Họ tên: Nguyễn Thị Lịch

Lớp: K50A- Sinh học

Môn chuyên đề: Vi sinh vật học phân tử.

Chương 10. ĐIỀU HOÀ PHIÊN MÃ Ở ERKARYOTE

NỘI DUNG:

1. Điều hoà phiên mã ở Eukaryote phức tạp hơn so với Prokaryote.

Các lý thuyết chung về điều hoà phiên mã được áp dụng cho cả Eukaryote và

Prokaryote. Trước khi đi vào nghiên cứu điều hoà phiên mã ở Eukaryote cần xem lại các

lý thuyết về điều hoà phiên mã ở chương trước. Tuy nhiên điều hoà phiên mã ở

Eukaryote đặc biệt là ở sinh vật đa bào là phức tạp hơn ở Prokaryote. Sinh vật nhân

chuẩn ở mức thang tiến hoá càng cao thì càng có nhiều gen hơn so với vi khuẩn và điều

hoà biểu hiện gen trong các sinh vật này là khác nhau ở các mô khác nhau của cơ thể và

khác nhau tuỳ từng giai đoạn phát triển của cơ thể. Khi quá trình phiên mã xảy ra, trước

tiên ADN phải được bộc lộ cho các yếu tố phiên mã gắn vào. Nói chung sự biểu hiện gen

ở Eukaryote cần các yếu tố hoạt hoá. Các yếu tố này sẽ đính vào vùng ADN phía trước

promoter hoặc đính vào các enhancer (trình tự tăng cường) có thể cách xa promoter tới

vài kb như đã đề cập trong chương 6. Hơn thế nữa, các enhancer ở Eukaryote có thể nằm

sau gen đích và điều hoà gen đó.

Gen ở Eukaryote cô lập trong nhân tế bào. Các yếu tố điều hoà có bản chất là

protein, nên chúng có nguồn gốc từ tế bào chất; để điều hoà được gen thì chúng phải

được đưa vào nhân tế bào. Mặc dù ADN ở Prokaryote và Eukaryote đều cô đặc trong

trạng thái liên kết với protein nhưng ở Eukaryote, ADN có mức độ cô đặc cao hơn trong

cấu trúc các nucleosome và ADN ở Eukaryote thì liên kết với protein là histon. Một số

phần ADN thường cuộn chặt trong cấu trúc dị nhiễm sắc vì vậy nó không thể tương tác

với RNA polymerase (hình 10.01). Do đó cả RNA polymerase và các yếu tố phiên mã

khó có thể tiến được vào ADN ở vùng dị nhiễm sắc.

1

Hình 10.01. Ở Eukaryote, RNA khó có thể tiếp cận với gen. Ở tế bào Eukaryote có sự ngăn cách

giữa nhân và tế bào chất do đó các yếu tố phiên mã tạo thành ở tế bào chất cần được vận chuyển

vào trong nhân. ADN ở trong nhân thường ở trạng thái cô đặc cao và rất khó tiếp cận.

2. Các yếu tố phiên mã đặc biệt điều hoà gen mã hoá protein.

Mục này sẽ bàn về điều hoà gen mã hoá protein – gen được phiên mã bởi RNA

polymerase II. Như đã nói ở chương 6, để biểu hiện các gen này cũng cần các yếu tố

phiên mã chung. Ngoài ra cũng cần cả các yếu tố phiên mã đặc biệt – các yếu tố mà chỉ

ảnh hưởng tới các gen nhất định, cần để trả lời cho những kích thích hoặc tín hiệu đặc

biệt. Các yếu tố phiên mã có thể đính vào các yếu tố nằm phía trước promoter hoặc đính

vào các enhancer nằm rất xa promoter.

Các yếu tố phiên mã đặc biệt có những đặc điểm chung sau:

1. Chúng cần để trả lời cho một kích thích yêu cầu một hay một vài gen nào đó

phải được bật mở.

2. Không giống như hầu hết các protein, yếu tố phiên mã có thể đi vào nhân – nơi

cư trú của gen.

3. Chúng nhận ra và đính vào trình tự đặc biệt trên ADN.

4. Chúng cũng liên kết được với bộ máy phiên mã một cách trực tiếp hoặc gián

tiếp.

Một số protein gắn với ADN (DNA-binding protein) có thể trả lời trực tiếp tới một

tín hiệu kích thích (trường hợp này phổ biến ở Prokaryote). Tuy nhiên ở sinh vật bậc cao,

các yếu tố phiên mã tách biệt với các tín hiệu kích thích, nghĩa là nó chỉ đáp ứng một

cách gián tiếp các kích thích thông qua một vài bước trung gian.

2

Protein gắn với ADN và tác dụng của nó tới quá trình phiên mã sẽ được xem xét sau

đây.

Các yếu tố phiên mã thường cấu trúc với ít nhất 2 vùng (domain): một vùng gắn

với ADN và một vùng tương tác với bộ máy phiên mã. Điều này đã được chứng minh

bằng thực nghiệm. Người ta sử dụng các protein lai nhân tạo chứa vùng gắn được với

ADN của một protein này và vùng hoạt động của một protein khác (hình 10.02). Protein

lai chứa vùng gắn với ADN của một protein có nguồn gốc từ vi khuẩn và vùng hoạt động

của yếu tố hoạt hoá gen Gal 4 của nấm men. Protein sẽ không còn khả năng hoạt hoá

phiên mã đối với promoter bình thường của nấm men được nữa. Tuy nhiên nó lại có thể

hoạt hoá phiên mã đối với promoter nhân tạo có trình tự nhận biết của protein vi khuẩn

được chèn vào. Protein gắn với ADN ở vi khuẩn được sử dụng trong thí nghiệm này là

Lex A, thực tế Lex A là một yếu tố kìm hãm (repressor).

