Biểu hiện và điều hòa gene · AP Biology

Chương 6 · Biểu hiện và điều hòa gene

từ DNA đến protein

Gene là một đoạn DNA mà trình tự các base quy định một RNA, và thường là một protein. Biểu hiện gene gồm hai bước: phiên mã, từ DNA sang RNA, và dịch mã, từ RNA sang protein.

Hình là một đoạn chuỗi xoắn kép đang xoay. Hai mạch được giữ với nhau bằng các cặp base ở giữa, và thứ tự các base chính là thông tin.

Chương này theo dõi thông tin đó: DNA được cấu tạo (6.1) và sao chép (6.2) như thế nào, gene được đọc thành RNA (6.3) và thành protein (6.4) ra sao, tế bào quyết định đọc gene nào (6.5, 6.6), điều gì xảy ra khi trình tự thay đổi (6.7), và cách phòng thí nghiệm cắt, nhân bản và phân tách DNA (6.8).

6.1 · DNA và RNA

Cấu trúc của DNA và RNA

DNA, và ở một số virus là RNA, là thông tin di truyền của tế bào. Cả hai đều là chuỗi nucleotide: gồm một đường, một nhóm phosphate và một base nitrogen.

Đường và phosphate xen kẽ nhau tạo nên khung xương. Mỗi mạch có chiều: đầu 5′ có nhóm phosphate tự do và đầu 3′ có nhóm –OH tự do trên đường. Hai mạch của DNA chạy ngược chiều nhau, tức đối song song, và xoắn thành chuỗi xoắn kép.

Các base bắt cặp ở giữa bằng liên kết hydrogen: A với T (hai liên kết) và G với C (ba liên kết). A và G là purine, có hai vòng; C, T và U là pyrimidine, có một vòng. Mỗi cặp gồm một purine và một pyrimidine, nên chuỗi xoắn giữ nguyên bề rộng (khoảng 2 nm), cứ 10.5 cặp base thì xoắn một vòng.

Quy tắc Chargaff. Do sự bắt cặp, DNA mạch kép có A = T và G = C. Nếu một mẫu có 30% A thì có 30% T, và phần còn lại 40% chia đều: 20% G và 20% C.

	DNA	RNA
đường	deoxyribose	ribose
base	A, T, G, C	A, U, G, C
mạch	hai mạch, chuỗi xoắn kép	thường một mạch

Sinh vật nhân sơ giữ DNA trong một nhiễm sắc thể vòng; sinh vật nhân thực giữ trong nhiều nhiễm sắc thể thẳng, quấn quanh các protein histone trong nhân. Cả hai đều có thể mang plasmid: DNA mạch kép, vòng, nhỏ nằm ngoài nhiễm sắc thể.

6.2 · Sao chép DNA

nhân đôi DNA

Sao chép là bán bảo toàn: mỗi chuỗi xoắn kép mới giữ lại một mạch cũ và nhận thêm một mạch mới, được tạo trên mạch cũ làm khuôn theo nguyên tắc bắt cặp base.

Tại chạc sao chép, helicase tháo xoắn chuỗi xoắn mẹ, phá vỡ các liên kết hydrogen giữa các base. Topoisomerase, nằm phía trước chạc, làm giảm độ xoắn do việc tháo xoắn gây ra.

DNA polymerase chỉ thêm nucleotide vào đầu 3′ của một mạch, nên mạch mới chỉ dài ra theo chiều 5′→3′. Nó cũng không thể bắt đầu một mạch từ con số không: nó cần một đoạn mồi RNA ngắn (màu xanh) để nối tiếp.

Hai mạch khuôn chạy ngược chiều nhau, nên hai mạch mới (màu đỏ) được tạo theo hai cách khác nhau:

	mạch dẫn đầu	mạch trễ
chiều	hướng về chạc	hướng ra xa chạc
cách tạo	liên tục, một đoạn mồi	thành từng đoạn, mỗi đoạn một mồi

Các đoạn của mạch trễ là đoạn Okazaki. Các đoạn mồi RNA của chúng được thay bằng DNA, và DNA ligase nối kín các khoảng hở giữa chúng thành một mạch liên tục.

DNA polymerase còn kiểm tra và sửa lỗi, nên sai sót khi sao chép rất hiếm, nhưng không bao giờ bằng không: những sai sót còn lại là đột biến (6.7).

6.3 · từ DNA đến RNA

phiên mã và xử lí RNA

Trong phiên mã, RNA polymerase mở DNA tại một gene và tạo một bản sao RNA của một mạch.

Nó gắn vào promoter, đọc mạch khuôn theo chiều 3′→5′, và tạo RNA theo chiều 5′→3′, ghép A với U, T với A, G với C và C với G. Nó dừng ở vùng kết thúc. RNA có trình tự của mạch còn lại, mạch mã hóa, với U thay cho T.

mạch mã hóa 5′→3′	ATG TTC GGA AAA TGG TAA
mạch khuôn 3′→5′	TAC AAG CCT TTT ACC ATT
mRNA 5′→3′	AUG UUC GGA AAA UGG UAA

Ba loại RNA tham gia tạo nên một protein: mRNA mang thông điệp của gene; tRNA mang các amino acid đến; rRNA tạo nên lõi của ribosome.

