¸c ®o¹n ADN lÆp l¹i ë møc ®é cao vµ mang rÊt Ýt (thËm chÝ kh«ng cã) gen m· hãa protein. NÕu mét gen ®−îc chuyÓn vµo hai vïng nµy, th−êng th× chóng sÏ kh«ng ho¹t ®éng. Thùc tÕ, trªn NST cã nh÷ng vïng dÞ nhiÔm s¾c kh¸c cã thÓ g©y hiÖu øng t−¬ng tù. ë ®éng vËt cã vó, kho¶ng 50% hÖ gen ë d¹ng dÞ nhiÔm s¾c. CÊu tróc dÞ nhiÔm s¾c cã thÓ bÞ biÕn ®æi bëi mét sè enzym c¶i biÕn histone, qua ®ã ¶nh h−ëng ®Õn sù béc lé cña ADN trong c¸c qu¸ tr×nh sao chÐp, t¸i tæ hîp ADN vµ phiªn m·. ë eukaryote, c¶ sù ho¹t hãa còng nh− øc chÕ phiªn m· ®Òu th−êng cã liªn quan ®Õn sù thay ®æi cÊu tróc nucleosome. BÝt gen còng cã thÓ x¶y ra do sù methyl hãa ADN bëi c¸c enzym ADN methylase. KiÓu bÝt gen nµy kh«ng thÊy cã ë nÊm men, nh−ng rÊt phæ biÕn ë ®éng vËt cã vó. Sù methyl hãa c¸c tr×nh tù ADN cã thÓ øc chÕ sù liªn kÕt cña c¸c protein ®iÒu hßa, thËm chÝ cña c¶ bé m¸y dÞch m·. Nh−ng sù methyl hãa còng cã thÓ øc chÕ sù biÓu hiÖn cña gen theo mét sè c¸ch kh¸c, ch¼ng h¹n nh− c¸c tr×nh tù bÞ methyl hãa ®−îc nhËn biÕt bëi c¸c protein øc chÕ ®Æc hiÖu vµ qua ®ã c¸c protein nµy lµm t¾t sù biÓu hiÖn cña c¸c gen l©n cËn, hoÆc ®«i khi lµm bÊt ho¹t gen qua viÖc huy ®éng enzym histone deacetylase. 5.3.3.1. BÝt gen ë nÊm men ®−îc thùc hiÖn qua methyl hãa vµ lo¹i acetyl hãa histone ë nÊm men Saccharomyces cereviseae, ®Çu mót lµ mét trong nh÷ng vïng gen bÞ bÝt (h×nh 5.24). §ã lµ mét ®o¹n NST cã kÝch th−íc kho¶ng 1 – 5 kb, kÕt ®Æc vµ gÊp khóc. C¸c gen khi ®−îc chuyÓn ®Õn vïng nµy th−êng bÞ bÊt ho¹t (®Æc biÖt ®èi víi c¸c gen vèn ®· ho¹t ®éng yÕu t¹i vÞ trÝ nguyªn thñy cña nã). ChÊt nhiÔm s¾c ë ®Çu mót ®−îc acetyl hãa ë møc thÊp h¬n so víi c¸c vïng kh¸c cña NST vµ c¸c gen chØ ®−îc biÓu hiÖn yÕu. 164

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen §o¹n ®Çu mót 1 - 5 kb Protein RAP1 Nhãm acetyl Protein SIR2 C¸c protein SIR3 vµ SIR4 H×nh 5.24. Sù bÝt gen t¹i ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ ë nÊm men. Protein RAP1 huy ®éng phøc hÖ SIR tíi ®Çu mót. T¹i ®©y, mét thµnh phÇn cña phøc hÖ nµy (SIR2) xóc t¸c ph¶n øng lo¹i nhãm acetyl khái ®o¹n ®u«i cña histone. §o¹n ®Çu mót mang c¸c nucleosome bÞ lo¹i acetyl nµy sau ®ã sÏ liªn kÕt víi SIR3 vµ SIR4, lµm phøc hÖ SIR ngµy cµng trë nªn tËp trung h¬n. Trong ®iÒu kiÖn ®ã, SIR2 tiÕp tôc xóc t¸c ph¶n øng lo¹i acetyl ë c¸c nucleosome l©n cËn. VÝ dô nµy minh häa cho hiÖu øng bÝt gen lan táa g©y ra bëi sù c¶i biÕn nucleosome (ë ®©y, lµ sù lo¹i acetyl hãa ®o¹n ®u«i cña histone). Cã ba gen m· hãa cho c¸c protein ®iÒu hßa g©y bÝt gen, cã tªn lµ SIR2, 3 vµ 4. Ba protein ®−îc c¸c gen nµy m· hãa h×nh thµnh nªn phøc hÖ bÝt gen t¹i vïng chÊt nhiÔm s¾c mµ chóng g¾n vµo. Trong c¸c protein nµy, SIR2 lµ mét histone deacetylase. Phøc hÖ bÝt gen ®−îc huy ®éng tíi ®Çu mót bëi mét protein liªn kÕt ADN ®Æc hiÖu víi tr×nh tù lÆp l¹i ë ®Çu mót (protein RAP1). Sù huy ®éng nµy khëi ®Çu cho ho¹t ®éng lo¹i nhãm acetyl t¹i ®o¹n ®u«i histone. C¸c histone bÞ lo¹i acetyl ®−îc “phøc hÖ bÝt gen” nhËn ra, råi sau ®ã hiÖn t−îng lo¹i acetyl hãa lan táa däc theo NST, t¹o nªn mét vïng dÞ nhiÔm s¾c kÕt ®Æc. Nh−ng, t¹i sao sù lan táa nµy chØ giíi h¹n ë vïng ®Çu mót (vµ c¸c vïng gen bÞ “bÝt” kh¸c)? §ã lµ do cã mét sè c¬ chÕ kh¸c lµm c¶n trë sù sù lan táa hiÖu øng cña SIR2. Trong ®ã, ë ®©y sù methyl hãa ®o¹n ®u«i cña histone H3 ®−îc xem lµ nguyªn nh©n g©y nªn hiÖn t−îng nµy. C¸c enzym histone methylase th−êng g¾n nhãm methyl vµo ®o¹n ®u«i histone (cô thÓ, lµ t¹i mét axit amin Lys ®Æc thï thuéc ®o¹n ®u«i cña c¸c histone H3 vµ H4). ë nÊm men S. cereviseae, ho¹t ®éng cña histone methylase ®−îc t×m thÊy cã liªn quan ®Õn sù øc chÕ mét sè gen, vµ ng¨n c¶n sù lan táa hiÖu øng bÝt gen cña SIR2. Nh−ng, c¸c nghiªn cøu vÒ enzym histone methylase ®èi víi ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ®Õn nay ®−îc biÕt râ h¬n ë loµi nÊm men Schizosaccharomyces pombe vµ mét sè loµi eukaryote kh¸c. Nh×n chung, sù bÝt gen ®iÓn h×nh kh«ng chØ liªn quan ®Õn sù lo¹i nhãm acetyl khái c¸c histone, mµ th−êng ®ång thêi liªn quan ®Õn sù methyl hãa. Tuy vËy, sù methyl hãa cã thÓ g©y hiÖu øng biÓu hiÖn gen kh¸c nhau, tïy thuéc vµo vÞ trÝ ph¶n øng x¶y ra. Ch¼ng h¹n, ë nÊm men S. pombe, nÕu sù methyl hãa Lys sè 9 cña ®o¹n ®u«i histone H3 th−êng ®i ®«i víi sù bÝt gen vµ lµ dÊu hiÖu h×nh thµnh vïng dÞ nhiÔm s¾c, th× sù methyl hãa ë Lys sè 4 còng thuéc ®o¹n ®u«i nµy l¹i lµm t¨ng c−êng sù biÓu hiÖn cña gen. 5.3.3.2. Sù c¶i biÕn histone vµ gi¶ thiÕt m· histone Cã ý kiÕn cho r»ng cã sù tån t¹i cña m· histone. Theo quan ®iÓm nµy, c¸c kiÓu biÕn ®æi kh¸c nhau cña histone cã thÓ ®−îc “®äc” vµ “hiÓu” theo c¸c nghÜa kh¸c nhau. H·y xem vÝ dô ë S. pombe liªn quan ®Õn Lys sè 9 cña ®o¹n ®u«i histone H3. Sù biÕn ®æi kh¸c nhau t¹i vÞ trÝ nµy ®−îc “hiÓu” theo nghÜa kh¸c nhau. Khi axit amin nµy ®−îc g¾n nhãm acetyl, c¸c gen th−êng biÓu hiÖn m¹nh. Lóc ®ã, axit amin nµy ®−îc mét sè enzym histone acetylase nhËn biÕt vµ thóc ®Èy sù acetyl hãa c¸c nucleosome l©n cËn. Nh−ng khi axit amin Lys 9 kh«ng ®−îc acetyl hãa, c¸c gen th−êng bÞ bÝt. C¸c histone kh«ng ®−îc acetyl hãa cã xu h−íng huy ®éng c¸c enzym deacetylase (lo¹i nhãm acetyl), v× vËy t¨ng c−êng sè c¸c histone kh«ng ®−îc acetyl hãa (gièng nh− kiÓu bÝt gen lan táa ë S. 165

§inh §oµn Long cereviseae). ë mét sè loµi, viÖc axit amin Lys 9 bÞ methyl hãa lµ “dÊu hiÖu” ®Ó mét sè protein ®Æc thï liªn kÕt vµo vµ duy tr× tr¹ng th¸i dÞ nhiÔm s¾c. Sù c¶i biÕn ®o¹n ®u«i histone kh«ng chØ ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn chøc n¨ng nucleosome, mµ cßn t¹o ra c¸c vÞ trÝ liªn kÕt cña protein. Cã hai lo¹i miÒn protein ®Æc hiÖu ®iÒu hßa ho¹t ®éng t−¬ng t¸c nµy gäi lµ miÒn bromo vµ miÒn chromo. C¸c protein chøa miÒn bromo th× t−¬ng t¸c víi ®o¹n ®u«i histone bÞ acetyl hãa, cßn c¸c protein chøa miÒn chromo t−¬ng t¸c víi ®o¹n ®u«i histone bÞ methyl hãa. ¶nh h−ëng cña sù c¶i biÕn ®o¹n ®u«i histone ®Õn sù biÓu hiÖn cña gen th«ng qua c¸c protein ®iÒu hßa trung gian mang c¸c miÒn bromo vµ chromo sÏ ®−îc ®Ò cËp thªm ë ch−¬ng 7. 5.3.3.3. Methyl hãa ADN liªn quan ®Õn sù bÝt gen ë ®éng vËt cã vó Mét sè gen ®éng vËt cã vó bÞ bÝt bëi hiÖn t−îng methyl hãa ADN. Thùc tÕ, phÇn lín hÖ gen ®éng vËt cã vó ®−îc “ghi nhí” theo c¸ch nµy. Ngoµi ra, c¸c ®o¹n ADN bÞ methyl hãa th−êng liªn quan tíi c¸c vïng dÞ nhiÔm s¾c. §ã lµ do c¸c tr×nh tù ADN bÞ methyl hãa th−êng ®−îc mét sè protein ®Æc biÖt (nh− MeCP2) nhËn biÕt, råi chóng l¹i tiÕp tôc huy ®éng c¸c enzym histone deacetylase vµ histone methylase. Nh÷ng enzym nµy sau ®ã xóc t¸c lµm biÕn ®æi c¸c vïng chÊt nhiÔm s¾c ë gÇn. KÕt qu¶ lµ sù methyl hãa cã tÝnh lan táa vµ c¸c vïng bÞ methyl hãa th−êng chuyÓn thµnh vïng dÞ nhiÔm s¾c (h×nh 5.25). HiÖn t−îng methyl hãa ADN lµ c¬ së cña hiÖn t−îng in vÕt ADN (DNA imprinting) ®−îc m« t¶ sau ®©y. Chóng ta biÕt r»ng, trong c¸c tÕ bµo l−ìng béi, hÇu hÕt c¸c gen ®Òu tån t¹i víi hai b¶n sao (chóng n»m trªn cÆp NST t−¬ng ®ång). Mét b¶n sao cã nguån gèc tõ bè, cßn mét b¶n sao cã nguån gèc tõ mÑ. Trong phÇn lín tr−êng hîp, hai b¶n sao (hoÆc alen) nµy ®−îc biÓu hiÖn t−¬ng ®−¬ng. Bëi v×, c¸c b¶n sao cña cïng mét locut gen th−êng mang c¸c tr×nh tù ®iÒu hßa gièng nhau vµ ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c protein ®iÒu hßa chung. Ngoµi ra, trªn NST, vÝ trÝ cña chóng còng th−êng t−¬ng ®ång (nªn chóng cã xu h−íng gièng nhau vÒ tr¹ng th¸i methyl hãa; hoÆc chÞu t¸c ®éng nh− nhau tõ c¸c enzym c¶i biÕn histone). Nh−ng trong mét sè tr−êng hîp, chØ mét trong hai b¶n sao ho¹t ®éng, cßn b¶n sao cßn l¹i bÞ “t¾t”. VÝ dô ®iÓn h×nh vÒ hiÖn t−îng “in vÕt ADN” nh− vËy ë ng−êi lµ c¸c gen H19 vµ Igf2 n»m gÇn nhau trªn cïng NST sè 11. Trong mçi tÕ bµo, chØ mét b¶n sao cña H19 (trªn NST xuÊt xø tõ mÑ) ho¹t ®éng, cßn b¶n sao kia (xuÊt xø tõ bè) bÞ “t¾t”. Ng−îc l¹i, víi gen Igf2, b¶n sao tõ bè th× “bËt”, cßn b¶n sao tõ mÑ th× “t¾t”. Trong sù chuyªn hãa biÓu hiÖn c¸c gen H19 vµ Igf2, cã hai tr×nh tù quan träng (h×nh 5.26). §ã lµ mét tr×nh tù t¨ng c−êng n»m xu«i dßng gen H19, vµ mét tr×nh tù c¸ch li n»m gi÷a hai gen. Tr×nh tù t¨ng c−êng (sau khi liªn kÕt víi yÕu tè ho¹t hãa cña nã) cã thÓ ho¹t hãa c¶ hai gen H19 vµ Igf2. Nh−ng t¹i sao nã chØ ho¹t hãa gen H19 cã nguån gèc tõ mÑ vµ gen Igf2 cã nguån gèc tõ bè? C©u tr¶ lêi lµ: do tr¹ng th¸i methyl hãa cña tr×nh tù c¸ch li trªn hai NST cã nguån gèc tõ mÑ vµ bè lµ kh¸c nhau. Së dÜ tr×nh tù t¨ng c−êng kh«ng ho¹t hãa ®−îc gen Igf2 tõ mÑ lµ v×: trªn NST nµy, mét protein (gäi lµ yÕu tè c¸ch li CTCF) ®Ýnh kÕt vµo tr×nh tù c¸ch li, lµm c¶n trë sù t−¬ng t¸c gi÷a gen Igf2 víi yÕu tè ho¹t hãa liªn kÕt t¹i tr×nh tù t¨ng c−êng. Ng−îc l¹i, trªn NST tõ bè, c¸c tr×nh tù c¸ch li vµ promoter cña gen H19 bÞ methyl hãa. ë tr¹ng th¸i nµy, bé m¸y phiªn m· kh«ng liªn kÕt ®−îc víi promoter H19, ®ång thêi CTCF kh«ng liªn kÕt ®−îc víi tr×nh tù c¸ch li. KÕt qu¶ lµ, tr×nh tù t¨ng c−êng cã thÓ ho¹t hãa ®−îc gen Igf2. Ngoµi ra, gen H19 cßn bÞ øc chÕ bæ sung bëi sù liªn kÕt cña protein MeCP2 vµo tr×nh tù bÞ methyl hãa trªn NST tõ bè (ë trªn, chóng ta ®· biÕt MeCP2 cã vai trß huy ®éng histone deacetylase lµm øc chÕ gen). 166