3. Phức hệ trung gian truyền tín hiệu tới RNA polymerase.

Ở Prokaryote, yếu tố xich- ma giúp RNA polymerase nhận ra promoter còn các yếu

tố hoạt hoá giúp RNA polymerase gắn được vào promoter. Ở Eukaryote, thì các yếu tố

phiên mã chung đảm nhiệm cả 2 chức năng nhận diện và gắn vào promoter. Các yếu tố

hoạt hoá ở Eukaryote như là các yếu tố hỗ trợ RNA polymerase di chuyển lên phía trước

kể từ vị trí promoter trong quá trình phiên mã. Một vài yếu tố hoạt hoá ở Eukaryote có

thể liên kết với các yếu tố phiên mã chung như TFIIB, TFIID và TFIIH. Tuy nhiên, nó

chưa đủ để khởi động quá trình phiên mã.

Các yếu tố trung gian là các phức protein có khả năng gắn với phần phía trên của

RNA polymerase II do RNA polymerase có các vị trí đặc hiệu gắn cho các yếu tố này đặc

biệt đối với các yếu tố có khả năng liên kết với các enhancer (hình 10.03). Các yếu tố

trung gian gồm khoảng 20 protein tiểu đơn vị và nhận các tín hiệu từ các yếu tố hoạt hoá

(activator). Chính xác hơn là nó kết hợp các tín hiệu từ nhiều yếu tố hoạt hoá và kìm hãm

sau đó gửi kết quả tín hiệu tới RNA polymerase II. Một số tiểu đơn vị của yếu tố trung

gian hoạt động theo kiểu điều hoà dương tính trong khi số còn lại có chức năng điều hoà

âm tính.

3

Hình 10.02. Các yếu tố phiên mã có 2 vùng độc lập.

A) Một vùng chứa yếu tố phiên mã của gen Gal 4 thường gắn được vào trình tự nhận biết trên

gen Gal 4 còn vùng kia gắn với bộ máy phiên mã.

B) Nếu trình tự nhận biết của Gal 4 được thay thế bằng trình tự nhận biết của Lex A thì yếu tố

phiên mã sẽ không nhận ra ADN do đó không gắn được vào đó.

C) Một protein nhân tạo gồm vùng gắn với trình tự nhận biết của Lex A và vùng chứa yếu tố

hoạt hoá gen Gal 4. Protein này sẽ không nhận ra trình tự nhận biết của Gal 4;

D) Nhưng nó sẽ nhận ra và gắn vào trình tự nhận biết của Lex A và hoạt hoá quá trình phiên mã.

Bởi vì vùng chứa yếu tố hoạt hoá gen Gal 4 sẽ hoạt động độc lập với vùng nhận biết – nó

hoạt hoá phiên mã xảy ra miễn là nó được gắn với ADN.

Phức hệ trung gian bao gồm một lõi – lõi giống nhau ở cả nấm men và sinh vật nhân

chuẩn bậc cao hơn. Gắn với lõi là các tiểu đơn vị khác – các tiểu đơn vị có đặc điểm là rất

khác nhau giữa các sinh vật cũng như trong các mô khác nhau của cùng một cơ thể sinh

vật. Rất nhiều các protein trung gian đã được xem như là các protein đồng hoạt hoá (co-

activator) trước khi chúng được biết là thuộc về phức hệ này.

4. Chức năng khác nhau của các trình tự tăng cường và cách li đối với ADN

Các enhancer có thể xuất hiện ở khoảng cách xa từ vài kb trước hoặc sau promoter

mà nó điều hoà. Do cấu trúc vòng (loop) của ADN nên các protein hoạt hoá liên kết với

enhancer có thể cũng liên kết được với bộ máy phiên mã thông qua phức hệ trung gian

như đã nói ở trên (hình 10.03).

Cơ chế tạo cấu trúc vòng cũng cho phép các enhancer có khả năng điều hoà một vài

gen lân cận. Nhưng bằng cách nào mà enhancer không thể điều hoà được các gen ở xa

hơn trên NST. Người ta cho rằng các gen đó lại được điều hoà bởi các enhancer khác

gần gen hơn. Dường như đã có sự phân chia NST thành từng vùng có sự kiểm soát và

4

điều hoà riêng, người ta đã phát hiện được yếu tố đóng vai trò trong sự phân chia đó là

các trình tự đặc biệt trên ADN được gọi là các trình tự cách li hay “yếu tố ranh giới”

(boundary element) (hình 10.04). Một enhancer mất tác dụng điều hoà một gen nếu có

trình tự cách li nằm giữa trình tự enhancer và gen mà nó điều hoà.

Hình 10.03. Các protein hoạt hoá và các yếu tố trung gian.

A) Sự tạo thành cấu trúc vòng của ADN cho phép các yếu tố hoạt hoá đã gắn vào enhancer có

thể tiếp cận tới bộ máy phiên mã.

B) Phức hệ trung gian cho phép sự liên hệ giữa các yếu tố tăng cường và các yếu tố kìm hãm với

RNA polymerase.

Minh hoạ một cấu trúc vòng ADN chứa 1 trình tự enhancer có tác dụng lên cả 2 gen

X và Y. Các trình tự cách li ở 2 bên nút của cấu trúc vòng được nhận biết bởi IBP

(insulator binding protein) một loại protein có thể gắn vào trình tự cách li, do đó ngăn cản

enhancer không thể tác dụng tới các vùng ADN nằm bên ngoài cấu trúc loop này.

Hình 10.04. Các trình tự cách li hạn chế giới hạn hoạt động của enhancer.

5

Trình tự cách li là vùng ADN bao gồm một những nhóm các trình tự có thể liên kết

với loại protein đặc biệt gọi là “ngón tay kẽm” ( zinc-finger proteins) hay còn gọi là các

protein gắn với trình tự cách li IBPs (insulator binding proteins). Ở động vật có xương

sống, protein loại này phổ biến là CTCF (CCCTC-binding Factor) hay yếu tố gắn với

trình tự CCCTC. Các protein này sẽ liên kết với các trình tự cách li và phong tảo hoạt

động của enhancer. ( Trong một số sinh vật như ruồi giấm Drosophila, không chỉ có các

trình tự cách li cố định mà còn có các trình tự cách li di động. Một ví dụ cho yếu tố cách

li di động chính là retrotransposon (gen nhảy thông qua sự phiên mã ngược) chúng có

khả năng di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trong hệ gen. (đọc chương 15).