Biến đổi sau phiên mã. Ở sinh vật nhân thực, bản phiên mã đầu tiên, pre-mRNA, được biến đổi trong nhân trước khi rời đi: một mũ 5′ (một nucleotide guanine biến đổi) và một đuôi poly-A được thêm vào, giúp bảo vệ nó và hỗ trợ dịch mã, còn các intron bị cắt bỏ trong khi các exon được nối lại. Pre-mRNA bên dưới dài 1530 nucleotide; tổng các exon là 480.

Nhờ cắt nối thay thế, một gene có thể tạo ra các mRNA khác nhau, và do đó các protein khác nhau, tùy theo những exon nào được giữ lại.

6.4 · từ RNA đến protein

dịch mã

Trong dịch mã, ribosome đọc mRNA theo từng bộ ba base, mỗi codon ứng với một amino acid.

Khởi đầu. Tiểu đơn vị nhỏ gắn vào mRNA và tìm codon khởi đầu AUG; tRNA đầu tiên mang methionine bắt cặp với codon này; sau đó tiểu đơn vị lớn gắn vào.

Kéo dài. Mỗi tRNA có một anticodon bắt cặp với một codon và mang amino acid tương ứng của codon đó. Một tRNA mới vào vị trí A; ribosome nối chuỗi đang dài ra với amino acid của nó bằng liên kết peptide; ribosome dịch chuyển một codon về phía đầu 3′, và tRNA không còn amino acid rời đi qua vị trí E.

Kết thúc. Tại codon kết thúc (UAA, UAG, UGA) không có tRNA nào bắt cặp; một nhân tố giải phóng làm chuỗi polypeptide tách ra.

mRNA	AUG	UUC	GGA	AAA	UGG	UAA
amino acid	Met	Phe	Gly	Lys	Trp	Stop

Mã di truyền được đọc từ bảng mã di truyền, và gần như phổ biến: các codon giống nhau mã hóa cùng các amino acid ở vi khuẩn và ở người, nên một gene của người có thể biểu hiện trong vi khuẩn. Mã này cũng có tính thoái hóa: 61 codon cho 20 amino acid.

Ở sinh vật nhân sơ, ribosome dịch mã mRNA ngay khi nó vẫn đang được phiên mã. Retrovirus như HIV đảo ngược dòng thông tin trước tiên: enzyme phiên mã ngược của chúng sao chép RNA của virus thành DNA, rồi DNA này gắn vào bộ gene của vật chủ.

6.5 · Bật và tắt gene

điều hòa biểu hiện gene

Tế bào không biểu hiện tất cả các gene của mình mọi lúc. Các trình tự điều hòa trong DNA gắn với các protein điều hòa, làm tăng hoặc giảm phiên mã.

Operon lac của E. coli là một operon: các gene cho cùng một chức năng (sử dụng lactose) nằm dưới một promoter và một operator, được phiên mã thành một mRNA. Operon này cảm ứng được và bình thường ở trạng thái tắt:

điều kiện	protein ức chế	lacZYA
không có lactose	protein ức chế bám trên vùng vận hành	off
có lactose	allolactose giữ chất ức chế ở trạng thái không hoạt động	on

Protein ức chế, được tạo ra từ gene riêng lacI, bám trên operator và chặn RNA polymerase. Khi có lactose, allolactose (được tạo ra từ lactose) gắn vào protein ức chế và làm đổi hình dạng của nó; protein ức chế rời ra, và các gene được phiên mã. (Phiên mã mạnh nhất khi glucose cũng khan hiếm.)

Operon trp là operon ức chế được, bình thường ở trạng thái bật. Protein ức chế của nó được tạo ra ở dạng bất hoạt; khi tryptophan dồi dào, tryptophan gắn vào protein ức chế, protein này gắn vào operator, và các gene tổng hợp tryptophan bị tắt.

Biến đổi di truyền ngoại gene điều hòa gene mà không làm thay đổi trình tự. Acetyl hóa histone làm DNA quấn trên chúng lỏng ra và cho phép phiên mã; methyl hóa DNA thường làm gene bị im lặng. Các dấu hiệu này có thể đảo ngược, và có thể được truyền lại khi tế bào phân chia.

6.6 · Một bộ gene, nhiều loại tế bào

biểu hiện gene và sự biệt hóa tế bào

Hầu như mọi tế bào trong cơ thể bạn đều có cùng các gene. Các tế bào khác nhau vì chúng biểu hiện những gene khác nhau.