Gen ®−îc ho¹t hãa ▼ Protein ho¹t hãa Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen Gen kh«ng ®−îc ho¹t hãa ▼ ADN ®−îc Gen kh«ng ®−îc methyl hãa ho¹t hãa C¸c thµnh phÇn phøc Protein liªn kÕt Gen kh«ng biÓu hiÖn hÖ khëi ®Çu phiªn m· vµo ®o¹n ADN ®−îc methyl hãa Gen kh«ng biÓu hiÖn H×nh 5.25. BÝt gen bëi sù methyl hãa ADN vµ c¶i Histone biÕn nucleosome. Khi kh«ng cã sù c¶i biÕn Phøc hÖ t¸i cÊu nucleosome, gen ®−îc \"bËt\" hay \"t¾t\" phô thuéc vµo sù tróc nucleosome deacetylase cã mÆt cña c¸c yÕu tè ho¹t hãa vµ bé m¸y phiªn m· (minh häa trªn hµng ®Çu tiªn). Tuy vËy, do \"kÏ hë\", gen Gen hoµn toµn kh«ng biÓu hiÖn vÉn biÓu hiÖn ë møc ®é c¬ b¶n. §Ó lµm \"t¾t\" hoµn toµn mét gen ë eukaryote th−êng liªn quan ®Õn sù methyl hãa ADN vµ c¶i biÕn nucleosome. Khi mét gen kh«ng ®−îc phiªn m·, ADN methylase cã thÓ methyl hãa cytosine n»m trong promoter, trong gen hoÆc trong c¸c tr×nh tù enhancer. Nh÷ng methylcytosine nµy ®−îc mét sè protein (nh− MeCP2) nhËn ra vµ g¾n vµo. Nh÷ng protein nµy sau ®ã huy ®éng enzym deacetylase vµ phøc hÖ t¸i cÊu tróc nucleosome lµm t¾t hoµn toµn sù biÓu hiÖn cña gen (Watson, 2004). a) NhiÔm s¾c thÓ cña mÑ H19 Gen biÓu hiÖn YÕu tè c¸ch li CTCF Igf2 Gen kh«ng biÓu hiÖn Tr×nh tù c¸ch li Tr×nh tù t¨ng c−êng b) NhiÔm s¾c thÓ cña bè Igf2 Me Me Me Me Me Me Gen biÓu hiÖn Tr×nh tù c¸ch li GHe1n9kh«ng biÓu hiÖn Tr×nh tù t¨ng c−êng H×nh 5.26. In vÕt ADN (DNA imprinting). H×nh nµy minh häa vÝ dô vÒ sù in vÕt ADN, ®ã lµ c¸c gen Igf2 vµ H19 ë ®éng vËt cã vó. ë mçi tÕ bµo, chØ cã gen H19 trªn NST mÑ vµ gen Igf2 trªn NST bè biÓu hiÖn. Tr¹ng th¸i methyl hãa tr×nh tù c¸ch li cã vai trß quyÕt ®Þnh viÖc liÖu yÕu tè c¸ch li CTCF cã ng¨n c¶n ®−îc ho¹t ®éng cña yÕu tè t¨ng c−êng (n»m xu«i dßng gen H19 vµ Igf2) hay kh«ng. 5.3.3.4. Mét sè tr¹ng th¸i biÓu hiÖn gen ®−îc di truyÒn qua ph©n bµo, kÓ c¶ khi kh«ng cßn tÝn hiÖu kÝch øng biÓu hiÖn gen §«i khi sù biÓu hiÖn cña mét gen ®−îc di truyÒn qua ph©n bµo. Trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn c¸ thÓ, mét ph©n tö tÝn hiÖu ®−îc gi¶i phãng tõ mét tÕ bµo nhÊt ®Þnh cã thÓ lµm “bËt” hoÆc “t¾t” mét sè gen ë c¸c tÕ bµo l©n cËn. Nh÷ng gen nµy cã thÓ duy tr× tr¹ng 167

§inh §oµn Long th¸i “bËt” hoÆc “t¾t” t−¬ng øng qua nhiÒu thÕ ph©n bµo kÕ tiÕp, kÓ c¶ khi ph©n tö tÝn hiÖu kh«ng cßn n÷a. Sù di truyÒn vÒ kh¶ n¨ng biÓu hiÖn cña gen nh− vËy ®−îc gäi lµ sù di truyÒn ngo¹i sinh. Sù in vÕt ADN nªu trªn còng lµ mét vÝ dô vÒ di truyÒn ngo¹i sinh. Sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen qua c¬ chÕ di truyÒn ngo¹i sinh d−êng nh− ng−îc l¹i c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ®· ®−îc ®Ò cËp trªn ®©y. Theo ®ã, sù ho¹t hãa cña gen th−êng liªn quan ®Õn sù cã mÆt cña mét ph©n tö tÝn hiÖu, truyÒn tin qua mét protein ho¹t hãa. Nh− ë vi khuÈn, operon Lac chØ thùc sù ho¹t ®éng khi ®ång thêi cã hai tÝn hiÖu lµ cã lactose vµ kh«ng cã glucose. ë nÊm men, gen GAL chØ biÓu hiÖn khi cã galactose ®ång thêi kh«ng cã glucose. ë ng−êi, gen β-interferon chØ ho¹t ®éng khi tÕ bµo bÞ virut l©y nhiÔm. Khi kh«ng cã nh÷ng tÝn hiÖu nµy, c¸c gen trªn ë tr¹ng th¸i “t¾t”. ë ®©y, sù c¶i biÕn ADN vµ nucleosome lµ c¬ së cña di truyÒn häc ngo¹i sinh. H·y xem tr−êng hîp mét gen bÞ “t¾t” bëi sù methyl hãa histone côc bé. Khi vïng NST bÞ methyl hãa ®−îc sao chÐp trong ph©n bµo, c¸c histone bÞ methyl hãa tõ c¸c ph©n tö ADN bè, mÑ sÏ ph©n bè (t−¬ng ®èi) ®Òu vÒ hai tÕ bµo con. Nh− vËy, mçi ph©n tö ADN con ®Òu mang mét sè nucleosome ®−îc methyl hãa vµ mét sè kh«ng ®−îc methyl hãa. C¸c nucleosome ®−îc methyl hãa sÏ huy ®éng c¸c protein chøa miÒn chromo, bao gåm c¸c histone methylase. Nh÷ng enzym nµy sÏ methyl hãa c¸c histone ch−a ®−îc methyl hãa ë gÇn. Qua ®ã, mét m¹ch ADN con sinh ra sau t¸i b¶n ADN, nÕu cã Ýt histone ®−îc methyl hãa sÏ huy ®éng ®−îc Ýt enzym methylase h¬n so víi m¹ch ADN cã nhiÒu histone ®−îc methyl hãa. B»ng c¸ch nµy, tr¹ng th¸i methyl hãa cña chÊt nhiÔm s¾c ®−îc duy tr× qua ph©n bµo. H×nh 5.27 cho thÊy sù methyl hãa ADN cã thÓ di truyÒn æn ®Þnh h¬n qua c¬ chÕ ho¹t ®éng cña c¸c enzym duy tr× methyl hãa. Nh÷ng enzym nµy xóc t¸c ph¶n øng methyl hãa c¸c ph©n ®o¹n trªn ph©n tö ADN ®· ®−îc methyl hãa mét phÇn trong qu¸ tr×nh t¸i b¶n ADN ®Ó thu ®−îc ph©n ®o¹n methyl hãa hoµn toµn. Trong vÝ dô nµy, enzym duy tr× methyl hãa nhËn ra ph©n ®o¹n ®−îc methyl hãa mét nöa vµ bæ sung nhãm Me Me 5’ 3’ 5’ 3’ A C G T A T C G T methyl hãa A C G T A T C G T Cytosine (C) kh«ng Sao chÐp ADN ADN TG CATA GCA ®−îc methyl hãa Me TG CATA GCA 5’ 3’ 5’ 3’ Me 5’ 3’ Enzym duy tr× Enzym duy tr× Me methylase kh«ng methylase AC G TA T CG T 3’ nhËn ra C nµy TG CATA GCA AC G TA T CG T 3’ 5’ Me 3’ 5’ 5’ AC G TA T CG T methyl hãa TG CATA GCA ADN TG CATA GCA 3’ 5’ 3’ 5’ Me Me H×nh 5.27. KiÓu methyl hãa ADN cã thÓ ®−îc duy tr× qua ph©n bµo (nguån: Alberts et al., 2002). 168

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen methyl vµo cytosine (C) ch−a ®−îc methyl hãa. Enzym nµy kh«ng nhËn biÕt ®−îc c¸c nucleotide C ë ph©n ®o¹n kh«ng ®−îc methyl hãa. KÕt qu¶ lµ, hai ph©n tö ADN con cã tr¹ng th¸i methyl hãa gièng nhau vµ gièng ph©n tö ADN gèc. Trong tÕ bµo ®éng vËt cã vó, sù methyl hãa ADN lµ “dÊu hiÖu c¬ b¶n” cho biÕt mét vïng hÖ gen cã ®−îc biÓu hiÖn kh«ng. Sau sù t¸i b¶n ADN, c¸c vÞ trÝ ®−îc methyl hãa mét phÇn th−êng ®−îc chuyÓn thµnh tr¹ng th¸i methyl hãa hoµn toµn. Nh÷ng vïng nµy ®ång thêi ®−îc protein MeCP2 nhËn biÕt vµ huy ®éng c¸c enzym c¶i biÕn nucleosome kh¸c lµm t¸i bÊt ho¹t sù biÓu hiÖn cña gen, thËm chÝ chuyÓn chóng thµnh dÞ nhiÔm s¾c (h×nh 5.25). 5.3.4. §iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote qua khëi ®Çu phiªn m· 5.3.4.1. C¸c yÕu tè ho¹t hãa huy ®éng bé m¸y phiªn m· tíi c¸c gen ë vi khuÈn, mét c¬ chÕ phæ biÕn lµ c¸c yÕu tè ho¹t hãa thóc ®Èy sù phiªn m· c¸c gen qua viÖc ®ång thêi liªn kÕt víi ADN vµ ARN polymerase ®Ó huy ®éng enzym tíi vÞ trÝ cña gen. C¸c yÕu tè ho¹t hãa ë eukaryote còng ho¹t ®éng theo c¸ch nµy, nh−ng rÊt hiÕm khi cã sù t−¬ng t¸c trùc tiÕp gi÷a chóng víi ARN polymerase. Thay vµo ®ã, c¸c yÕu tè ho¹t hãa th−êng huy ®éng ARN polymerase gi¸n tiÕp theo hai c¸ch. C¸ch thø nhÊt, c¸c yÕu tè ho¹t hãa t−¬ng t¸c víi c¸c thµnh phÇn trung gian cña bé m¸y phiªn m· (chø kh«ng ph¶i ARN polymerase), cßn ®−îc gäi lµ c¸c chÊt m«i giíi trung gian; sau ®ã, chÊt m«i giíi trung gian huy ®éng ARN polymerase tíi promoter. C¸ch thø hai, c¸c yÕu tè ho¹t hãa huy ®éng c¸c yÕu tè c¶i biÕn nucleosome vµ lµm thay ®æi chÊt nhiÔm s¾c ®Ó bé m¸y phiªn m· dÔ dµng tiÕp cËn c¸c gen Tr×nh tù h¬n, nhê ®ã ARN polymerase cã thÓ liªn t¨ng c−êng kÕt vµo promoter vµ khëi ®Çu phiªn m·. Cã khi, c¸c yÕu tè ho¹t hãa ®ång thêi ho¹t YÕu tè ChÊt m«i giíi ®éng theo c¶ hai c¸ch (h×nh 5.28). ho¹t hãa Sù phiªn m· ë eukaryote th−êng trung gian (mediator) cÇn mét sè lín c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau. Trong nhiÒu tr−êng hîp, bé m¸y phiªn TFIID m· ®−îc huy ®éng tíi gen ë d¹ng phøc hÖ ARN poiymerase II duy nhÊt (gåm nhiÒu protein liªn kÕt víi nhau) gäi lµ holoenzym. Phøc hÖ holoenzym nµy th−êng ®ång thêi gåm c¸c Hép TATA chÊt m«i giíi trung gian, ARN H×nh 5.28. Ho¹t hãa sù khëi ®Çu phiªn m ë polymerase, vµ mét sè yÕu tè phiªn m· kh¸c. ChØ mét sè Ýt c¸c yÕu tè cßn l¹i ®−îc eukaryote qua sù huy ®éng phøc hÖ phiªn m . ë ®©y, yÕu tè ho¹t hãa cã thÓ huy ®éng trùc tiÕp yÕu tè khëi ®Çu huy ®éng tíi gen mét c¸ch rêi r¹c (vÝ dô: phiªn m· TFIID, vµ gi¸n tiÕp huy ®éng ARN polymerase II th«ng qua chÊt m«i giíi trung gian. Trong thùc tÕ, sù TFIID hay TFIIE). Sù huy ®éng nh÷ng huy ®éng nµy cã thÓ liªn quan ®Õn nhiÒu h¬n mét protein yÕu tè nµy cã thÓ trùc tiÕp do cña c¸c yÕu ho¹t hãa. tè ho¹t hãa hoÆc do c¸c yÕu tè kh¸c thuéc holoenzym. 5.3.4.2. C¸c yÕu tè ho¹t hãa huy ®éng c¸c yÕu tè c¶i biÕn nucleosome lµm t¨ng kh¶ n¨ng tiÕp cËn promoter cña bé m¸y phiªn m· Ngoµi c¬ chÕ huy ®éng trùc tiÕp, c¸c yÕu tè ho¹t hãa còng cã thÓ huy ®éng c¸c yÕu tè c¶i biÕn nucleosome ®Ó ho¹t hãa c¸c gen bÞ “bÝt” trong chÊt nhiÔm s¾c. C¸c yÕu tè c¶i biÕn nucleosome xuÊt hiÖn ë hai d¹ng. D¹ng thø nhÊt bæ sung c¸c nhãm chøc vµo ®o¹n 169