Trong một số trường hợp, phải kể đến là ở các động vật có xương sống, các trình tự

cách li có thể được chuyển hoá giữa 2 dạng hoạt động và không hoạt động. Các trình tự

cách li giàu GC thì có thể các trình tự CG này bị metyl hoá. Khi yếu tố cách li bị metyl

hoá thì nó không còn có thể liên kết với protein CTCF nữa do đó yếu tố cách li không

hoạt động (hình 10.05). Gen Igf2 (mã hoá yếu tố sinh trưởng II giống insulin – insulin-

like growth factor II) và gen H19 kế cận gen Igf2 và có cùng chiều phiên mã. Bản sao

của gen Igf2 có nguồn gốc từ mẹ ở trạng thái bình thường là không hoạt động nhưng bản

sao của gen này có nguồn gốc ằư bố thì hoạt động. Ngược lại đối với bản sao gen H19 có

nguồn gốc từ mẹ ở trạng thái bình thường là hoạt động trong khi đó bản sao từ bố là bất

hoạt. Đó là bởi vì sự khác nhau về vị trí metyl hoá trên NST có nguồn gốc từ bố và mẹ.

(ví dụ là cơ chế đánh dấu gen sẽ được đề cập sau).

Hình 10.05. Mối liên quan giữa sự metyl hoá các trình tự cách li và khả năng liên kết với protein của

chúng.

6

A) Gen Igf2 cách xa yếu tố tăng cường.

B) Khi trình tự cách li không bị metyl hóa thì chúng có thể liên kết được với protein CTCF do

đó trình tự tăng cường chỉ ảnh hưởng tới gen H19.

C) Khi trình tự cách li và gen H19 bị metyl hoá, các protein CTCF không còn gắn được vào các

trình tự cách li này do đó cho phép enhancer có thể hoạt hoá gen Igf2.

Nguyên nhân để gọi các trình tự cách li là yếu tố ranh giới bởi vì chúng hình thành

nên ranh giới với các vùng dị nhiễm sắc. Ngoài việc cản trở hoạt động của các enhancer

thì các trình tự cách li cũng ngăn cản sự lan rộng ra của các cấu trúc dị nhiễm sắc và việc

làm tắt gen (xem sau).

Hình 10.06. Các vùng ADN có cấu trúc loop nằm giữa các vùng MAR (matrix

attachment region – vùng đính với chất nền)

Mặc dù trên ADN có rất nhiều cấu trúc loop nhưng chỉ có cấu trúc loop được vẽ trên

hình là bắt nguồn từ một vùng đính với giá đỡ (nuclear scafford). Các vùng đính với chất

nền chứa các protein gắn với chất nền (MAR protein) giúp ADN cố định vào giá đỡ.

5. Các vùng đính với chất nền cho phép ADN tạo vòng.

Ở cả vi khuẩn và Eukaryote, ADN được sắp xếp thành các cấu trúc loop lớn, đính

từng quãng vào giá đỡ (chromosomal scaffold) (xem chương 4). Ở vi khuẩn, cấu trúc

loop bao gồm khoảng 40 kbp trong khi ở sinh vật Eukaryote cấu trúc này khoảng 60kbp

có khi dài hơn.

Trong suốt kì trung gian, một mạng lưới các protein dạng sợi - chất nền của nhân tế

bào xuất hiện ở bên trong màng tế bào. Vị trí ADN đính vào các protein của chất nền

được gọi là các vùng đính với chất nền hay MARs. Bởi vì các vị trí ADN đính với giá đỡ

trong suốt quá trình sao chép ADN cũng giống với vị trí chúng gắn kết với chất nền trong

suốt gian kì, do đó chúng cũng còn được gọi là các vùng đính với giá đỡ hay SARs.

7

Các vị trí MAR hay SAR có chiều dài từ 200-1000 bp và giàu AT (70% AT) nhưng

không cố định. ADN có nhiều đoạn bị bẻ cong mang tính di truyền (đọc chương 4) và do

đó các protein nhân tế bào liên kết với với các vùng MAR nhận ra các chỗ ADN bị bẻ

cong này dễ hơn là nhận biết một trình tự đặc biệt. Topoisomerase II sẽ nhận biết vị trí

bên cạnh các vị trí MAR, vì vậy mà việc hình thành các cấu trúc siêu xoắn ở từng cấu

trúc loop được điều khiển một cách độc lập với nhau. Các trình tự tăng cường và các yếu

tố điều khiển thường liên quan đến các vị trí MAR này. Trong trường hợp cấu trúc lại

nhiễm sắc (xem phần sau) thì cũng bắt đầu từ một vị trí MAR và ảnh hưởng tới toàn bộ

cấu trúc loop đó. (hình 10.06).

Trong các thực vật và động vật chuyển gen, nếu gen được chuyển mà nằm giữa 2 vị

trí MAR thì sẽ đảm bảo cho việc biểu hiện gen thành công bởi vì vùng nhiễm sắc này có

khả năng bật mở cho quá trình phiên mã xảy ra.

6. Điều hoà âm tính trong phiên mã ở Eukaryote.

Việc điều hoà âm tính đơn giản thông qua các chất kìm hãm chỉ thường thấy ở

Prokaryote nhưng hiếm gặp ở Eukaryote (chỉ thấy ở các sinh vật Eukaryote đơn bào

chẳng hạn ở nấm men là một ví dụ). Mặc dù ở sinh vật Eukaryote hiếm thấy các chất kìm

hãm nhưng lại không có nghĩa là ít thấy kiểu điều hoà âm tính ở Eukaryote. Mà trái lại ở

các sinh vật bậc cao đã phát hiện thấy một số kiểu điều hoà âm tính còn có vai trò sống

còn đối với sinh vật hơn là các kiểu điều hoà phức tạp khác. Nói chung điều hoà âm tính

ở Eukaryote theo kiểu ức chế hoặc ngăn cản các protein hoạt hoá.

Hình 10.07. Blook các vị trí CAAT box ở nhím biển.

A) Trước khi phiên mã diễn ra thì cần một số các yếu tố gắn vào các yếu tố phiên mã thích hợp.

B) Khi một protein thay thế là CDP gắn vào CAAT box làm cho các CTF không còn có vị trí

gắn nữa thì quá trình phiên mã không thể diễn ra. Bởi nó đã ngăn cản sự lắp ráp của bộ máy

phiên mã và ngừng biểu hiện gen liên quan.

