208

Chương 7
Sự Điều hòa Biểu hiện của Gene
I. Các nguyên lý điều hòa và mức độ kiểm soát phiên mã
Không phải tất cả các gene đều có biểu hiện liên tục. Mức độ biểu
hiện của gene khác nhau giữa các tế bào hoặc khác nhau theo giai đoạn
trong chu trình tế bào. Chẳng hạn gene mã hóa cho hemoglobin được biểu
hiện ở mức độ cao chỉ ở trong tế bào tiền thể (precursor) của tế bào máu.
Hoạt tính của gene khác nhau theo chức năng tế bào. Ở động vật có xương
sống như chuột, chứa khoảng 200 loại tế bào được phân hóa chức năng
khác nhau. Tất cả các tế bào đều chứa cùng thông tin di truyền, những tế
bào khác nhau chỉ ở những gene hoạt động. Trong nhiều trường hợp, hoạt
tính của gene được điều hòa ở mức độ phiên mã, cả qua những tín hiệu bắt
đầu bên trong tế bào và cả phản ứng với những điều kiện bên ngoài. Tuy
nhiên thông tin di truyền được điều hòa theo những cách khác nhau. Các
bước điều khiển hoạt động gene bao gồm:
- Cấu trúc lại DNA, trong đó những thay đổi biểu hiện gene phụ
thuộc vào vị trí trình tự DNA trong genome.
- Điều hòa phiên mã trong tổng hợp bản phiên mã RNA bằng sự điều
khiển sự mở đầu và sự kết thúc
- Quá trình chế biến RNA hoặc điều hòa qua quá trình cắt-nối trên
RNA (RNA splicing)
- Điều hòa dịch mã quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid
- Sự bền vững của mRNA
Có sự khác nhau đáng kể trong sự điều hòa biểu hiện của các gene ở
eukaryote và prokaryote. Prokaryote là những cơ thể đơn bào sống tự do,
sinh trưởng và phân chia trong điều kiện thích hợp và được cung cấp đầy
đủ chất dinh dưỡng. Do đó hoạt động của các gene được điều hòa do nhu
cầu của tế bào khi cần thiết.
Khác với prokaryote, eukaryote là những cơ thể đa bào. Trong cơ thể

A. Trong điều hòa âm tính, protein ức chế bám vào phân tử DNA, ngăn cản
phiên mã
B. Trong điều hòa dương tính, sự bám vào của protein hoạt hóa phiên mã, kích
thích phiên mã.
II. Điều hòa hoạt động gene ở prokaryote
Ở vi khuẩn và phage, hoạt tính đóng mở gene thường được điều khiển
qua phiên mã tổng hợp các mRNA xảy ra khi sản phẩm của gene được cần
đến.
Cơ chế phân tử cho mỗi mô hình điều hòa hoàn toàn khác nhau,
nhưng thường theo một trong hai kiểu chính: điều hòa âm tính và điều hòa
210

dương tính (Hình 7.1). Trong hệ thống điều hòa âm tính (Hình 7.1A) một
protein ức chế có mặt trong tế bào, ngăn cản sự phiên mã. Trong hệ thống
cảm ứng được điều hòa âm tính, protein ức chế hoạt động làm ngăn cản
phiên mã. Nhân tố cảm ứng kìm hãm chất ức chế, cho phép bắt đầu phiên
mã. Trong hệ thống ức chế, protein aporepressor gắn với co-repressor tạo
ra chất ức chế có hoạt tính, làm ngăn cản phiên mã. Ngược lại trong hệ
thống điều hòa dương tính (Hình 7.1B), sự tổng hợp mRNA xảy ra nều
protein điều hòa gắn vào một vùng của gene làm hoạt hóa phiên mã.
Những protein này được xem là những nhân tố hoạt hóa phiên mã. Điều
hòa âm tính và dương tính không loại trừ lẫn nhau. Một vài hệ thống là cả
điều hòa âm tính và dương tính, sử dụng cả 2 hệ thống điều hòa để phản
ứng với các điều kiện khác nhau trong tế bào. Điều hòa âm tính là phổ
biến cho prokaryote, trong khi điều hòa dương tính lại phổ biến cho
eukaryote.
1. Cấu trúc của operon
Mô hình operon của điều hòa phiên mã
Cơ chế điều hòa di truyền của hệ thống lac (lac system) được giải
thích bằng mô hình operon của Francois Jacob và Jacque Monod (1960)

Hình 7.2 A Bản đồ của operon lac;
Repressor gắn vào operator,
ngăn cản phiên mã
Trực tiếp phiên mã
Phức hợp chất cảm ứng-chất ức
chế không thể gắn vào operator
Khi không lactose, RNA polymerase bắt
đầu phiên mã tổng hợp protein z, y và a
[A]
[B]
[C]
mARN
Repress
or
protein
Inducer
Lac mARN

β-
galactosidase
Permeas
e
Transacety
lase
Nhóm gene cấu trúc Các yếu tố điều hoà
B. Sơ đồ của operon lac ở trạng thái bị kìm hãm
C. Sơ đồ của operon lac ở trạng thái được kích thích
Khi môi trường không có lactose, protein ức chế có hoạt tính gắn vào
operator, làm sự phiên mã của tất cả các gene cấu trúc của operon lac bị
dừng.

lac.
Hình 7.3 Cấu trúc của cAMP
E. coli chứa protein nhận cAMP
hay CRP (cyclic AMP receptor protein)
còn được gọi là protein hoạt hóa dị hóa
CAP (catabolite activator protein), được
mã hóa bởi gene crp. Đột biến ở gene
crp và gene adenyl cyclase làm ngăn
cản sự tổng hợp của mRNA lac. Điều
này cho thấy chức

năng của CRP và
cAMP cần thiết cho tổng hợp mRNA
lac. CRP và cAMP gắn

vào một vị trí khác tạo phức hợp cAMP-CRP được
biểu hiện. Phức hợp này là một yếu tố điều hòa hoạt hóa ở hệ thống lac.

213
Tổng hợp của mRNA
l
không
Có
Phức hợp
cAMP-CRP
Phiên mã
khô