§inh §oµn Long ®u«i cña c¸c histone, vÝ dô nh− c¸c histone acetylase. D¹ng thø hai cã t¸c dông t¸i cÊu tróc nucleosome, vÝ dô nh− phøc hÖ SWI/SNF (sö dông n¨ng l−îng tõ ATP). H×nh 5.29 m« t¶ hai m« h×nh c¬ b¶n gióp gi¶i thÝch b»ng c¸ch nµo sù c¶i biÕn nucleosome g©y nªn bëi c¸c yÕu tè trªn ®©y cã thÓ ho¹t hãa ®−îc gen. §Çu tiªn, sù t¸i cÊu tróc lµm béc lé c¸c vÞ trÝ liªn kÕt trªn ph©n tö ADN (tr−íc ®ã n»m ë vÞ trÝ bÞ “bÝt” cña nucleosome). Sù t¸i cÊu tróc nµy hoÆc sù bæ sung nhãm acetyl vµo ®o¹n ®u«i cña histone vµ cña c¸c nucleosome l©n cËn cã thÓ lµm t¨ng sù “láng lÎo” cña c¸c nucleosome vµ chÊt nhiÔm s¾c, dÉn ®Õn viÖc gi¶i phãng c¸c vÞ trÝ liªn kÕt trªn ADN. Ngoµi ra, sù bæ sung nhãm acetyl vµo ®o¹n ®u«i c¸c histone cßn ®ång thêi lµm thay ®æi kh¶ n¨ng liªn kÕt cña bé m¸y phiªn m· theo mét c¸ch kh¸c, ®ã lµ nã t¹o ra vÞ trÝ liªn kÕt trªn nucleosome víi c¸c protein mang miÒn bromo. Mét thµnh phÇn cña phøc hÖ TFIID mang miÒn bromo, nªn nã liªn kÕt víi c¸c nucleosome ®−îc acetyl hãa tèt h¬n so víi c¸c nucleosome kh«ng ®−îc acetyl hãa. Nh− vËy, mét gen cã promoter mang nhiÒu histone ®−îc acetyl hãa th−êng cã ¸i lùc víi bé m¸y phiªn m· cao h¬n khi kh«ng ®−îc acetyl hãa. Cã mét sè c©u hái ®−îc ®Æt ra lµ thµnh phÇn nµo cña bé m¸y phiªn m· vµ yÕu tè c¶i biÕn nucleosome nµo lµ thiÕt yÕu cho sù phiªn m· cña gen; thµnh phÇn nµo cÇn c¸c yÕu tè ho¹t hãa huy ®éng trùc tiÕp? C©u tr¶ lêi lµ ch−a râ. Nh−ng, c¸c b»ng chøng nh×n chung cho thÊy, mét sè thµnh phÇn cña bé m¸y phiªn m· (hoÆc c¸c yÕu tè c¶i biÕn nucleosome) cã thÓ quan träng víi gen nµy, nh−ng Ýt quan träng víi gen kh¸c. Sù kh¸c biÖt nµy ®«i khi còng kh«ng hoµn toµn râ rÖt. Nãi c¸ch kh¸c, trõ ARN polymerase lµ thiÕt yÕu cho sù biÓu hiÖn cña mäi gen, th× víi c¸c gen kh¸c nhau, sù phô thuéc vµo c¸c thµnh phÇn cña bé m¸y phiªn m·, còng nh− c¸c yÕu tè c¶i biÕn nucleosome cã thÓ rÊt kh¸c nhau, hoÆc thËm chÝ hoµn toµn kh«ng phô thuéc vµo nh÷ng yÕu tè nµy. Ngoµi ra, møc ®é yªu cÇu mét yÕu tè ®iÒu hßa cßn phô thuéc vµo hoµn c¶nh cô thÓ cña tÕ bµo, nh− c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau cña chu tr×nh tÕ bµo, hay vµo c¸c giai ®o¹n kh¸c nhau cña qu¸ YÕu tè Promoter YÕu tè Promoter ho¹t hãa ho¹t hãa Histone Phøc hÖ acetylase c¶i biÕn nucleosome Acetyl hãa histone T¸i cÊu tróc nucleosome Bé m¸y phiªn m· liªn Bé m¸y phiªn m· liªn kÕt vµo promoter kÕt vµo promoter H×nh 5.29. C¸c yÕu tè ho¹t hãa lµm thay ®æi cÊu tróc côc bé cña chÊt nhiÔm s¾c. a) C¬ chÕ th«ng qua sù huy ®éng c¸c enzym c¶i biÕn histone, nh− histone acetylase. b) C¬ chÕ th«ng qua sù huy ®éng phøc hÖ c¶i biÕn nucleosome, ch¼ng h¹n nh− SWI/SNF (nguån: Watson, 2004). 170

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen tr×nh ph¸t triÓn c¸ thÓ. Mét vÝ dô dÔ thÊy lµ trong nguyªn ph©n, khi c¸c NST ®ang co xo¾n “cùc ®¹i”, sù ho¹t hãa gen hÇu nh− kh«ng thÓ x¶y ra trõ khi enzym acetylase ®−îc huy ®éng ®Õn vÞ trÝ cña gen cÇn ®−îc biÓu hiÖn. 5.3.4.3. §iÒu hßa tõ xa: cÊu tróc vßng th¾t ADN vµ c¸c tr×nh tù c¸ch li RÊt nhiÒu yÕu tè ho¹t hãa gen ë eukaryote ho¹t ®éng tõ mét vÞ trÝ rÊt xa so víi vÞ trÝ cña gen. Ch¼ng h¹n, ë ®éng vËt cã vó, tr×nh tù enhancer cã thÓ n»m xu«i dßng hay ng−îc dßng, c¸ch gen hµng tr¨m kb. ë vi khuÈn, chóng ta ®· biÕt sù tån t¹i cña kiÓu ®iÒu hßa tõ xa. Nh−ng th−êng th× kho¶ng c¸ch tõ vÞ trÝ ®iÒu hßa ®Õn gen chØ vµi tr¨m bp vµ th−êng liªn quan ®Õn sù h×nh thµnh vßng th¾t ADN. Kho¶ng c¸ch nµy ®ñ gÇn ®Ó c¸c protein ®iÒu hßa t−¬ng t¸c ®−îc víi nhau. Nh−ng khi kho¶ng c¸ch nµy v−ît qu¸ vµi kb, th× kh¶ n¨ng t−¬ng t¸c cña chóng mÊt ®i. Cã mét sè m« h×nh ®−îc ®−a ra ®Ó gi¶i thÝch nhê ®©u ë eukaryote, gen cã thÓ ®−îc ho¹t hãa tõ mét tr×nh tù t¨ng c−êng ë rÊt xa gen. Mét m« h×nh nh− vËy lµ viÖc t×m thÊy nhiÒu protein liªn kÕt vµo vïng gi÷a tr×nh tù t¨ng c−êng vµ vïng m· hãa cña gen, dÉn ®Õn h×nh thµnh nhiÒu vßng th¾t liªn tiÕp, lµm tr×nh tù t¨ng c−êng ®−îc ®−a ®Õn gÇn gen h¬n. Mét m« h×nh kh¸c cho thÊy, chÊt nhiÔm s¾c ®«i khi còng cã nh÷ng cÊu h×nh ®Æc biÖt (vÝ dô: do sù c¶i biÕn cña c¸c histone vµ t¸i cÊu tróc nucleosome) gióp ®−a c¸c tr×nh tù t¨ng c−êng ®Õn gÇn gen. Nh−ng, nh×n chung c¬ chÕ ph©n tö cña c¸c hiÖn t−îng nµy ®Õn nay ch−a hoµn toµn s¸ng tá. NÕu mét tr×nh tù t¨ng c−êng cã thÓ ho¹t hãa mét gen c¸ch nã ®Õn 50 kb, th× yÕu tè nµo ng¨n c¶n nã kh«ng ho¹t hãa c¸c gen gÇn h¬n? Cã sù xuÊt hiÖn cña mét sè tr×nh tù ®Æc biÖt, gäi lµ c¸c tr×nh tù c¸ch li. Nh÷ng protein liªn kÕt vµo tr×nh tù nµy (gäi lµ c¸c yÕu tè c¸ch li) kiÓm so¸t ho¹t Gen biÓu hiÖn ®éng cña c¸c yÕu tè t¨ng c−êng. a) Khi n»m gi÷a mét tr×nh tù t¨ng Tr×nh tù Promoter t¨ng c−êng c−êng vµ promoter, c¸c yÕu tè c¸ch li sÏ øc chÕ sù ho¹t hãa gen bëi yÕu tè t¨ng c−êng. Nh− vÝ dô trªn b) Gen kh«ng biÓu hiÖn h×nh 5.30, yÕu tè c¸ch li kh«ng øc chÕ sù ho¹t hãa gen cña yÕu tè Tr×nh tù Tr×nh tù Promoter t¨ng c−êng nÕu nã kh«ng n»m t¨ng c−êng c¸ch li Gen kh«ng biÓu hiÖn gi÷a tr×nh tù t¨ng c−êng vµ promoter; còng nh− nã kh«ng øc c)Gen biÓu hiÖn chÕ yÕu tè t¨ng c−êng ho¹t hãa c¸c gen kh¸c. Nh− vËy, xÐt vÒ b¶n Promoter Tr×nh tù Tr×nh tù Promoter t¨ng c−êng c¸ch li chÊt, c¸c yÕu tè c¸ch li kh«ng øc chÕ ho¹t ®éng cña promoter, còng d) Gen biÓu nh− kh«ng k×m h·m ho¹t ®éng cña hiÖn c¸c yÕu tè t¨ng c−êng. Thay vµo ®ã, nã ng¨n c¶n sù t−¬ng t¸c gi÷a Tr×nh tù Tr×nh tù Promoter Tr×nh tù c¸c yÕu tè nµy. §«i khi, c¸c yÕu tè t¨ng c−êng c¸ch li t¨ng c−êng c¸ch li cã thÓ øc chÕ sù lan táa c¶i H×nh 5.30. YÕu tè c¸ch li ng¨n c¶n sù ho¹t hãa gen cña yÕu tè t¨ng c−êng. a) Gen ®−îc biÓu hiÖn nhê ho¹t ®éng cña yÕu tè biÕn chÊt nhiÔm s¾c. ë ®Çu t¨ng c−êng liªn kÕt ®−îc víi tr×nh tù t¨ng c−êng (enhancer). ch−¬ng nµy, chóng ta ®· biÕt, tr¹ng th¸i c¶i biÕn chÊt nhiÔm s¾c b) YÕu tè c¸ch li ng¨n c¶n sù t−¬ng t¸c gi÷a yÕu tè t¨ng c−êng víi cã thÓ g©y ¶nh h−ëng ®Õn viÖc promoter, nªn gen kh«ng ®−îc biÓu hiÖn (dï cho yÕu tè t¨ng c−êng liªn kÕt ®−îc vµo enhancer. c) YÕu tè t¨ng c−êng vÉn cã biÓu hiÖn cña mét gen. “BÝt gen” lµ thÓ ho¹t hãa ®−îc gen ë phÝa ®èi diÖn tr×nh tù c¸ch li (hoÆc trªn mét trong c¸c c¬ chÕ øc chÕ sù biÓu cïng m¹ch ADN hoÆc trªn m¹ch ®èi m·). d) YÕu tè c¸ch li ng¨n hiÖn gen cã thÓ lan táa däc theo c¶n ho¹t ®éng cña yÕu tè ho¹t hãa n»m ng−îc dßng, nh−ng kh«ng ng¨n c¶n ho¹t ®éng cña yÕu tè ho¹t hãa n»m xu«i dßng. 171