Cách dễ thấy nhất để ức chế một protein hoạt hoá là bất hoạt vùng nhận biết trên

ADN của nó, do đó mà nó không thể gắn vào ADN được nữa. Một ví dụ minh hoạ cho

8

vấn đề này là hộp CAAT trong vùng promoter của gen sinh vật Eukaryote. Hoạt hoá gen

H2B trong tế bào tinh hoàn của nhím biển ngoài những yếu tố khác thì cần protein hoạt

hoá CTF phải được gắn vào trình tự CAAT. Tuy nhiên một loại protein thay thế là CDP

cũng có khả năng gắn vào trình tự CAAT do đó ngăn cản các protein hoạt hoá gắn vào vị

trí này. Cơ chế này cũng xuất hiện trong mô phôi và ngăn cản các biểu hiện trước tuổi

trưởng thành của các gen biệt hoá tinh hoàn. Sự hiện diện của các protein CDP ngăn cản

sự lắp ráp của bộ máy phiên mã, tuy nhiên cần chú ý rằng CDP không ngăn cản RNA

polymerase gắn vào ADN giống như các chất kĩm hãm ở vi khuẩn (hình 10.07).

Một ví dụ khác về điều hoà âm tính cụm gen cần thiết để biệt hoá các tế bào mô

cơ liên quan tới các yếu tố phiên mã MyoD. MyoD chỉ được sản sinh ra trong tế bào có

định hướng biệt hoá thành mô cơ. MyoD là một protein thuộc lớp bHLH ( basic helix-

loop-helix : cấu trúc cơ bản là xoắn – vòng - xoắn). Như đã nói ở chương 7, cấu trúc này

khá phổ biến trong các protein có khả năng gắn vào ADN.

Hình 10.08. MyoD và các chất tạo phức với nó.

A) Cả MyoD và E12 đều có vùng cơ sở để đính vào ADN. Do đó khi MyoD tạo phức với E12 thì

phức này có thể gắn vào ADN.

B) Trái lại, protein Id thiếu vùng cơ sở. Khi MyoD tạo phức với Id thì phức này không gắn được

vào ADN.

Các protein HLH thường chỉ gắn được với ADN khi tồn tại ở dạng phức kép dimer.

Nếu cả 2 protein thuộc dimer có một vùng cơ bản thì phức có thể gắn được vào ADN.

Các protein HLH thường ở dạng dị phức kép gồm một protein bHLH đặc trưng cho mô

và một trong số các protein bHLH biểu hiện chung hơn được gọi là các protein E. Bản

thân các MyoD tạo thành dimer rất ít. Để có thể gắn được vào ADN, MyoD phải hình

thành các dị phức dimer với E12 hoặc E47. Hai protein này cũng là các protein bHLH –

sản phẩm của quá trình cắt nối luân phiên của cùng một gen là E2A. Chúng giống cả về

9

hình dạng và cấu trúc với protein MyoD nhưng không giống như MyoD là chúng được

biểu hiện trong tất cả các mô. Dị phức MyoD/E12 hay MyoD/E47 gắn vào trình tự

CAAATG trên ADN và hoạt hoá các gen biệt hoá mô cơ.

Các protein HLH khác thiếu vùng cơ bản do đó không thể gắn vào ADN. Ví dụ là

protein Id. Id có thể liên kết với MyoD và E12 (hoặc E47) tạo thành dị phức kép nhưng

dị phức này không thể gắn được vào ADN (hình 10.08). Vì vậy sự hiện diện của protein

này ngăn cản quá trình biệt hoá. Do đó Id đóng vai trò là chất tham gia vào điều hoà âm

tính nhưng nó lại không gắn trực tiếp vào ADN như các chất kìm hãm. Protein này xuất

hiện nhiều trong các nguyên bào sợi, có vai trò trong việc thay đổi hoạt động của MyoD.

Trong suốt quá trình biệt hoá nguyên bào sợi, nồng độ Id giảm do đó cho phép MyoD

hoạt động bình thường.

7. Cấu trúc dị nhiễm sắc gây trở ngại việc can thiệp tới ADN ở Eukaryote.

Ở vi khuẩn, ADN luôn được bộc lộ để RNA polymerase và các protein hoạt hoá có

thể tiến vào. Tuy nhiên, ở Eukaryote, ADN bị cuốn xung quanh histon hình thành nên

cấu trúc nucleosome như đã nói ở chương 4. Các nucleosome lại tiếp tục cuộn lại hình

thành cấu trúc xoắn - sắp xếp xít nhau nhờ các liên kết của các protein histon. ADN được

đóng gói rất chặt còn được gọi là cấu trúc dị nhiễm sắc và không được phiên mã bởi các

RNA polymerase không thể liên kết được với promoter. Nhìn chung các đoạn ADN có

thể nhìn thấy trong ảnh hiển vi điện tử là các vùng dị nhiễm sắc trong khi các đoạn mờ

nhạt lại là vùng nhiễm sắc thật (hình 10.09).

Loại protein histon làm nhiệm vụ nối (H1) có “2 cánh tay” xuất phát từ vùng trung

tâm của quả cầu (do histon có hình cầu). Vùng trung tâm của H1 nối với thể nhân

(nucleosome) của chính nó còn “2 cánh tay” nối với các nucleosome ở 2 bên cạnh, tuy

nhiên sự xếp sắp chính xác ra sao còn chưa rõ. Các histon tạo thành cấu trúc lõi

nucleosome (H2A, H2B, H3, H4) có phần chính gồm khoảng 80 axit amin và một đầu tận

cùng N có khoảng 20 axit amin nằm ở phía ngoài lõi. Mối tương tác do các đầu tận cùng

tạo ra này được xem là quan trọng trong việc tập hợp các cấu trúc nucleosome cũng như

mức độ cuộn xoắn của nhiễm sắc chất.

10

Hình 10.09. Cấu trúc dị nhiễm sắc lấn át nhiễm sắc thật.