Một gene ở sinh vật nhân thực được bật nhờ các nhân tố phiên mã. Các nhân tố chung giúp RNA polymerase gắn vào promoter. Các chất hoạt hóa đặc hiệu gắn vào các enhancer, có thể nằm cách hàng nghìn base; DNA uốn cong để chất hoạt hóa chạm vào bộ máy phiên mã ở promoter, và phiên mã tăng lên. Các protein ức chế gắn vào và chặn quá trình này.

Trong hình: chất nhiễm sắc ở trạng thái đặc và im lặng; các nhóm acetyl (màu đỏ) làm các histone lỏng ra; một chất hoạt hóa (màu xanh) gắn vào enhancer, DNA tạo vòng, và các mRNA được tạo ra.

tế bào	actin	albumin	insulin	crystallin
liver	on	on	—	—
pancreas	on	—	on	—
lens	on	—	—	on

Mỗi loại tế bào có bộ nhân tố phiên mã riêng, nên có bộ gene hoạt động và bộ protein riêng. Các gene có chung một trình tự điều hòa đáp ứng với cùng một nhân tố, nên một tín hiệu duy nhất có thể bật cả một chương trình cùng lúc.

Biểu hiện gene còn được điều chỉnh sau phiên mã: các RNA nhỏ (như microRNA) bắt cặp với những mRNA nhất định và chặn dịch mã của chúng hoặc khiến chúng bị phân hủy.

6.7 · Khi trình tự thay đổi

đột biến

Một đột biến là sự thay đổi trình tự DNA. Nó có thể làm thay đổi protein mà gene tạo ra, và do đó thay đổi kiểu hình.

Hình này tạo đột biến trên mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA, mã hóa cho Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala:

đột biến	codon	protein
silent	GAG → GAA	Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala
missense	GAG → GUG	Met-Val-Phe-Lys-Trp-Ala
nonsense	AAA → UAA	Met-Glu-Phe (stop)
frameshift	UUC → CUU	Met-Glu-Leu-Gln-Met-Gly-Leu

Thay thế im lặng làm một codon đổi thành codon khác mã hóa cùng amino acid. Thay thế sai nghĩa làm đổi một amino acid: GAG → GUG, glutamate thành valine, là đột biến hồng cầu hình liềm ở hemoglobin. Thay thế vô nghĩa tạo ra codon kết thúc và làm protein bị ngắn lại. Việc thêm hoặc mất một base là đột biến dịch khung: mọi codon phía sau đều bị đọc sai khung.

Đột biến phát sinh từ các lỗi trong sao chép hoặc sửa chữa DNA, và do bức xạ và hóa chất. Chúng xảy ra ngẫu nhiên, không theo nhu cầu của sinh vật; tác động của chúng có thể có hại, trung tính hoặc có lợi tùy theo môi trường. Chúng là nguồn gốc ban đầu của biến dị di truyền.

Cả nhiễm sắc thể nguyên vẹn cũng có thể thay đổi: không phân li trong giảm phân làm giao tử thừa hoặc thiếu một nhiễm sắc thể, như trong hội chứng ba nhiễm sắc thể 21 (hội chứng Down). Vi khuẩn cũng nhận gene theo chiều ngang: biến nạp (hấp thu DNA), tải nạp (do virus mang), tiếp hợp (từ tế bào này sang tế bào khác) và chuyển vị (gene di chuyển trong bộ gene).

6.8 · Đọc và sao chép DNA

công nghệ sinh học

Bốn phương pháp trong phòng thí nghiệm xuất phát từ bản chất của DNA.

Điện di trên gel phân tách DNA theo kích thước. DNA mang điện âm (do các nhóm phosphate), nên trong điện trường nó chạy về phía cực +; gel cản các đoạn dài nhiều hơn các đoạn ngắn, nên đoạn ngắn nhất đi xa nhất. Một thang chuẩn gồm các kích thước đã biết được chạy bên cạnh các mẫu. Quãng đường giảm đều theo logarit của kích thước:

kích thước (bp)	1500	1000	700	500	300	200	100
quãng đường (mm)	10.7	16.0	20.6	25.0	31.7	37.0	46.0

Một băng cách giếng 27.9 mm nằm giữa các băng 500 và 300 bp; đọc trên đường thẳng cho kết quả khoảng 400 bp. Trong hình, các băng của mẫu ở hiện trường vụ án khớp với các băng của nghi phạm 2.

PCR (phản ứng chuỗi polymerase) sao chép một đoạn DNA được chọn: đun nóng đến 95 °C để tách hai mạch, làm nguội đến khoảng 55 °C để các mồi gắn vào hai bên đoạn đích, rồi đến 72 °C để một DNA polymerase chịu nhiệt kéo dài các mồi. Mỗi chu kì làm đoạn đích tăng gấp đôi: 5 chu kì biến một bản sao thành 32, và 30 chu kì thành khoảng 1.07 tỉ.

Biến nạp vi khuẩn đưa một gene vào vi khuẩn trên plasmid, thường kèm gene kháng kháng sinh để chỉ những tế bào đã biến nạp mới mọc được trên đĩa có kháng sinh.

Giải trình tự DNA đọc thứ tự các base.