§inh §oµn Long chÊt nhiÔm s¾c, ®ång thêi lµm t¾t nhiÒu gen, mµ kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i cã c¸c protein øc chÕ. C¸c yÕu tè c¸ch li cã thÓ øc chÕ ho¹t ®éng lan táa cña c¬ chÕ c¶i biÕn chÊt nhiÔm s¾c. Nh− vËy, c¸c yÕu tè c¸ch li cã thÓ b¶o vÖ gen khái sù ho¹t hãa hay øc chÕ tuú tiÖn. HiÖn t−îng nµy cã liªn quan ®Õn viÖc nhiÒu gen ®−îc biÕn n¹p trong thùc nghiÖm ë eukaryote bÞ “bÝt”, do chóng bÞ cµi ngÉu nhiªn vµo c¸c vïng dÞ nhiÔm s¾c. Nh−ng, nÕu c¸c yÕu tè c¸ch li n»m ngay tr−íc hoÆc sau gen ®−îc cµi th× nã cã thÓ gióp c¸c gen nµy kh«ng bÞ “bÝt” do hiÖu øng lan táa cña sù c¶i biÕn chÊt nhiÔm s¾c. 5.3.4.4. Sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn mét sè gen cÇn “vïng ®iÒu khiÓn locut” - LCR Gen m· hãa globin ®−îc biÓu hiÖn trong c¸c tÕ bµo hång cÇu ë ng−êi tr−ëng thµnh vµ trong mét sè dßng tÕ bµo gèc m¸u trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn c¸ thÓ. HÖ gen ng−êi cã 5 gen m· hãa globin kh¸c nhau (h×nh 5.31). MÆc dï kÕt côm, nh−ng nh÷ng gen nµy ®−îc ®iÒu khiÓn biÓu hiÖn riªng rÏ. Mçi gen ®−îc biÓu hiÖn vµo c¸c thêi kú kh¸c nhau cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn c¬ thÓ. §Çu tiªn lµ gen ε, sau ®ã lµ γ, råi ®Õn β vµ δ. TrËt tù biÓu hiÖn cña c¸c gen nµy ®−îc ®iÒu khiÓn thÕ nµo? Mçi gen ®Òu cã mét tËp hîp c¸c vÞ trÝ ®iÒu hßa ®Ó ®iÒu khiÓn “bËt” gen ®óng thêi ®iÓm vµ m«, tÕ bµo phï hîp trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn c¸ thÓ. Cô thÓ, gen β (tÕ bµo tñy x−¬ng ng−êi tr−ëng thµnh) cã hai tr×nh tù t¨ng c−êng: mét n»m xu«i dßng gen, mét n»m ng−îc dßng gen. ChØ cã tÕ bµo tñy x−¬ng ng−êi tr−ëng thµnh míi cã ®Çy ®ñ c¸c protein ®iÒu hßa phï hîp, xuÊt hiÖn ë tØ lÖ thÝch hîp, ®Ó liªn kÕt ®−îc vµo hai tr×nh tù t¨ng c−êng nµy. Tuy vËy, ®Ó c¸c gen ®−îc biÓu hiÖn theo ®óng trËt tù, cßn cÇn mét nhãm c¸c yÕu tè ®iÒu hßa chung, gäi lµ vïng ®iÒu khiÓn locut - LCR (Locus Control Region), n»m ng−îc dßng c¸ch côm gen globin 30 – 50 kb. C¸ch ho¹t ®éng cña LCR ®Õn nay ch−a s¸ng tá, nh−ng nã lµ vÞ trÝ liªn kÕt cña c¸c protein ®iÒu hßa kh¸c nhau cã thÓ kÝch øng lµm “më” cÊu tróc chÊt nhiÔm s¾c quanh côm gen globin, ®ång thêi cho phÐp mét chuçi c¸c yÕu tè ®iÒu hßa cã thÓ ®iÒu khiÓn c¸c gen ®¬n lÎ theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh. LCR gåm nhiÒu tr×nh tù thµnh a) γG γA δβ phÇn. Trong ®ã, mét sè lµ c¸c tr×nh tù t¨ng c−êng, mét sè lµ tr×nh tù c¸ch li, cßn Vïng ®iÒu khiÓn locut (LCR) ε l¹i lµ promoter. Sù ®a d¹ng vÒ chøc n¨ng cña c¸c tr×nh tù nµy ®−îc xem lµ m« h×nh b) Côm gen m· hãa globin 10 kb gi¶i thÝch cho c¬ chÕ ho¹t ®éng cña LCR. LCR Ey β h1 β maj β min Trong ®ã, c¸ch ®¬n gi¶n nhÊt lµ c¸c protein ®iÒu hßa liªn kÕt vµo LCR vµ huy 10 kb ®éng phøc hÖ c¶i biÕn chÊt nhiÔm s¾c tiÕp cËn vïng gen cÇn biÓu hiÖn. ViÖc c¸c LCR H×nh 5.31. §iÒu hßa ho¹t ®éng gen bëi vïng th−êng ë gÇn promoter cña gen ®−îc ho¹t ®iÒu khiÓn locut - LCR. a) Côm gen m· hãa globin hãa lµ c¨n cø ñng hé cho c¸ch ®iÓu khiÓn ë ng−êi ®−îc ®iÒu khiÓn bëi mét LCR. Trªn h×nh kh«ng nµy. Tuy vËy, theo mét c¸ch kh¸c, toµn bé minh häa gen α-globin, lµ gen ®−îc biÓu hiÖn trong bé m¸y phiªn m· ®−îc huy ®éng tíi LCR suèt qu¸ tr×nh ph¸t triÓn. C¸c gen cßn l¹i (β, ε, δ, vµ γ) vµ xuÊt ph¸t tõ ®©y, c¸c ho¹t ®éng ®iÒu chØ biÓu hiÖn vµo nh÷ng giai ®o¹n kh¸c nhau cña qu¸ hßa phiªn m· (bao gåm sù c¶i biÕn cÊu tr×nh ph¸t triÓn vµ theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh. Chuçi α- tróc chÊt nhiÔm s¾c vµ gi¶i phãng c¸c yÕu globin kÕt hîp víi mét lo¹i chuçi globin kh¸c h×nh thµnh nªn c¸c d¹ng hemoglobin vµo c¸c giai ®o¹n tè øc chÕ côc bé) b¾t ®Çu diÔn ra. ë ph¸t triÓn kh¸c nhau cña c¬ thÓ. b) Côm gen m· hãa eukaryote, cã mét sè côm gen còng ®−îc globin ë chuét còng ®−îc ®iÒu khiÓn bëi mét LCR. t×m thÊy cã kiÓu ®iÒu hßa qua LCR t−¬ng tù gen m· hãa globin. 172

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen 5.3.5. §iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë eukaryote sau khëi ®Çu phiªn m· 5.3.5.1. Mét sè yÕu tè t¨ng c−êng biÓu hiÖn gen theo kiÓu kÐo dµi phiªn m· C¸c bé m¸y phiªn m· ë eukaryote th−êng gåm nhiÒu protein cÇn cho sù khëi ®Çu phiªn m·. §ång thêi nã còng chøa mét sè yÕu tè tham gia vµo giai ®o¹n kÐo dµi (xem ch−¬ng 4). ë mét sè gen, n»m sau promoter cã c¸c tr×nh tù g©y t¹m dõng sù “tr−ît däc” ph©n tö ADN cña ARN polymerase. ë nh÷ng gen nµy, sù cã mÆt hay v¾ng mÆt nh÷ng yÕu tè kÐo dµi (chuçi polyribonucleotide ®ang tæng hîp) cã vai trß quyÕt ®Þnh møc biÓu hiÖn cña gen. VÝ dô gen HSP70 ë ruåi giÊm, gen nµy ®−îc ho¹t hãa bëi yÕu tè sèc nhiÖt vµ ®−îc ®iÒu khiÓn ®ång thêi bëi hai yÕu tè ho¹t hãa. YÕu tè liªn kÕt GAGA ®−îc xem lµ ®ñ ®Ó cã thÓ huy ®éng bé m¸y phiªn m· tíi gen vµ khëi ®Çu phiªn m·. Song, nÕu kh«ng cã yÕu tè thø hai lµ HSF th× ARN polymerase sÏ dõng l¹i ë mét vÞ trÝ sau promoter kho¶ng 100 bp. Nh−ng, khi cã tÝn hiÖu “sèc nhiÖt”, HSF sÏ liªn kÕt vµo mét vÞ trÝ ®Æc hiÖu trªn promoter vµ huy ®éng mét enzym kinase (pTEF) tíi vÞ trÝ bé m¸y phiªn m· ®ang dõng l¹i. Enzym nµy phosphoryl hãa miÒn ®Çu C thuéc tiÓu phÇn lín nhÊt cña ARN polymerase vµ “níi láng” enzym ë vÞ trÝ t¹m dõng; nhê vËy, sù kÐo dµi phiªn m· ®−îc tiÕp tôc. Nh− vËy, ngoµi c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa chung, ®©y lµ mét kiÓu ®iÒu hßa bæ sung. Còng cã thÓ chØ cã mét sè gen cã c¬ chÕ ®iÒu hßa bæ sung gièng HSP70. HIV g©y héi chøng AIDS tiÕn hµnh phiªn m· c¸c gen cña nã tõ mét promoter ®−îc ®iÒu khiÓn bëi pTEF. Trong tr−êng hîp cña HIV còng vËy, polymerase (ë ®©y lµ reverse transcriptase) khëi ®Çu phiªn m· t¹i promoter nh−ng ngay sau ®ã nã dõng l¹i. Lóc ®ã, pTEF ®−îc vËn chuyÓn ®Õn enzym bëi mét protein liªn kÕt ARN (chø kh«ng ph¶i ADN) cã tªn lµ TAT. TAT nhËn ra mét tr×nh tù ®Æc hiÖu gÇn vÞ trÝ ë ®Çu ph©n tö ARN cña HIV vµ tr×nh tù t−¬ng øng trªn b¶n phiªn m· ®· ®−îc t¹o ra bëi polymerase ®ang dõng l¹i. TAT cã mét vïng t−¬ng t¸c víi pTEF vµ nhê vËy huy ®éng ®−îc protein nµy ®Õn enzym. 5.3.5.2. C¸ch c¾t intron kh¸c nhau ë c¸c tÕ bµo cã thÓ t¹o ra c¸c protein kh¸c nhau ë ch−¬ng 3 chóng ta ®· biÕt, hÇu hÕt gen ë eukaryote ®Òu cã tÝnh ph©n m¶nh: n»m gi÷a c¸c tr×nh tù m· hãa (exon) lµ c¸c tr×nh tù kh«ng m· hãa (intron). Trong phiªn m·, ban ®Çu toµn bé tr×nh tù gen (ADN) ®−îc chuyÓn thµnh tr×nh tù b¶n phiªn m· (tiÒn- mARN). Sau ®ã, ph©n tö tiÒn-ARN ®−îc c¾t bá c¸c intron, vµ nèi l¹i c¸c exon thµnh ph©n tö ARN hoµn thiÖn. ë eukaryote, c¬ thÓ cµng phøc t¹p, sè gen cã intron, sè intron trung b×nh vµ kÝch th−íc c¸c intron ë mçi gen cµng cã xu h−íng t¨ng lªn. Trong mét sè tr−êng hîp, c¸ch c¾t intron tõ cïng mét ph©n tö tiÒn-mARN cã thÓ theo mét sè c¸ch kh¸c nhau, t¹o nªn c¸c ph©n tö mARN hoµn thiÖn kh¸c nhau (tõ ®ã, t¹o nªn c¸c protein kh¸c nhau). Tuy vËy, ®iÒu ®¸ng chó ý lµ kiÓu c¾t bá intron l¹i cã tÝnh di truyÒn vµ ®Æc tr−ng ë mçi lo¹i tÕ bµo (m«) vµ vµo nh÷ng thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn c¸ thÓ. Nãi c¸ch kh¸c, qu¸ tr×nh nµy còng ®−îc ®iÒu khiÓn chÆt chÏ. ë khÝa c¹nh nµo ®ã, viÖc ®iÒu hßa c¸ch c¾t intron còng gièng nh− c¬ chÕ ®iÒu hßa phiªn m·. §Ó c¾t c¸c intron vµ nèi c¸c exon, “bé m¸y c¾t intron” th−êng liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ c¾t intron vµ thùc hiÖn ph¶n øng c¾t-nèi. Cã hai yÕu tè chÝnh ¶nh h−ëng ®Õn ho¹t ®éng c¾t-nèi intron lµ ¸i lùc liªn kÕt víi c¸c vÞ trÝ c¾t-nèi cña bé m¸y c¾t intron vµ ho¹t lùc cña c¸c protein tham gia ph¶n øng c¾t – nèi. NÕu vÞ trÝ c¾t-nèi cã ¸i lùc cao víi bé m¸y c¾t intron, th× ho¹t ®éng c¾t intron ë vÞ trÝ ®ã cã thÓ ®−îc ®iÒu khiÓn theo kiÓu “c¬ ®Þnh” (nghÜa lµ, th−êng xuyªn x¶y ra). Nh−ng nÕu nã bÞ øc chÕ bëi mét “yÕu tè k×m h·m c¾t intron” (gièng nh− kiÓu LacI), th× bé m¸y c¾t intron kh«ng liªn kÕt ®−îc vµo vÞ trÝ c¾t 173