Hình vẽ nhân tế bào có các vùng dị nhiễm sắc được đóng gói chặt và các vùng nhiễm sắc thật được đóng

gói ở mức độ lỏng lẻo hơn. Ảnh hiển vi điện tử là nhân tế bào thần kinh của côn trùng. Chú ý: nhân con

(màu nâu), ADN cô đặc (màu đỏ đậm) ở trong nhân tế bào và mitochondra??? …..(màu hồng) ở ngoài tế

bào chất.

Hình 10.10. Acetyl hoá các đuôi histon làm cho các nucleosome không thể liên kết được với nhau.

A) Các nucleosome được sắp xếp gần nhau được làm bền bởi các liên kết của đuôi

B) Khi đuôi của H4 bị metyl hoá, nó không gắn vào các histon của một nucleosome bên cạnh được

nữa. Do đó mối liên kết với các nucleosome bên cạnh không được hình thành. (Histon H1 gắn

vào DNA linker (DNA nối) giữa các nucleosome nhưng nó không được thể hiện rõ trên hình).

Phần đuôi histon có một số đầu Lysine có thể được thêm vào hoặc loại đi nhóm

acetyl. Tất cả 4 loại histon lõi đều có thể bị acetyl hoá đặc biệt đối với H3 và H4. Cấp độ

acetyl hoá thường liên quan đến trạng thái khác nhau của nucleosome, và do đó ảnh

hưởng đến sự biểu hiện của gen. Các histon không bị acetyl hoá hình thành nên cấu trúc

cô đặc - dị nhiễm sắc trong khi các histon bị acetyl hoá hình thành các nhiễm sắc có mức

độ cô đặc thấp hơn. Chú ý là các cấu trúc nucleosome không liên kết được với nhau khi

bị acetyl hoá do đó sự kết cụm của chúng trở nên lỏng lẻo (hình 10.10).

Enzym histone acetyl transferase (HAT) làm nhiệm vụ thêm nhóm acetyl và histone

deacetylase (HDAC) làm nhiệm vụ loại nhóm acetyl. Ví dụ protein CBP và p300 tham

gia điều khiển chu trình tế bào và biệt hoá tế bào. Một số protein co-repressor (đồng kìm

11

hãm) cũng là các enzym histone deacetylase. Các protein co-activator và co-repressor

bản thân nó không gắn vào DNA mà nó gắn trực tiếp vào các yếu tố phiên mã – các yếu

tố này đã gắn vào DNA rồi. (hình 10.11).

Sau khi đã loại bỏ liên kết giữa các nucleosome nhờ acetyl hoá histon thì tiếp theo

cần làm cho DNA được bộc lộ ra, điều này được thực hiện nhờ phức hệ tái cấu trúc

nhiễm sắc chất. Có 2 kiểu tái cấu trúc nhờ phức hệ. Kiểu 1 chúng có thể khiến cho các

nucleosome trượt dọc theo phân tử DNA do đó bộc lộ các trình tự DNA để phiên mã.

Kiểu 2 chúng sắp xếp lại các histon để tái cấu trúc nucleosome hình thành các cấu trúc

lỏng lẻo hơn cho phép các trình tự DNA được bộc lộ ra. Trong đó năng lượng dùng cho

tái cấu trúc lấy từ ATP.

Hình 10.11. Acetyl hoá và deacetyl hoá histon.

A) Acetyl hoá các đuôi histon được thực hiện bởi các protein đồng hoạt hoá gọi là histone

acetyl transferase (HAT).

B) Deacetyl hoá các đuôi histon được thực hiện bởi các phức kìm hãm bao gồm cả tiểu đơn vị

gắn với ADN và một tiểu đơn vị có hoạt tính deacetylase.

Có 2 họ phức hệ tái cấu trúc nhiễm sắc chất. Phức hệ lớn là Swi/Snf gồm có 8-12

protein và gắn chặt với DNA (hình 10.12). Swi/Snf có cả chức năng làm trượt và tái cấu

trúc. Cụ thể phức Swi/Snf kết hợp 2 nucleosome thành một nucleosome mới, lỏng lẻo

hơn. Phức hệ nhỏ là ISWI gồm 2-6 polypeptit có thể làm trượt các nucleosome nhưng

không thể tái cấu trúc nucleosome. Chúng thường gắn vào histon chứ không phải DNA

(hình 10.12). ( Các yếu tố Swi liên quan tới kiểu tiếp hợp, còn Snf liên quan tới đột biến

không đồng hóa được sucrose. Cả 2 đều được tìm thấy đầu tiên ở nấm men)

Các yếu tố phiên mã gắn vào phức hệ tái cấu trúc nhiễm sắc chất mục đích là để

kéo căng DNA cần thiết cho việc bọc lộ trình tự. Chi tiết các bước gắn của các yếu tố

phiên mã, enzym histone acetyl transferase và phức hệ tái cấu trúc là khác nhau đối với

12

các promoter khác nhau. Vắn tắt các bước chung của quá trình hoạt hoá một gen ở

Eukaryote như sau:

1. Một yếu tố phiên mã nào đó gắn vào ADN

2. Enzym histone acetyl transferase gắn vào yếu tố phiên mã.

3. HAT acetyl hoá các histon kế cận nhau làm cho các mối liên kết của histon bị

lới lỏng.

4. Phức hệ tái cấu trúc nhiễm sắc chất làm trượt hoặc tái cấu trúc nucleosome,

cho phép ADN được bộc lộ.

5. Các yếu tố phiên mã khác gắn vào ADN

6. RNA polymerase gắn vào ADN

7. Quá trình phiên mã được khởi động khi xuất hiện một tín hiệu dương tính được

truyền tới thông qua phức hệ trung gian từ một hay nhiều các yếu tố phiên mã

đặc biệt.

Hình 10.12. Gây trượt và tái cấu trúc nucleosome.

A) Gây trượt các cấu trúc nucleosome liên quan tới việc ADN và promoter được bộc lộ ra.

B) Một phức hệ tái cấu trúc như Swi/Snf có thể kết hợp 2 cấu trúc nucleosome và lới lỏng ADN

khiến ADN được bộc lộ.