§inh §oµn Long intron vµ ph¶n øng c¾t-nèi kh«ng x¶y ra. C¬ chÕ øc chÕ c¾t intron nh− vËy gièng víi c¬ chÕ øc chÕ phiªn m· vµ dÞch m· chóng ta ®· thÊy ë E. coli. Theo mét c¸ch kh¸c, ng−êi ta t×m thÊy nh÷ng “tr×nh tù t¨ng c−êng c¾t intron” ë gÇn c¸c vÞ trÝ c¾t-nèi. Nh÷ng tr×nh tù nµy ®−îc nhËn biÕt bëi c¸c protein ®iÒu hßa cã xu h−íng huy ®éng bé m¸y c¾t intron tíi c¸c vÞ trÝ c¾t-nèi. Gièng nh− c¸c yÕu tè ho¹t hãa phiªn m·, c¸c protein ®iÒu hßa nµy cã c¸c miÒn chøc n¨ng t¸ch biÖt nhau. Mét miÒn liªn kÕt víi axit nucleic (ë ®©y lµ ARN), cßn mét miÒn liªn kÕt víi bé m¸y c¾t intron. C¬ chÕ ®iÒu hßa c¾t intron bëi c¸c protein ho¹t hãa vµ øc chÕ c¾t intron lµ c¬ së cña c¬ chÕ x¸c ®Þnh giíi tÝnh ë ruåi giÊm, ®−îc m« t¶ nh− sau: - Giíi tÝnh ë ruåi giÊm ®−îc qui ®Þnh dùa trªn tØ sè gi÷a sè NST giíi tÝnh X trªn sè bé NST th−êng (X/A). Con c¸i ®iÓn h×nh cã tØ sè nµy lµ 1,0 (2 NST X vµ 2 bé NST th−êng), cßn con ®ùc ®iÓn h×nh cã tØ sè nµy lµ 0,5 (1 NST X vµ 2 bé NST th−êng). TØ sè nµy ban ®Çu ®−îc “®o” bëi møc phiªn m· cña mét sè gen ®−îc ®iÒu khiÓn bëi hai yÕu tè ho¹t hãa, lµ SisA vµ SisB. C¸c gen m· hãa c¸c yÕu tè nµy ®Òu n»m trªn NST X. Nhê vËy, trong thêi kú ®Çu ph¸t triÓn ph«i, con c¸i sÏ s¶n sinh SisA vµ SisB nhiÒu gÊp ®«i c¸c con ®ùc. C¸c protein ho¹t hãa nµy liªn kÕt vµo c¸c vÞ trÝ ®iÒu hßa n»m ng−îc dßng gen qui ®Þnh giíi tÝnh SxI (h×nh 5.32). Mét protein ®iÒu hßa kh¸c còng liªn kÕt vµ ®iÒu khiÓn biÓu hiÖn cña SxI lµ protein øc chÕ Dpn. Dpn ®−îc m· hãa bëi mét gen n»m trªn NST sè 2. Nh− vËy, ta thÊy tØ lÖ protein ho¹t hãa (SisA vµ SisB) vµ øc chÕ (Dpn) lµ kh¸c nhau ë hai giíi. §iÒu nµy dÉn ®Õn gen SxI ®−îc t¨ng c−êng ë con c¸i vµ øc chÕ ë con ®ùc. Gen SxI ®−îc biÓu hiÖn tõ hai promoter kh¸c nhau, gäi lµ Pm vµ Pe. Trong ®ã, Pe ®−îc ®iÒu khiÓn bëi SisA vµ SisB (nh− vËy, Pe chØ ho¹t ®éng ë con c¸i). Trong c¸c giai ®o¹n sau cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn, Pe kh«ng ho¹t ®éng; sù duy tr× ho¹t ®éng cña gen SxI lµ nhê Pm. Pm ho¹t ®éng theo kiÓu c¬ ®Þnh ë c¶ con ®ùc vµ c¸i, nh−ng s¶n phÈm mARN cña gen SxI ®−îc phiªn m· tõ Pm nhiÒu h¬n s¶n phÈm phiªn m· tõ Pe mét exon. NÕu mARN hoµn thiÖn cã exon nµy, th× protein t¹o ra kh«ng cã ho¹t tÝnh (®iÒu nµy x¶y ra ë con ®ùc). NÕu mARN ®−îc c¾t bá exon nµy, protein SxI ho¹t ®éng vµ duy tr× kiÓu h×nh con c¸i. Nh− vËy, trong giai ®o¹n ph«i sím, Pe ho¹t ®éng ë con c¸i, dÉn ®Õn viÖc protein Ruåi giÊm c¸i Ruåi giÊm ®ùc 2X : 2A 1X : 2A SisA Dpn SisA Dpn SisB 1x SisB 1x 2x 1x ADN Pm Pe §iÓm dõng Pm Pe §iÓm dõng Phiªn m· Kh«ng phiªn m· TiÒn-mARN 5’ 3’ XÐn intron mARN hoµn thiÖn 5’ 3’ Protein SxI N DÞch m· C H×nh 5.32. §iÒu hßa phiªn m gen biÓu hiÖn sím SxI ë ruåi giÊm ®ùc vµ c¸i. C¸c gen sisA vµ sisB n»m trªn NST X m· hãa cho c¸c yÕu tè ho¹t hãa ®iÒu khiÓn gen SxI. Dpn lµ yÕu tè øc chÕ biÓu hiÖn gen SxI cã gen m· hãa n»m trªn NST sè 2. NÕu l−îng Dpn sinh ra tõ gen trªn NST th−êng lµ gièng nhau ë c¶ 2 giíi, th× c¸c yÕu tè ho¹t hãa (SisA vµ B) ®−îc tæng hîp ë con c¸i nhiÒu gÊp ®«i con ®ùc. Sù kh¸c biÖt vÒ tØ sè [protein ho¹t hãa]/[protein øc chÕ] quyÕt ®Þnh gen SxI chØ biÓu hiÖn ë con c¸i, nh−ng kh«ng biÓu hiÖn ë con ®ùc (nguån: Estes et al, 1995) 174

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen SxI cã ë con c¸i mµ kh«ng cã ë con ®ùc. Protein nµy trùc tiÕp ®iÒu khiÓn c¾t exon trªn ph©n tö tiÒn-mARN ®−îc phiªn m· tõ promoter Pm. Nªn, ë con c¸i, “exon øc chÕ” nµy bÞ c¾t bá. 5.3.5.3. Sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ®−îc ®iÒu khiÓn ë b−íc dÞch m· Gcn4 lµ mét yÕu tè ho¹t hãa phiªn m· ë nÊm men. Nã tham gia ®iÒu khiÓn c¸c gen m· hãa enzym xóc t¸c c¸c ph¶n øng tæng hîp c¸c axit amin. Dï lµ mét yÕu tè phiªn m·, nh−ng sù tæng hîp protein nµy ®−îc ®iÒu hßa ë b−íc dÞch m·. Khi nång ®é c¸c axit amin trong tÕ bµo thÊp, mARN cña Gcn4 ®−îc dÞch m·. Nh−ng, khi nång ®é axit amin trong tÕ bµo cao, mARN cña Gcn4 kh«ng ®−îc dÞch m·. C¬ chÕ cña hiÖn t−îng nµy nh− thÕ nµo? mARN cña Gcn4 chøa bèn khung ®äc më n»m ng−îc dßng gen Gcn4 (kÝ hiÖu uORF). Trong ®ã uORF1 c¸ch gen xa nhÊt vµ ®−îc nhËn biÕt m¹nh nhÊt khi phøc hÖ dÞch m· (ribosome) tr−ît däc mARN tõ ®Çu 5’. Khi khung ®äc uORF1 ®· dÞch m· xong, mét thuéc tÝnh ®Æc biÖt cña khung ®äc nµy lµ nã cho phÐp 50% sè tiÓu phÇn nhá cña ribosome tiÕp tôc duy tr× liªn kÕt víi mARN vµ t×m ®Õn m· më ®Çu (AUG) cña c¸c uORF tiÕp sau nã. Tr−íc khi khëi ®Çu dÞch m·, ë c¸c uORF tiÕp theo, tiÓu phÇn ribosome 40S (®iÒu khiÓn sù tr−ît däc ph©n tö mARN cña ribosome) ph¶i liªn kÕt ®−îc víi yÕu tè dÞch m· eIF2 (®· t¹o phøc s½n víi Met-tARN). Khi nång ®é axit amin thÊp, eIF2 bÞ phosphoryl hãa, lµm gi¶m hiÖu qu¶ liªn kÕt cña nã vµo ribosome. §ång thêi lóc nµy sù s½n cã phøc hÖ Met-tARN còng thÊp. Nh− vËy, khi hiÕm axit amin, tiÓu phÇn nhá cña ribosome cã xu h−íng v−ît qua c¸c uORF 2 – 4 tr−íc khi liªn kÕt ®−îc trë l¹i víi eIF2-tARNMet (vèn vÉn ë hµm l−îng thÊp). Nh− vËy, dï phøc hÖ dÞch m· kh«ng khëi ®Çu dÞch m· ®−îc ë c¸c uORF2-4, nh−ng nã l¹i cã thÓ khëi ®Çu ë ORF cña gen Gcn4. Së dÜ nh− vËy, bëi v× ORF cña Gcn4 n»m xa uORF1 h¬n, vµ ribosome cã ®ñ thêi gian “trèng” ®Ó liªn kÕt víi eIF2- tARNMet vµ b¾t ®Çu dÞch m· gen nµy. Lóc ®ã, protein Gcn4 ®−îc h×nh thµnh vµ nã “bËt” c¸c gen tham gia tæng hîp c¸c axit amin trong tÕ bµo. Khi l−îng c¸c axit amin trong tÕ bµo cao, phøc hÖ eIF2-tARNMet sÏ liªn kÕt víi tiÓu phÇn ribosome nhá ngay khi nã kÕt thóc dÞch m· uORF1, vµ sù dÞch m· sÏ ®−îc diÔn ra víi c¸c uORF2, 3 vµ 4. Sau khi nh÷ng khung ®äc nµy ®−îc dÞch m· xong, ribosome sÏ t¸ch khái ph©n tö mARN vµ kh«ng dÞch m· khung ORF cña gen Gcn4. Do vËy, Gcn4 kh«ng h×nh thµnh. 5.3.6. C¸c vai trß kh¸c nhau cña ARN trong ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë ch−¬ng 2, chóng ta ®· thÊy c¸c chøc n¨ng ®a d¹ng cña ARN. Trong thùc tÕ, nhãm ph©n tö nµy cßn cã vai trß quan träng trong ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña nhiÒu gen kh¸c nhau. Chóng ta cßn nhí ë E. coli, trong m« h×nh operon Trp, cÊu tróc bËc 2 cña mARN cña opreron Trp ®· trùc tiÕp ®iÒu hßa biÓu hiÖn c¸c gen cña operon nµy. ë eukaryote, vai trß cña ARN trong ®iÒu hßa ho¹t ®éng gen cßn linh ho¹t h¬n. Mét trong nh÷ng c¬ chÕ ®ã lµ: nh÷ng ®o¹n ARN ng¾n cã thÓ trùc tiÕp øc chÕ sù biÓu hiÖn cña c¸c gen cã tr×nh tù t−¬ng ®ång víi nã. Sù øc chÕ nµy, gäi lµ ARN can thiÖp (kÝ hiÖu ARNi). C¸c ph©n tö ARNi cã thÓ g©y nªn c¸c hiÖu øng: (1) øc chÕ dÞch m· ®èi víi mARN, (2) ph©n gi¶i mARN, vµ (3) øc chÕ sù phiªn m· cña gen ë trong nh©n. C¬ chÕ chi tiÕt cã thÓ ®ång thêi g©y nªn c¸c hiÖu øng trªn cña ARNi ch−a biÕt ®Çy ®ñ. Nh−ng ë ®©y, chóng ta sÏ xem m« h×nh ho¹t ®éng cña ARNi ®−îc t×m thÊy ë giun trßn C. elegans. HiÖn nay, viÖc sö dông ARNi ®−îc ¸p dông nh− mét c«ng cô h÷u hiÖu khi cÇn “t¾t” mét gen nµo ®ã. 175

§inh §oµn Long 5.3.6.1. ARN sîi kÐp øc chÕ m¹nh sù biÓu hiÖn cña gen cã tr×nh tù t−¬ng ®ång víi nã N¨m 2006, hai nhµ sinh häc ng−êi Mü lµ Fire vµ Mello ®· ®−îc trao gi¶i Nobel vÒ c«ng tr×nh nghiªn cøu c«ng bè n¨m 1998 cña hä vÒ viÖc c¸c ph©n tö ARN sîi kÐp (dsARN), sau khi biÕn n¹p vµo tÕ bµo C. elegans, g©y nªn hiÖu øng øc chÕ m¹nh sù biÓu hiÖn cña c¸c gen cã tr×nh tù t−¬ng ®ång hoµn toµn hoÆc mét phÇn víi chóng. HiÖu øng nµy sau ®ã ®−îc t×m thÊy ë nhiÒu eukaryote kh¸c. Tuy nhiªn, tr−íc khi cã nh÷ng nghiªn cøu nµy, ng−êi ta ®· t×m thÊy hiÖn t−îng c¸c gen bÞ “t¾t” khi biÕn n¹p ARN sîi kÐp c¸c ®o¹n tr×nh tù t−¬ng ®ång cña (dsARN) chóng vµo tÕ bµo thùc vËt. C¸c Mµng tÕ bµo ®o¹n gen biÕn n¹p ®−îc t×m thÊy cã nhiÒu b¶n sao, mét sè liªn kÕt vµo YÕu tè TÕ bµo chÊt hÖ gen nh©n víi tr×nh tù ®¶o chiÒu. xÐn ë thùc vËt, ng−êi ta còng t×m thÊy Nh©n (dicer) c¸c tr×nh tù ARN t−¬ng ®ång trong tÕ bµo mét sè c¬ chÕ b¶o vÖ tÕ bµo khái sù siARN sîi kÐp g©y nhiÔm cña virut. Ngoµi ra, cã ADN (siARN duplex) mét hiÖn t−îng lµ sù l©y nhiÔm cña virut ARN mang mét b¶n sao gen cña thùc vËt th−êng lµm “t¾t” sù biÓu hiÖn cña gen tÕ bµo chñ. TÊt T¸i cÊu tróc RISC c¶ c¸c hiÖn t−îng trªn ®©y cã c¬ chÕ chÊt nhiÔm s¾c liªn quan ®Õn nhau, ®ã lµ c¸c ph©n tö ARN sîi kÐp cã thÓ lµm “t¾t” sù ATP biÓu hiÖn cña gen. C¬ chÕ ®−îc m« t¶ trong c¸c môc d−íi ®©y. ADP 5.3.6.2. C¬ chÕ lµm t¾t gen bëi siARN RISC* YÕu tè xÐn (dicer) lµ mét øc chÕ m7G enzym cã ho¹t tÝnh ARNaseIII, dÞch m· siARN ®−îc nghÜa lµ nã nhËn biÕt vµ c¾t c¸c ®o¹n ARN sîi kÐp (dsARN) kÝch nh©n lªn th−íc dµi. S¶n phÈm c¾t cña nã lµ c¸c ph©n ®o¹n dsARN ng¾n kho¶ng Ph©n gi¶i b¶n phiªn m· mARN 23 bp, kÝ hiÖu lµ siARN (h×nh 5.33). siARN g©y øc chÕ sù biÓu H×nh 5.33. C¬ chÕ lµm “t¾t” gen bëi siARN. siARN lµm t¾t gen hiÖn cña c¸c gen cã tr×nh tù t−¬ng nÕu mét ®o¹n dsARN cã tr×nh tù t−¬ng ®ång víi gen ®ã ®−îc chuyÓn ®ång víi nã qua ba c¸ch: 1) ph©n vµo (hoÆc ®−îc h×nh thµnh trong) tÕ bµo. Trong tÕ bµo, enzym xÐn gi¶i b¶n phiªn m· mARN cña gen, (dicer) sÏ c¾t dsARN thµnh nh÷ng ph©n ®o¹n nhá (siARN). siARN sÏ 2) øc chÕ sù dÞch m· trªn ph©n tö ®iÒu khiÓn phøc hÖ RISC ho¹t ®éng theo 3 con ®−êng: (1) g¾n vµo vµ mARN t−¬ng øng, vµ 3) c¶i biÕn ph©n gi¶i c¸c ph©n tö mARN cã tr×nh tù bæ trî víi siARN, (2) ng¨n c¶n vïng nhiÔm s¾c, dÉn ®Õn lµm bÊt sù dÞch m· tõ c¸c ph©n tö mARN nh− vËy, vµ (3) huy ®éng enzym c¶i ho¹t gen. §iÒu ®¸ng chó ý lµ, dï biÕn chÊt nhiÔm s¾c ®Õn gen t−¬ng øng trong nh©n ®Ó bÊt ho¹t sù qua con ®−êng nµo, ®Òu cã sù tham phiªn m· cña gen. siARN còng cã thÓ ®−îc dïng lµm måi ®Ó nh©n lªn gia cña mét bé m¸y gäi lµ “phøc c¸c ®o¹n siARN míi nhê ARN polymerase dïng ARN lµm khu«n. C¸c hÖ t¾t gen kÝch øng bëi ARN”, ho¹t ®éng trªn ®©y còng cã thÓ x¶y ra trong nh©n tÕ bµo. Trªn h×nh, gäi t¾t lµ RISC (RNA-induced RISC* biÓu diÔn phøc hÖ RISC sau khi ®−îc ho¹t hãa bëi siARN (theo: Hannon GJ, 2002). 176