Ví dụ gen HO của nấm men mã cho enzym endonuclease cần cho việc bật mở kiểu

sinh sản hữu tính ở nấm men. Đầu tiên, các yếu tố phiên mã Swi5p gắn vào ADN. Sau đó

phức hệ Swi/Snf gắn vào Swi5p. SAGA một loại enzym histone acetyl transferase có thể

gắn vào chỉ khi có mặt phức hệ Swi/Snf. Tiếp theo các protein histon ở vùng promoter bị

acetyl hoá. Nó cho phép một yếu tố phiên mã là SBF gắn vào ADN. Tiếp tục nó cho phép

các yếu tố phiên mã chung gắn vào, cuối cùng là sự gắn vào của RNA polymerase (hình

10.13)

8. Metyl hoá ADN ở Eukaryote điều hoà biểu hiện gen.

13

Quá trình metyl hoá các cặp bazơ trong phân tử ADN có ở cả Prokaryote và

Eukaryote mặc dù mục đích là khác nhau ở mỗi loại sinh vật này. (Ở Prokaryote, metyl

hoá là để nhận biết sợi đơn ADN mới được tổng hợp đã được thảo luận ở chương 14. Còn

ở Eukaryote, sợi ADN mới được tổng hợp được nhận biết bằng một cách khác chưa được

biết rõ). Tuy nhiên ở nhiều sinh vật Eukaryote metyl hoá ADN là một dấu hiệu điều hoà

hoạt động gen.

Hình 10.13. Các bước hoạt hoá gen ở promoter HO

A) gen endonuclease HO của nấm men bị đóng do cấu trúc nucleosome.

B) Yếu tố phiên mã Sw5p gắn vào ADN

C) Sau đó là phức hệ Swi/Snf gắn vào Swi5p.

D) Các nucleosome được tái cấu trúc lại cho phép SAGA gắn vào phức hệ Swi/Snf và một

nucleosome.

E) Khi các histon bị acetyl hoá không còn liên kết với nhau thì SBF gắn vào.

F) Bộ máy phiên mã đính vào.

Metyl hoá ADN rất hiếm gặp ở Eukaryote bậc thấp. Các động vật bậc cao, 10%

cystein bị metyl hoá và ở các thực vật bậc cao hơn tới 30% cystein bị metyl hoá. Trong

các sinh vật đa bào, metyl hoá ADN là một dấu hiệu biểu hiện gen liên quan tới sự biệt

hoá của mô tế bào. Trình tự nhận biết cho sự metyl hoá rất ngắn, ở động vật thường là

CG còn ở thực vật là CNG. Có 2 kiểu enzym metyl hoá. Enzym duy trì sự metyl hoá

maintenance metylase có chức năng thêm nhóm metyl vào sợi ADN mới được tổng hợp ở

14

vị trí đối diện với nhóm metyl trên chuỗi cũ- sợi ADN làm khuôn. Điều này đảm bảo cho

sự metyl hoá được di truyền lại trong suốt quá trình phân chia tế bào. Còn enzym de novo

metylase lại làm thay đổi kiểu metyl hoá do nó có khả năng thêm vào nhóm metyl mới và

de novo demetylase thì loại đi nhóm metyl.

Metyl hoá ở Eukaryote làm tắt biểu hiện của gen. Ở động vật, khoảng một nửa số

gen là phân bố gần vị trí đảo CG (nhiều trình tự CG kế tiếp nhau). Gen quản gia là gen

biểu hiện ở tất cả các mô tế bào có các đảo CG không bị metyl hoá. Trái lại các đảo CG

của các gen đặc biệt cho mô thì đảo GC không bị metyl hoá chỉ ở các mô mà gen đó được

biểu hiện. Sự duy trì kiểu metyl hoá đảm bảo sự biểu hiện của gen được duy trì không đổi

trong tất cả các tế bào của một mô nào đó. Ở thực vật, các yếu tố nhảy cũng bị bất hoạt

do metyl hoá. Maintenance

Hình 10.14. Điều chỉnh sự metyl hoá ADN ở Eukaryote

Ba enzym có vai trò điều khiển sự metyl hoá ADN. De novo metylase thêm nhóm

metyl vào các đảo GC mới. Maintenance metylase thêm nhóm metyl vào sợi mới tổng

hợp. Demetylase thì loại đi nhóm metyl.

9. Tắt gen gây ra bởi sự metyl hoá ADN.

Tắt gen là một thuật ngữ khá mơ hồ nó liên quan đến sự biểu hiện của một số

lượng tương đối lớn các gen không theo kiểu đặc biệt nào. Sự tắt gen tương đối hạn chế

đã được biết đến ở vi khuẩn (xem chương 9). Tuy nhiên sư tắt gen là tương đối phổ biến

ở Eukaryote nó liên quan tới sự thay đổi của cả ADN và histon. Tắt gen ảnh hưởng đến

từng gen riêng biệt, một cụm gen, một vùng của NST hoặc thậm chí toàn bộ NST. Một ví

dụ rõ nét nhất là tắt gen trên toàn bộ NST X ở tế bào động vật có vú.

15

Hình 10.15. Tắt gen bắt đầu do sự metyl hoá.

A) Các vùng CG trên ADN

B) Bị metyl hoá

C) MeCP khi liên kết vào vùng metyl hoá thì

D) HDAC sẽ liên kết với cả MeCP và ADN

E) Và F) Các trình tự trong đó các đuôi histon bị deacetyl hoá và các nucleosome bị liên kết lại

với nhau do đó hình thành cấu trúc dị nhiễm sắc.

Tắt gen liên quan đến sự metyl hoá cystosine ở trình tự 5’-CG-3’ của ADN

Eukaryote. Đôi khi 5’-CNG-3’ cũng bị metyl hoá. Nhóm metyl án ngữ ở khe chính của

ADN do đó cản trở sự bám vào ADN của các yếu tố phiên mã. Ngoài ra, trình tự CG bị

metyl hoá được nhận biết bởi protein bám metylcytosine (MeCP). Khi MeCP bám vào nó

lại được nhận biết bằng các protein khác loại nhóm acetyl khỏi histon (đặc biệt với H4).

Nó làm cho ADN bị cô đặc để hình thành cấu trúc dị nhiễm sắc, không cho quá trình

phiên mã có thể diễn ra. (hình 10.15). Các gen trong các vùng đó sẽ bị tắt hoàn toàn.