Ch−¬ng 5. gen vµ sù ®iÒu hoµ biÓu hiÖn gen silencing complex). Ngoµi siARN, RISC th−êng chøa mét sè thµnh phÇn lµ protein; trong ®ã, ®¸ng chó ý lµ mét sè protein thuéc hä Agronaut (liªn kÕt ARN). Nh− m« t¶ trªn h×nh 5.33, sau khi siARN ®−îc t¹o ra (nhê dicer), nã liªn kÕt víi phøc hÖ RISC vµ biÕn tÝnh thµnh m¹ch ®¬n (dïng n¨ng l−îng tõ ATP). Sù xuÊt hiÖn m¹ch ®¬n ARN sÏ ho¹t hãa RISC (kÝ hiÖu lµ RISC*). ë tr¹ng th¸i ho¹t hãa, RISC* ®−îc “®−a” ®Õn c¸c ph©n tö mARN ®Ých cã tr×nh tù bæ sung víi siARN cña nã. Lóc nµy, RISC* sÏ c¾t ph©n tö mARN ®Ých vµ ng¨n c¶n sù dÞch m· tõ ph©n tö nµy. C¬ chÕ t¾t gen lóc nµy mét phÇn phô thuéc vµo møc ®é t−¬ng ®ång gi÷a siARN vµ mARN ®Ých. NÕu sù t−¬ng ®ång lµ hoµn toµn, ph©n tö ARN ®Ých cã xu h−íng bÞ ph©n gi¶i (do ho¹t tÝnh nuclease cña RISC). NÕu chØ t−¬ng ®ång mét phÇn, xu h−íng x¶y ra lµ sù øc chÕ dÞch m·. RISC* còng cã thÓ x©m nhËp ®−îc vµo nh©n tÕ bµo vµ kÕt cÆp víi tr×nh tù t−¬ng ®ång trªn ph©n tö ADN hÖ gen. Lóc nµy, RISC huy ®éng mét sè protein lµm c¶i biÕn chÊt nhiÔm s¾c quanh vÞ trÝ promoter cña gen, dÉn ®Õn sù k×m h·m phiªn m· (ch¼ng h¹n, qua c¬ chÕ “bÝt gen” do sù biÕn ®æi chÊt nhiÔm s¾c ®· ®−îc ®Ò cËp ë trªn). Mét ®iÓm ®¸ng chó ý lµ c¬ chÕ “t¾t” gen bëi ARNi cã hiÖu qu¶ rÊt cao. ChØ cÇn mét l−îng nhá siARN ®−îc ®−a vµo tÕ bµo cã thÓ ®ñ ®Ó lµm “t¾t” hoµn toµn sù biÓu hiÖn cña mét gen nµo ®ã (vèn cã nhiÒu b¶n sao trong c¬ thÓ ®a bµo). C¬ chÕ g©y nªn hiÖu øng m¹nh nh− vËy ch−a biÕt ®Çy ®ñ, nh−ng cã b»ng chøng cho thÊy siARN ®· ®−îc nh©n lªn nhê c¸c enzym ARN polymerase dïng ARN lµm khu«n. Sù nh©n lªn cña c¸c siARN ®−îc ph¸t hiÖn nhê hiÖn t−îng sau: khi ph©n tö siARN liªn kÕt vµo mARN ®Ých, c¸c ph©n tö siARN míi ®−îc h×nh thµnh cã tr×nh tù gièng víi tr×nh tù ph©n ®o¹n mARN n»m gÇn tr×nh tù mARN ®Ých cña siARN gèc. V× vËy, cã lÏ enzym ARN polymerase dïng ARN lµm khu«n ®· ®−îc c¸c siARN gèc huy ®éng ®Õn ph©n tö mARN ®Ých; vµ c¸c enzym nµy ®· sö dông chÝnh c¸c ®o¹n siARN m¹ch ®¬n lµm “måi” ®Ó tæng hîp nªn c¸c ph©n tö siARN míi. 5.3.6.3. C¸c miARN ®iÒu khiÓn sù biÓu hiÖn gen trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn Ngoµi c¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen b»ng siARN kÓ trªn, trong tù nhiªn cßn c¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen bëi mét nhãm ARN gäi lµ microARN (miARN). C¸c ph©n tö miARN øc chÕ trùc tiÕp sù biÓu hiÖn gen theo kiÓu gièng víi siARN. miARN ®−îc t×m thÊy ®Çu tiªn ë C. elegans, sau ®ã ®−îc ph¸t hiÖn vµ nghiªn cøu kü h¬n ë thùc vËt. C¸c ph©n tö miARN ®iÓn h×nh cã chiÒu dµi 21 – 22 nucleotide, h×nh thµnh tõ c¸c tiÒn-ARN cã kÝch th−íc 70 - 90 nucleotide (®−îc phiªn m· tõ c¸c ®o¹n ADN kh«ng m· hãa protein). C¸c miARN ®−îc c¸c dicer nhËn biÕt vµ c¾t. Víi c¬ chÕ gièng siARN, c¸c miARN lµm ph©n gi¶i c¸c ph©n tö mARN ®Ých (ë thùc vËt), hoÆc øc chÕ sù dÞch m· (ë giun trßn). ¦íc l−îng cã kho¶ng 120 gen m· hãa miARN ë giun trßn, cßn ë ng−êi cã kho¶ng 250 gen. Th«ng th−êng, c¸c gen miARN ®−îc ®iÒu hßa theo kiÓu chØ biÓu hiÖn vµo nh÷ng thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh vµ ë c¸c m« nhÊt ®Þnh trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn. Mét c¸ch ®iÓn h×nh lµ chóng øc chÕ c¸c mARN m· hãa c¸c protein ®iÒu hßa tham gia ®iÒu khiÓn sù biÓu hiÖn c¸c nhãm gen t−¬ng øng víi mét giai ®o¹n ph¸t triÓn cña c¬ thÓ sinh vËt. §¸ng chó ý, 30% c¸c ph©n tö miARN ë giun trßn cã tr×nh tù rÊt gièng víi ë ruåi giÊm vµ ®éng vËt cã vó. §iÒu nµy cho thÊy, d−êng nh− c¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen bëi miARN ®· cã nguån gèc tõ l©u trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa, vµ vai trß cña chóng trong viÖc “lËp tr×nh” biÓu hiÖn cña hÖ gen lµ quan träng h¬n nh÷ng dù ®o¸n ban ®Çu. 177

§inh §oµn Long Cã gi¶ thiÕt cho r»ng, trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa, c¬ chÕ sö dông ARNi ®· xuÊt hiÖn do nhu cÇu b¶o vÖ tÕ bµo chñ (eukaryote) khái c¸c virut vèn dïng c¸c ph©n tö dsARN lµ d¹ng trung gian trong sù sinh s¶n cña chóng. Nh− chóng ta ®· biÕt, nhiÒu virut vµ c¸c yÕu tè di truyÒn vËn ®éng (transposon) sao chÐp th«ng qua d¹ng trung gian dsARN. Lóc nµy, ARNi lµm t¾t c¸c gen cña c¸c thÓ g©y nhiÔm, ®ång thêi ph¸ bá c¸c ph©n tö dsARN trung gian. Mét ®iÓm ®¸ng chó ý lµ kiÓu ho¹t ®éng cña ARNi biÓu hiÖn râ ë thùc vËt. NhiÒu virut thùc vËt còng ®· ph¸t triÓn c¬ chÕ chèng l¹i sù ®¸p øng tù vÖ nhê ARNi cña vËt chñ. C¬ chÕ nµy ë virut ®−îc gäi lµ “sù øc chÕ t¾t gen bëi ARNi”, viÕt t¾t lµ VSGS (viral suppression of gene silencing). ë c¸c c¬ thÓ chñ mµ con ®−êng ®¸p øng tù vÖ nhê ARNi bÞ háng th× chøc n¨ng VSGS kh«ng cÇn thiÕt n÷a. ë giun trßn, mét sè ®ét biÕn lµm háng bé m¸y ARNi cã liªn quan ®Õn sù t¨ng c−êng ho¹t ®éng cña c¸c yÕu tè di truyÒn vËn ®éng. 178

Ch−¬ng 6 §ét biÕn vµ söa ch÷a ADN 6.1. §ét biÕn lµ nguån nguyªn liÖu cña qu¸ tr×nh tiÕn hãa Tõ c¸c ch−¬ng tr−íc, chóng ta biÕt r»ng di truyÒn lµ hiÖn t−îng c¸c gen ®−îc truyÒn tõ bè, mÑ sang con c¸i qua sinh s¶n. Trong ®ã, gen lµ ®¬n vÞ l−u gi÷ th«ng tin di truyÒn ®−îc h×nh thµnh tõ tr×nh tù c¸c deoxyribonucleotide trong ph©n tö ADN, hoÆc tõ c¸c ribonucleotide trong ph©n tö ARN. ë ch−¬ng 3, chóng ta còng ®· biÕt b»ng c¸ch nµo th«ng tin di truyÒn ®−îc t¸i b¶n chÝnh x¸c trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN theo nguyªn t¾c b¸n b¶o toµn, hoÆc bëi mét sè c¬ chÕ sao chÐp ARN ®Æc thï kh¸c ë virut. Sù sao chÐp chÝnh x¸c cßn phô thuéc mét phÇn vµo ho¹t tÝnh ®äc söa cña c¸c enzym ADN polymerase vµ ARN polymerase. C¸c c¬ chÕ sao chÐp vËt chÊt di truyÒn hiÖn h÷u ë c¸c sinh vËt ngµy nay ®Òu nh»m ®¶m b¶o cho viÖc th«ng tin di truyÒn ®−îc truyÒn t¶i chÝnh x¸c tõ tÕ bµo mÑ sang c¸c tÕ bµo con, vµ tõ thÕ hÖ nµy sang thÕ hÖ kh¸c. Tuy nhiªn, trong qu¸ tr×nh ®ã, c¸c sai háng hoÆc lçi sao chÐp cã thÓ x¶y ra. Nh÷ng thay ®æi trong vËt chÊt di truyÒn nh− vËy, khi ®−îc duy tr× qua c¸c thÕ hÖ, ®−îc gäi lµ ®ét biÕn. Kh¸i niÖm ®ét biÕn th−êng gåm hai ý. Mét lµ sù thay ®æi trong vËt chÊt di truyÒn. Hai lµ qu¸ tr×nh ph¸t sinh thay ®æi ®ã. Mét c¬ thÓ biÓu hiÖn kiÓu h×nh míi do kÕt qu¶ cña ®ét biÕn th× ®−îc gäi lµ thÓ ®ét biÕn. Mét ®iÒu quan träng lµ cÇn ph©n biÖt ®ét biÕn víi biÕn dÞ tæ hîp, trong ®ã biÕn dÞ tæ hîp lµ sù thay ®æi kiÓu h×nh do kÕt qu¶ t¸i tæ hîp cña vËt chÊt di truyÒn mang c¸c ®ét biÕn vèn ®· xuÊt hiÖn tõ tr−íc. C¶ hai sù kiÖn nµy ®«i khi ®Òu t¹o ra kiÓu h×nh míi. Nh−ng, ®ét biÕn lµ nh÷ng thay ®æi trùc tiÕp liªn quan ®Õn sè l−îng vµ cÊu tróc nhiÔm s¾c thÓ (NST), ®Æc biÖt lµ cÊu tróc cña nh÷ng gen riªng biÖt. Nh÷ng ®ét biÕn chØ liªn quan ®Õn mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh trªn gen ®−îc gäi lµ ®ét biÕn ®iÓm. Chóng bao gåm sù thay thÕ mét cÆp baz¬ nit¬ nµy b»ng mét cÆp baz¬ nit¬ kh¸c, hoÆc bëi sù mÊt ®i hay thªm vµo mét (hoÆc mét sè) cÆp baz¬ nit¬ t¹i vÞ trÝ nhÊt ®Þnh trªn gen. Trong di truyÒn häc hiÖn nay, theo thãi quen ®ét biÕn th−êng ®−îc dïng víi nghÜa hÑp ®Ó chØ ®ét biÕn ®iÓm. Do vËy, trong gi¸o tr×nh nµy, c¸c ®ét biÕn ®−îc chóng ta nh¾c tíi chñ yÕu lµ ®ét biÕn ®iÓm. §ét biÕn lµ nguån gèc tËn cïng cña mäi biÕn dÞ di truyÒn, do vËy nã ®−îc coi lµ nguyªn liÖu s¬ cÊp cña tiÕn hãa. C¸c c¬ chÕ t¸i tæ hîp di truyÒn thùc chÊt chØ lµ sù tæ hîp l¹i c¸c biÕn dÞ di truyÒn; cßn chän läc (tù nhiªn vµ nh©n t¹o) cã vai trß ®Þnh h−íng nh»m duy tr× nh÷ng kiÓu tæ hîp (gen) thÝch nghi víi c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng sèng cña sinh vËt (chän läc tù nhiªn), hoÆc ®¸p øng ®−îc tèt nh÷ng nhu cÇu cña con ng−êi (chän läc nh©n t¹o). NÕu kh«ng cã ®ét biÕn, mäi gen ®Òu chØ tån t¹i ë mét tr¹ng th¸i duy nhÊt, sÏ kh«ng cã kh¸i niÖm vÒ alen vµ kh«ng cã sù ph©n ly tÝnh tr¹ng; quan träng h¬n c¶ lµ c¸c quÇn thÓ kh«ng thÓ tiÕn hãa ®Ó thÝch nghi ®−îc víi c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng thay ®æi. Nh− vËy, ®Ó sinh vËt cã thÓ ph¸t triÓn vµ thÝch nghi ®−îc víi c¸c m«i tr−êng sèng míi, viÖc ph¸t sinh ®ét biÕn lµ cÇn thiÕt. Nh−ng, nÕu ®ét biÕn x¶y ra víi tÇn sè qu¸ cao hoÆc th−êng xuyªn th× sù truyÒn t¶i th«ng tin di truyÒn gi÷a c¸c thÕ hÖ kh«ng cßn nguyªn vÑn. H¬n n÷a, phÇn lín ®ét biÕn khi míi xuÊt hiÖn th−êng kh«ng cã lîi cho søc sèng cña thÓ ®ét biÕn. Ngoµi c¸c t¸c nh©n ®ét biÕn, tÇn sè ®ét biÕn cña gen cßn phô thuéc vµo c¸c yÕu tè di truyÒn kh¸c, nh− c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa møc ®é ®ét biÕn ®−îc ®Ò cËp d−íi ®©y. 179

§inh §oµn Long 6.2. Mét sè ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña sù ph¸t sinh ®ét biÕn 6.2.1. §ét biÕn tÕ bµo mÇm sinh dôc vµ ®ét biÕn tÕ bµo soma §ét biÕn cã thÓ xuÊt hiÖn ë mäi tÕ bµo, trong mäi giai ®o¹n cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn ë sinh vËt. HiÖu qu¶ kiÓu h×nh cña ®ét biÕn phô thuéc vµo lo¹i tÕ bµo mµ ®ét biÕn sinh ra, thêi ®iÓm ph¸t sinh ®ét biÕn trong chu tr×nh tÕ bµo, tr¹ng th¸i tréi-lÆn cña nã (so víi b¶n sao thø hai trong tÕ bµo l−ìng béi). ë sinh vËt bËc cao, trong giai ®o¹n ®Çu ph¸t triÓn ph«i, c¸c tÕ bµo mÇm sinh dôc s¶n sinh ra c¸c tÕ bµo sinh tinh vµ sinh trøng, tõ ®ã h×nh thµnh nªn c¸c tÕ bµo sinh dôc tr−ëng thµnh (tinh trïng vµ trøng). Nh÷ng tÕ bµo nµy ®−îc gäi chung lµ tÕ bµo sinh dôc. TÊt c¶ c¸c tÕ bµo kh¸c cña c¬ thÓ ®−îc gäi lµ tÕ bµo soma. §ét biÕn x¶y ra trong c¸c tÕ bµo sinh dôc ®−îc gäi lµ ®ét biÕn giao tö, cßn ®ét biÕn x¶y ra trong tÕ bµo soma ®−îc gäi lµ ®ét biÕn soma. §ét biÕn soma chØ ®−îc duy tr× qua sù nguyªn ph©n cña tÕ bµo ®ét biÕn mµ kh«ng ®−îc truyÒn qua giao tö cho c¸c thÕ hÖ sau. NhiÒu gièng t¸o t©y vµ vµ cam Navel cã qu¶ ngät lµ kÕt qu¶ cña ®ét biÕn soma. Nh÷ng c©y mang ®ét biÕn soma th−êng ë d¹ng kh¶m, kh«ng di truyÒn ®−îc ®Æc tÝnh ®ét biÕn qua sinh s¶n h÷u tÝnh. RÊt may, nh÷ng loµi c©y trªn ®©y cã thÓ sinh s¶n sinh d−ìng (v« tÝnh) nhê c¸c kü thuËt nh− chiÕt, ghÐp, gi©m cµnh ... ®Ó duy tr× ®−îc c¸c ®Æc tÝnh “®ét biÕn” mong muèn. NÕu mét ®ét biÕn giao tö lµ tréi, th× hiÖu øng kiÓu h×nh cña nã cã thÓ xuÊt hiÖn ngay ë thÕ hÖ con. NÕu ®ét biÕn giao tö lµ lÆn, kiÓu h×nh cña nã kh«ng biÓu hiÖn ë kiÓu gen dÞ hîp tö. C¸c ®ét biÕn giao tö cã thÓ xuÊt hiÖn ë mäi giai ®o¹n cña qu¸ tr×nh sinh s¶n. NÕu nã chØ cã ë mét giao tö duy nhÊt, th× chØ cã mét c¸ thÓ con duy nhÊt mang gen ®ét biÕn. Nh−ng, nÕu ®ét biÕn xuÊt hiÖn trong tÕ bµo tiÒn sinh dôc (tÕ bµo sinh tinh hoÆc sinh trøng), th× sÏ cã nhiÒu giao tö nhËn ®−îc gen ®ét biÕn vµ kh¶ n¨ng gen ®ét biÕn ®−îc duy tr× sang c¸c thÕ hÖ sau lµ rÊt cao. V× vËy, tÝnh tréi – lÆn cña c¸c gen vµ thêi ®iÓm xuÊt hiÖn ®ét biÕn trong chu kú sinh s¶n ë sinh vËt lµ nh÷ng yÕu tè quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng mét gen (alen) ®ét biÕn cã ®−îc biÓu hiÖn vµ ph¸t t¸n trong quÇn thÓ hay kh«ng. 6.2.2. §ét biÕn tù ph¸t vµ ®ét biÕn g©y t¹o §ét biÕn cã thÓ xuÊt hiÖn do c¸c t¸c nh©n tõ m«i tr−êng, kÓ c¶ tõ m«i tr−êng néi bµo. Trong ®ã, ®ét biÕn tù ph¸t lµ nh÷ng ®ét biÕn mµ t¸c nh©n g©y ®ét biÕn th−êng kh«ng cô thÓ. Chóng cã thÓ do c¸c sai háng cña qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt trong c¬ thÓ g©y nªn, hoÆc do nh÷ng t¸c nh©n kh«ng x¸c ®Þnh tõ m«i tr−êng. §ét biÕn g©y t¹o lµ ®ét biÕn xuÊt hiÖn khi tÕ bµo hoÆc c¬ thÓ sinh vËt ®−îc xö lý víi c¸c t¸c nh©n vËt lý hoÆc hãa häc kh¸c nhau, lµm thay ®æi cÊu tróc vµ tr×nh tù nucleotide trong ph©n tö ADN (hoÆc ARN ë mét sè virut). Nh÷ng t¸c nh©n nµy ®−îc gäi lµ t¸c nh©n ®ét biÕn, bao gåm c¸c bøc x¹ ion hãa, tia s¸ng cùc tÝm (UV) vµ nhiÒu hãa chÊt g©y ®ét biÕn kh¸c nhau. MÆc dï ®−îc ph©n lo¹i nh− vËy, nh−ng trong thùc tÕ viÖc x¸c ®Þnh mét ®ét biÕn lµ do tù ph¸t hay g©y t¹o th−êng kh«ng râ rµng. V× vËy, trong c¸c nghiªn cøu di truyÒn, ®Ó ph©n biÖt c¸c ®ét biÕn g©y t¹o vµ tù ph¸t, c¸c nhµ nghiªn cøu th−êng ph¶i lµm thÝ nghiÖm so s¸nh víi “®èi chøng”. Cô thÓ, nÕu xö lý mét t¸c nh©n nµo ®ã mµ ®ét biÕn nhÊt ®Þnh t¨ng lªn 100 lÇn, th× cã thÓ coi 99% lµ do t¸c nh©n ®ét biÕn, cßn 1% lµ do tù ph¸t. C¸c ®ét biÕn tù ph¸t th−êng hiÕm x¶y ra, dï tÇn sè quan s¸t ®−îc lµ kh¸c nhau ë tõng gen vµ ë tõng ®èi t−îng sinh vËt. TÇn sè ®ét biÕn tù ph¸t cña nhiÒu gen ë vi khuÈn vµ virut ®−îc x¸c ®Þnh vµo kho¶ng 10-10 - 10-8 víi mçi nucleotide trong mét lÇn sao chÐp. Nh− vËy, víi mét gen kÝch th−íc trung b×nh 1000 bp, th× tÇn sè ®ét biÕn ë mçi gen sÏ vµo kho¶ng 10-7 - 10-4 trong mçi thÕ hÖ. 180

Ch−¬ng 6. §ét biÕn vµ söa ch÷a Adn ViÖc xö lý víi c¸c t¸c nh©n ®ét biÕn th−êng lµm t¨ng râ rÖt tÇn sè ®ét biÕn. TÇn sè ®ét biÕn ë mçi gen cña vi khuÈn vµ virut khi xö lý hãa chÊt ®ét biÕn th−êng t¨ng trªn 1%. NghÜa lµ, cã thªm 1% sè gen cña vi khuÈn sÏ mang Ýt nhÊt mét ®ét biÕn, hay lµ cã trªn 1% sè phag¬ trong quÇn thÓ mang Ýt nhÊt mét ®ét biÕn khi xÐt ë mçi gen. 6.2.3. §ét biÕn cã ph¶i lµ ngÉu nhiªn, v« h−íng? ë c¸c thµnh phè, nhiÒu quÇn thÓ chuét trë nªn kh¸ng víi thuèc diÖt chuét truyÒn thèng. T−¬ng tù nh− vËy, nhiÒu quÇn thÓ c«n trïng (s©u ®ôc th©n, s©u ¨n l¸ ...) trë nªn kh¸ng víi c¸c thuèc trõ s©u; ngµy cµng cã nhiÒu chñng vi khuÈn g©y bÖnh trë nªn kh¸ng c¸c chÊt kh¸ng sinh. ViÖc con ng−êi ®−a vµo sö dông c¸c lo¹i thuèc trõ s©u vµ kh¸ng sinh míi ®· t¹o nªn m«i tr−êng sèng míi ë c¸c sinh vËt nµy, vµ chÝnh c¸c ®ét biÕn ®· t¹o cho chóng kh¶ n¨ng kh¸ng víi c¸c thuèc trõ s©u vµ kh¸ng sinh nãi trªn. C¸c c¸ thÓ kh«ng ®ét biÕn, mÉn c¶m víi thuèc th× bÞ chÕt; cßn c¸c thÓ ®ét biÕn th× sinh s¶n nhanh thµnh nh÷ng quÇn thÓ kh¸ng thuèc míi. §Õn nay, cã nhiÒu b»ng chøng kh¼ng ®Þnh sù tiÕn hãa ë sinh vËt lµ kÕt qu¶ cña chän läc c¸c ®ét biÕn lµm t¨ng kh¶ n¨ng thÝch nghi ë sinh vËt. Nh÷ng vÝ dô nµy ®Æt ra mét sè c©u hái c¬ b¶n lµ liÖu sù xuÊt hiÖn ®ét biÕn cã ®óng lµ sù kiÖn ngÉu nhiªn hoµn toµn cßn yÕu tè m«i tr−êng chØ duy tr× c¸c ®ét biÕn s½n cã? hay sù xuÊt hiÖn ®ét biÕn ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c yÕu tè m«i tr−êng? Thùc nghiÖm cho thÊy, xu h−íng ®ét biÕn ®−îc h×nh thµnh theo c¸ch thø nhÊt. Ch¼ng h¹n, nÕu c¾t ®u«i chuét liªn tiÕp nhiÒu thÕ hÖ th× còng kh«ng bao giê thu ®−îc “loµi” chuét côt ®u«i. Tuy vËy, Lamarck vµ Lysenko ®· tõng tin vµo viÖc c¸c yÕu tè m«i tr−êng quy ®Þnh sù tiÕn hãa. Ngµy nay, chóng ta cã thÓ khã hiÓu t¹i sao Lysenko l¹i ñng hé thuyÕt cña Lamarck vÒ sù h×nh thµnh c¸c tÝnh tr¹ng tËp nhiÔm (thuyÕt nµy ngù trÞ ë n−íc Nga trong suèt giai ®o¹n 1937 – 1964). Nh−ng, ph¶i thõa nhËn kh«ng dÔ phñ quyÕt häc thuyÕt Lamarck, ®Æc biÖt khi xÐt ®Õn nhiÒu tr−êng hîp ë vi khuÈn. Ch¼ng h¹n, mét quÇn thÓ E. coli ®−îc cÊy vµo m«i tr−êng kh«ng cã streptomycin, råi sau ®ã chuyÓn sang m«i tr−êng cã kh¸ng sinh nµy, th× phÇn lín vi khuÈn bÞ chÕt. Nh−ng, cã mét sè tÕ bµo kh¸ng ®−îc chÊt kh¸ng sinh, cã thÓ sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn m¹nh. Mét c©u hái ®Æt ra lµ: ®ét biÕn kh¸ng kh¸ng sinh ®· tån t¹i s½n trong quÇn thÓ hay khi cã chÊt kh¸ng sinh nã míi xuÊt hiÖn? N¨m 1952, Joshua vµ Lederberg ®· ph¸t triÓn mét kü thuËt quan träng, gäi lµ ph−¬ng ph¸p ®ãng dÊu. Ph−¬ng ph¸p nµy chøng minh c¸c ®ét biÕn kh¸ng kh¸ng sinh ®· xuÊt hiÖn ë vi khuÈn tõ tr−íc khi chóng ®−îc chuyÓn sang nu«i cÊy trong m«i tr−êng cã chÊt kh¸ng sinh. Lederberg ®· hßa lo·ng dÞch nu«i vi khuÈn vµ tr¶i chóng lªn bÒ mÆt m«i tr−êng chøa agar vµ nu«i trong buång nu«i ®Õn khi mçi tÕ bµo vi khuÈn ph¸t triÓn thµnh tõng khuÈn l¹c riªng biÖt. C¸c nhµ nghiªn cøu sau ®ã ®· dïng mét viªn gç trßn bäc v¶i nhung (gäi lµ “con dÊu”) Ên lªn bÒ mÆt m«i tr−êng. TÕ bµo vi khuÈn t−¬ng øng víi vÞ trÝ khuÈn l¹c ®−îc “in vÕt” lªn mÆt v¶i nhung cña con dÊu. B−íc tiÕp theo, “con dÊu” ®−îc dïng ®Ó in vi khuÈn lªn mÆt m«i tr−êng chøa streptomycin. Hä lÆp l¹i quy tr×nh nµy víi nhiÒu ®Üa petri, mçi ®Üa gåm kho¶ng 200 khuÈn l¹c. Sau khi nu«i qua ®ªm, h«m sau hä nhËn ®−îc mét sè khuÈn l¹c cã kh¶ n¨ng kh¸ng streptomycin. Lederberg sau ®ã ®· kiÓm tra c¸c khuÈn l¹c trong m«i tr−êng kh«ng cã streptomycin vÒ kh¶ n¨ng sèng cña chóng trong m«i tr−êng chøa streptomycin. KÕt qu¶ thó vÞ lµ, c¸c khuÈn l¹c trong m«i tr−êng kh«ng cã streptomycin t−¬ng øng víi c¸c khuÈn l¹c mäc trong m«i tr−êng cã streptomycin, hÇu nh− lu«n cã tÕ bµo kh¸ng ®−îc chÊt kh¸ng sinh. Trong khi c¸c khuÈn l¹c kh«ng mäc trong m«i tr−êng chän läc rÊt hiÕm khi cã tÕ bµo kh¸ng ®−îc chÊt kh¸ng sinh. B»ng c¸ch nµy, Lederberg ®· chøng minh ®−îc r»ng, sù xuÊt hiÖn c¸c ®ét biÕn kh¸ng streptomycin ®· cã mÆt s½n trong quÇn thÓ tõ tr−íc khi 181