Kiểu metyl hoá ở sinh vật trưởng thành và ở các tế bào đã biệt hoá được sao lại

sau mỗi lần phân chia tế bào do hoạt động của enzym duy trì nhóm metyl. Enzym de

novo metylase và demetylase thay đổi kiểu metyl hoá khi cần thiết đặc biệt trong quá

trình phát triển. Sau khi trứng được thụ tinh để hình thành hợp tử, các kiểu metyl hoá của

16

hầu hết các ADN đều bị xoá. Các kiểu mêtyl hóa mới được hình thành trong quá trình

biệt hoá mô. Những gen mà promoter của nó bi metyl hoá thì sẽ bị tắt hoàn toàn.

10. Đánh dấu di truyền ở Eukaryote là do sự metyl hoá ADN.

Đánh dấu di truyền xảy ra khi các kiểu metyl hoá từ giao tử không bị xoá mà đi

vào hợp tử và ảnh hưởng đến biểu hiện của gen ở sinh vật mới. Nó thường chỉ có ở một

vài gen đã được biết ở động vật có vú, nấm và thực vật. Đánh dấu gen là cơ chế đảm bảo

một trong số 2 allen của gen trong tế bào lưỡng bội được biểu hiện. Bản sao thứ hai của

gen thì bị tắt do bị metyl hoá. Sự chọn lọc để chỉ một allen được biểu hiện là phụ thuộc

vào nguồn gốc bố mẹ.

Sự metyl hoá diễn ra trong suốt quá trình hình thành giao tử. Hầu hết các gen

trong trứng và tinh trùng bị bất hoạt do sự metyl hoá. Tuy nhiên một số gen lại duy trì

hoạt động và có một vài điểm khác biệt giữa kiểu metyl hoá của giao tử đực và cái. Nó

gây ra một sự khác biệt ban đầu trong biểu hiện của các allen từ bố và mẹ. Khi phôi phát

triển, các kiểu metyl hóa sẽ bị xoá và hệ gen lập trình lại trong quá trình phát triển (hình

10.16).

Chỉ khoảng có 20 gen không bị đánh dấu đã được biết ở chuột và chúng có

khuynh hướng co thành cụm. Ví dụ IGF-II từ bố là được biểu hiện trong khi allen từ mẹ

thì không. Thường thường các allen của bố được biểu hiện trong hợp tử. Một ví dụ về

biểu hiện của allen mẹ là IGF-IIR, là thụ thể của IGF-II.

Hình 10.16. Đánh dấu gen và sự phát triển của cá thể.

Hai bản copy của cùng một gen có nguồn gốc từ cặp bố mẹ thường không có kiểu metyl hoá giống

nhau.

17

A) Gen Igf2 từ mẹ có nhóm metyl do đó bị bất hoạt trong khi gen không bị metyl hoá từ

bố lại hoạt động.

B) Sau khi thụ tinh, phôi có một bản hoạt động và một bản không hoạt động của gen

Igf2.

C) Hầu hết các kiểu metyl hoá sẽ được lập trình lại ở giai đoạn sớm của phôi nhưng có một

vài bản sao của gen nào đó lại không bị lập trình lại dẫn đến hiện tượng đánh dấu gen.

11. Bất hoạt nhiễm sắc thể giới tính X ở động vật có kiểu gen XX

Bất hoạt nhiễm sắc thể X là một dạng đặc biệt của hiện tượng đánh dấu gen phát

hiện ở động vật. Con cái có 2 NST X trong khi con đực chỉ có 1 NST X và một NST Y

ngắn. Vì vậy con cái có 2 bản copy của hầu hết các gen nằm trên NST X trong khi con

đực chỉ có một bản sao. Tiến hoá đã phát triển rất nhiều cơ chế đền bù số lượng gen với

mục đích để tránh có sự hơn kém về số lượng gen được biểu hiện ở 2 giới.

Ở giun tròn như C.elegans, mức độ biểu hiện của các gen trên cả 2 NST X là ½.

Trái lại ở côn trùng như Drosophila mức độ biểu hiện của các gen trên 1 NST X ở con

đực được tăng gấp đôi. Ở động vật có vú, một trong 2 cặp NST X ở tế bào con cái bị bất

hoạt (ngoại trừ một vài locus là không bị bất hoạt nó liên quan đến các vùng NST thường

giả). Ở giun và côn trùng, phức hệ protein đặc biệt gắn vào NST X chịu trách nhiệm làm

tăng hoặc giảm sự phiên mã của gen trên NST X. Ở động vật có vú, cơ chế bất hoạt chỉ

một NST X liên quan đến RNA không mã hoá.

Ở C. elegans, con đực không có NST Y mà chỉ có một X (trường hợp này là XO).

Ngoài ra ở các động vật lưỡng tính có cả cơ quan sinh dục đực và cái thì sự bù trừ số

lượng gen biểu hiện phụ thuộc vào protein Sdc2, protein này chỉ biểu hiện ở động vật có

kiểu gen XX. Protein này sẽ đính vào vùng đặc biệt trên NST X và phức bù trừ số lượng

gồm có 6 protein lắp ráp vào Sdc2 và giảm sự biểu hiện của gen. Cơ chế này thường gặp

ở Drosophila đặc biệt ở C.elegans. Ở ruồi, một protein là Msl2 chỉ biểu hiện ở giới XY có

thể gắn vào 1 trình tự đặc hiệu trên NST X. Phức hệ bù trừ số lượng gen sẽ lắp ráp xung

quanh protein này và tăng sự biểu hiện của gen. Phức hệ này ở Drosophila gồm 2 RNA

không mã hoá và một số các protein khác.

Ở động vật có vú, bất hoạt NST X được điều khiển bởi sự metyl hoá của gen Xist

nằm trên NST X. Gen Xist trên NST X nào hoạt động thì NST đó bị bất hoạt do bị metyl

hoá. Một khi 1 NST X đã bị bất hoạt rồi thì nó sẽ được duy trì qua các lần phân chia tế

bào, vì vậy chỉ một NST X sẽ hoạt động trong các tế bào. Sự biểu hiện của gen X được

điều khiển bởi RNA antisense (đối mã) là Tsix nó được phiên mã từ locus của gen Xist

nhưng theo chiều ngược với chiều phiên mã của gen Xist. Tuy nhiên thời điểm biểu hiện

của RNA Tsix rất khác nhau ở các loài động vật có vú khác nhau mặc dù Tsix ở tất cả các

18

loài đều có liên quan tới sự lựa chọn NST X nào là bất hoạt nhưng vai trò của nó còn

chưa rõ.

Sự biểu hiện của gen Xist gây ra sự bất hoạt NST X mang gen đó. Một loai RNA

không được dịch mã trong thời gian dài được phiên mã từ gen Xist. RNA Xist sẽ bao phủ

toàn bộ NST X bất hoạt. Quá trình này diễn ra bắt đầu từ vị trí gen Xist sau đó lan ra toàn

bộ NST theo cả 2 hướng, ADN bị chuyển sang dạng không hoạt động- dị nhiễm sắc (hình

10.17). NST X bị cô đặc có thể được nhìn thấy trong tế bào động vật có vú và được gọi là

thể barr. Sự xuất hiện hay vắng mặt của thể barr được sử dụng để kiểm tra giới tính của

vận động viên thể thao.

Nếu một gen Xist hoạt động được chèn vào một NST khác thì nó chỉ bị bất hoạt

một phần. Nó giải thích cho giả thiết là cần có thêm yếu tố khác để bất hoạt NST X.

( NST X có nhiều hơn 2 lần các yếu tố LINE-1 trên một đơn vị chiều dài so với các NST

khác do đó bằng cách nào đó nó đã thúc đẩy sự gắn vào của RNA Xist. Một giả thiết còn

đang tranh cãi cho rằng nhiều yếu tố LINEs tích luỹ trên NST X là bởi vì chúng thường

không hoạt động).

Cơ chế bất hoạt trên mới chỉ được biết đến một phần. Sau khi RNA Xist gắn vào ,

nó kéo theo một số protein khác có vai trò bất hoạt phiên mã và hình thành cấu trúc dị

nhiễm sắc. Histon của NST X bất hoạt bị biến đổi. Đầu tiên là histon 3 bị metyl hoá ở

Lys7 thay vì ở Lys4 như ở các nhiễm sắc chất hoạt động. Tiếp theo, histon H4 bị mất đi

nhóm acetyl. Sau đó, một loại histon bất thường là macro H2A- một loại H2 nhưng có

một vùng thêm vào ở đầu C, nó chỉ xuất hiện ở NST X bất hoạt. Cuối cùng, xuất hiện sự

metyl hoá các đảo CpG dọc NST. Một khi sự tắt gen đã xuất hiện, RNA Xist không cần

tồn tại nữa.

Trong một số ít trường hợp khi có 2 hay nhiều NST X cùng xuất hiện trong một cơ

thể, thì chỉ có 1 NST X duy nhất hoạt động. Hơn nữa, chuột chỉ có 1 NST X mà không có

NST Y là đủ khoẻ mạnh và có thể sinh sản, do đó có thêm NST X thứ 2 là không cần

thiết. Ở thú có túi, NST X từ bố luôn luôn bất hoạt. Ở những động vật có vú khác, sự lựa

chọn NST X hoạt động là ngẫu nhiên. Hơn thế nữa, NST X hoạt động rất khác nhau trong

các dòng tế bào khác nhau. Do đó ở con cái có sự phức tạp về mặt di truyền, mhững allen

khác nhau từ cùng một gen trên NST X được biểu hiện ở các vùng khác nhau trong các

mô. Nó được minh hoạ bằng màu sắc da ở con chuột cái di hợp về đột biến màu da ở các

gen liên kết NST X. (hình 10.18).

Ở bất kì tế bào nào, chỉ có 1 NST X là hoạt động và do đó chỉ có 1 trong 2 allen là

biểu hiện. Sự di truyền từ một tế bào tổ tiên nào đó vẫn được thể hiện và hình thành da

19

có màu giống nhau. Vì vây một vài vùng da là của thể hoang dai, vùng khác lại là thể đột

biến. Hậu quả tương tự có thể thấy ở meo calico. (hình 10.18)

Hình 10.7. Bất hoạt NST X liên quan đến gen Xist và RNA Xist.

A) Bình thường cả 2 NST của X phiên mã RNA Xist từ gen Xist.

B) NST X duy trì hoạt động có vùng gen Xist bị metyl hoá. RNA Xist bao ngoài NST X kia

làm bất hoạt nó.

C) NST X bất hoạt ở trạng thái metyl hoá toàn bộ trừ vùng chứa gen Xist. Điều này gây ra

NST X chuyển sang dạng dị nhiễm sắc. Chỉ có gen X duy trì hoạt động.

Hình 10.18. Bất hoạt NST X gây ra các vùng màu da khác nhau trên chuột.

Một con chuột cái dị hợp tử về một gen liên kết trên NST X liên quan đến màu lông.

20

A) Tất cả các tế bào chứa 2 NST X, một NST X chứa bản copy (+) biểu hiện chức năng của gen

màu lông, còn NST X còn lại chứa bản copy (-) kìm hãm biểu hiện của gen màu lông.

B) Trong quá trình phát triển, 1 NST X bị bất hoạt một cách ngẫu nhiên trong tế bào nguyên thuỷ.

Từng tế bào nguyên thuỷ sẽ phân chia tạo nên những mảng tế bào lông màu khác nhau trên

chuột.

C) Kết quả là sự pha trộn màu sắc lông. Vùng đột biến (màu lông trắng) được biểu hiện khi NST X

hoạt động là mang bản copy không biểu hiện của gen màu lông. Các vùng tối được biểu hiện khi

NST X hoạt động mang allen kiểu dại.

Hình 10.19. Mèo khoang.

Màu lông khoang chỉ thấy ở mèo cái. Bởi gen qui định màu lông là trên NST X. Nếu mèo cái là dị

hợp tử có cả allen kiểu dại và đột biến thì sự bất hoạt ngẫu nhiên của NST X sẽ cho màu lông khoang.

Màu trắng là bởi các tế bào ở đó có NST X bất hoạt chứa allen đột biến.

==The end===

21