§inh §oµn Long chóng ®−îc chuyÓn sang m«i tr−êng cã streptomycin. C¸c b»ng chøng thùc nghiÖm sau nµy còng chøng minh r»ng, c¸c t¸c nh©n m«i tr−êng kh«ng trùc tiÕp ®iÒu khiÓn sù h×nh thµnh ®ét biÕn (nh− quan ®iÓm cña Lysenko), mµ chóng chØ ®¬n thuÇn chän läc c¸c ®ét biÕn vèn cã s½n ë tÇn sè thÊp; dÉn ®Õn c¸c kiÓu h×nh thÝch nghi h¬n trong m«i tr−êng sèng míi vµ trë nªn sinh s¶n m¹nh mÏ, lÊn ¸t c¸c kiÓu h×nh kh¸c kÐm thÝch nghi h¬n. 6.2.4. §ét biÕn cã thÓ ®¶o ng−îc (®ét biÕn phôc håi) Nh− ®· nªu, mét ®ét biÕn ë gen kiÓu d¹i cã thÓ t¹o nªn mét alen ®ét biÕn vµ dÉn ®Õn mét kiÓu h×nh bÊt th−êng. §ét biÕn tõ alen kiÓu d¹i thµnh alen ®ét biÕn ®−îc xem lµ ®ét biÕn thuËn. Nh−ng, alen ®ét biÕn còng cã thÓ ®ét biÕn ng−îc l¹i ®Ó trë vÒ d¹ng kiÓu d¹i. §ét biÕn nµy ®−îc gäi lµ ®ét biÕn ng−îc hay ®ét biÕn phôc håi. Trong thùc tÕ, ®«i khi viÖc x¸c ®Þnh mét kiÓu h×nh lµ ®ét biÕn hay kiÓu d¹i kh«ng dÔ dµng. Chóng ®¬n gi¶n chØ lµ hai kiÓu h×nh cã hÖ sè thÝch nghi t−¬ng ®−¬ng. Ch¼ng h¹n, ë ng−êi, c¸c mµu m¾t ®en, n©u vµ xanh ®Òu ®−îc xem lµ kiÓu h×nh kiÓu d¹i. Nh−ng ë quÇn thÓ mµu m¾t ®en chiÕm −u thÕ, chØ cã Ýt c¸ thÓ mµu m¾t xanh th× alen m¾t xanh cã thÓ bÞ coi lµ ®ét biÕn. Khi mét ®ét biÕn thø hai lµm phôc håi kiÓu h×nh ban ®Çu vèn mÊt ®i do ®ét biÕn thø nhÊt, th× qu¸ tr×nh ®ã ®−îc gäi lµ phôc phåi ®ét biÕn. Sù phôc håi ®ét biÕn cã thÓ diÔn ra theo hai c¸ch: 1) ®ét biÕn KiÓu h×nh KiÓu gen trë l¹i: ®ã lµ khi ®ét biÕn thø hai x¶y KiÓu d¹i + ra t¹i cïng vÞ trÝ trªn gen, kh«i phôc l¹i tr×nh tù nucleotide ban ®Çu cña KiÓu h×nh ®ét biÕn §ét biÕn gen; vµ 2) ®ét biÕn øc chÕ: ®ã lµ khi m mét ®ét biÕn thø hai x¶y ra ë mét vÞ §ét biÕn trë l¹i §ét biÕn øc chÕ trÝ kh¸c trong hÖ gen, ng¨n c¶n sù KiÓu d¹i (1) Phôc håi kiÓu h×nh s biÓu hiÖn cña ®ét biÕn thø nhÊt +m (h×nh 6.1). Nh− vËy, ®ét biÕn trë l¹i (2) th× phôc håi tr×nh tù nucleotide kiÓu d¹i, cßn ®ét biÕn øc chÕ th× kh«ng. Lai ng−îc víi kiÓu d¹i §ét biÕn øc chÕ cã thÓ x¶y ra ë vÞ trÝ kh¸c trong gen, ë gen kh¸c, hay thËm (1) + + Toµn bé thÕ hÖ con chÝ ë NST kh¸c. cã kiÓu h×nh kiÓu d¹i Mét sè ®ét biÕn phôc håi theo + kiÓu ®ét biÕn trë l¹i, nh−ng nhiÒu m s d¹ng ®ét biÕn kh¸c lµ do ®ét biÕn øc (a) chÕ. §Ó ph©n biÖt hai d¹ng ®ét biÕn C¸c kiÓu h×nh kiÓu ng−îc nµy, ng−êi ta tiÕn hµnh phÐp (2) ms + d¹i cña bè, mÑ lai ng−îc (thÓ ®ét biÕn x kiÓu d¹i). + (b) NÕu ®ét biÕn ng−îc theo kiÓu ®ét T¸i tæ hîp: kiÓu biÕn øc chÕ, th× kiÓu h×nh ®ét biÕn m s h×nh ®ét biÕn (c) T¸i tæ hîp: kiÓu (d) h×nh ch−a biÕt thø nhÊt sÏ xuÊt hiÖn trë l¹i (nhê sù H×nh 6.1. Sù kh«i phôc kiÓu h×nh kiÓu d¹i cña mét c¬ thÓ. ph©n li khái thÓ ®ét biÕn øc chÕ sau §iÒu nµy cã thÓ x¶y ra bëi (1) §ét biÕn trë l¹i, hoÆc (2) §ét t¸i tæ hîp di truyÒn). NÕu kiÓu d¹i biÕn øc chÕ. Mét sè thÓ ®ét biÕn cã thÓ ®¶o ng−îc vÒ kiÓu d¹i ®−îc phôc håi nhê ®ét biÕn trë l¹i, th× tÊt c¶ c¸c c¸ thÓ lai sinh ra tõ phÐp b»ng c¶ hai c¬ chÕ. Cã thÓ ph©n biÖt hai lo¹i ®ét biÕn phôc lai ng−îc ®Òu cã kiÓu h×nh kiÓu d¹i. håi b»ng viÖc cho lai ng−îc víi kiÓu d¹i ban ®Çu. NÕu ®ét biÕn phôc håi lµ ®ét biÕn ng−îc th× toµn bé con lai lµ kiÓu d¹i. NÕu ®ét biÕn phôc håi lµ ®ét biÕn øc chÕ, th× mét sè con lai cã kiÓu h×nh ®ét biÕn (d¹ng 2c). 182

Ch−¬ng 6. §ét biÕn vµ söa ch÷a Adn 6.3. §ét biÕn vµ hiÖu qu¶ kiÓu h×nh HiÖu qu¶ kiÓu h×nh cña ®ét biÕn cã thÓ rÊt yÕu ♀♂ (chØ ph¸t hiÖn ®−îc b»ng ph©n tÝch di truyÒn hoÆc hãa +l + sinh), song còng cã thÓ rÊt lín (g©y hËu qu¶ nghiªm P träng víi sinh vËt, kÓ c¶ g©y chÕt). C¸c ®ét biÕn trong XX XY vïng m· hãa cña gen th−êng t¹o nªn alen míi cña gen ®ã. Nh÷ng alen kh«ng t¹o ra hiÖu qu¶ kiÓu h×nh kh¸c biÖt víi kiÓu d¹i (hoÆc chØ cã thÓ ph¸t hiÖn bëi l c¸c ph©n tÝch ®Æc biÖt), ®−îc gäi lµ c¸c alen ®ång F1 + + l + + ®¼ng (isoallele). Cßn nh÷ng ®ét biÕn lµm s¶n phÈm XX XX XY XY cña gen mÊt chøc n¨ng, hoÆc gen kh«ng cßn ®−îc ♀ ♀ ♂♂ dïng ®Ó dÞch m·, th× alen sinh ra ®−îc gäi lµ alen v« nghÜa (null allele). NÕu ®ét biÕn alen v« nghÜa liªn H×nh 6.2. Sù thay ®æi tØ lÖ giíi tÝnh ë quan ®Õn c¸c gen thiÕt yÕu cho sù ph¸t triÓn cña sinh ruåi giÊm do ®ét biÕn lÆn g©y chÕt liªn kÕt NST X. Con c¸i dÞ hîp tö vÒ alen ®ét biÕn sinh ra tØ lÖ 2 c¸i : 1 ®ùc. vËt, th× c¸c c¸ thÓ ®ång hîp tö th−êng chÕt sím. C¸c alen nh− vËy cßn ®−îc gäi lµ alen lÆn g©y chÕt. CÇn ph©n biÖt ®ét biÕn alen v« nghÜa víi ®ét biÕn v« nghÜa. Trong ®ã, ®ét biÕn v« nghÜa lµ ®ét biÕn h×nh thµnh mét trong c¸c bé ba kÕt thóc (UAA, UAG vµ UGA) trong vïng m· hãa cña gen. Alen ®ét biÕn cã thÓ ë tr¹ng th¸i tréi hoÆc lÆn. ë sinh vËt ®¬n béi (nh− vi khuÈn, virut), dï tr¹ng th¸i ®ét biÕn lµ tréi hay lÆn, th× hiÖu qu¶ kiÓu h×nh ®ét biÕn th−êng biÓu hiÖn ngay (tøc lµ alen ®ét biÕn biÓu hiÖn kiÓu h×nh ngay khi chóng h×nh thµnh). ë sinh vËt l−ìng béi (nh− ruåi giÊm, ng−êi), c¸c ®ét biÕn lÆn chØ lµm thay ®æi kiÓu h×nh khi ë tr¹ng th¸i ®ång hîp tö. ë nh÷ng loµi nµy, phÇn lín ®ét biÕn lÆn kh«ng biÓu hiÖn kiÓu h×nh khi chóng võa xuÊt hiÖn (v× lóc ®ã chóng th−êng ë d¹ng dÞ hîp tö), trõ c¸c ®ét biÕn lÆn liªn kÕt NST X biÓu hiÖn ngay ë c¸ thÓ dÞ giao tö (con ®ùc ë phÇn lín ®éng vËt). C¸c ®ét biÕn lÆn g©y chÕt th−êng lµm thay ®æi tØ lÖ giíi tÝnh cña thÕ hÖ con, do c¸ thÓ dÞ giao tö mang alen g©y chÕt kh«ng tån t¹i (h×nh 6.2). 6.3.1. PhÇn lín ®ét biÕn lµ cã h¹i vµ th−êng ë tr¹ng th¸i lÆn PhÇn lín ®ét biÕn ®−îc ph¸t hiÖn lµ cã h¹i (bªn c¹nh nhiÒu ®ét biÕn trung tÝnh th−êng Ýt ®−îc quan t©m) vµ ë tr¹ng th¸i lÆn. §iÒu nµy cã thÓ hiÓu ®−îc khi chóng ta xÐt c¬ chÕ kiÓm so¸t di truyÒn cña qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt. Mçi qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt th−êng gåm mét hoÆc nhiÒu chuçi ph¶n øng, trong ®ã mçi b−íc ph¶n øng ®Òu cÇn Ýt nhÊt mét enzym ®Æc hiÖu, mµ mçi enzym th× ®−îc m· hãa bëi mét hoÆc mét sè gen nhÊt ®Þnh. C¸c ®ét biÕn trong nh÷ng gen nµy th−êng c¶n trë qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt (h×nh 6.3). Nh÷ng c¶n trë nµy xuÊt hiÖn do sù thay ®æi tr×nh tù c¸c baz¬ nit¬ trong gen dÉn ®Õn sù thay ®æi tr×nh tù c¸c axit amin trong protein. Vµ, trong nhiÒu tr−êng hîp, c¸c protein ®ét biÕn bÞ mÊt chøc n¨ng. Trong thùc tÕ, ®©y chÝnh lµ hiÖu øng ®ét biÕn ®−îc ph¸t hiÖn phæ biÕn nhÊt. Qua viÖc c¸c alen kiÓu d¹i m· hãa cho c¸c enzym cã ho¹t tÝnh, cßn c¸c alen ®ét biÕn m· hãa cho c¸c enzym mÊt hoµn toµn hay mét phÇn ho¹t tÝnh th× còng dÔ hiÓu t¹i 183