Gen điều hòa

Gen điều hòa Khái niệm gen điều hòa là một thuật ngữ được đề cấp khá rộng bao gồm các trình tự điều hóa, các đơn vị điều chỉnh, vùng điều hòa, đơn vị kiểm soát, vùng kiểm soát, tùy thuộc và chức năng của chúng với gen cấu trúc như thế nào. Tham gia vào sự điều haotj hoạt động của gen cấu trúc gồm có: vùng khởi động (promoter) hay khởi đầu phiên mã, vùng vận hành (operator) hay chỉ huy, gen điều hòa (regulator), ngoài ra còn có thể có vùng suy giảm (attenuator), hoặc vùng tăng cường (enhancer). Vùng khởi động là nơi enzim ARN polimeraza đính vào để bắt đầu tiến hành phiên mã. Vùng vận hành chi phối hoạt động của nhóm gen cấu trúc, nơi prôtêin ức chế bám vào. Gen điều hòa tổng hợp ra prôtêin trực tiếp tác động đến hoạt động của enzim ARN polimeraza. Vùng suy giảm tìm thấy trong các cụm gen của vi khuẩn. Vùng attenuator gồm khoảng 162 cặp bazơ được định vị giữa vùng protmoter - operator và vị trí khởi đầu của gen trong cụm gen cấu trúc. Sự làm giảm có thể gây ra tác động thay đổi sự phiên mã đến 10 lần. Khi mức độ của một axit amin nào đó giảm đi trong tế bào thì sự suy giảm sẽ điều hòa mức độ phiên mã để thích hợp với mức độ biến đổi lượng axit amin đó. Sự suy giảm hoạt động độc lập với sự kìm hãm, hai hình thức biểu hiện này không phụ thuộc vào nhau. Vùng tăng cường được phát hiện đầu tiên ở ADN của virut động vật SV40. Chức năng của vùng tăng cường khi hoạt động làm tăng số lượng enzim ARN polimeraza dùng để phiên mã cho một gen nào đó. Vùng gen tăng cường dường như không có một vị trí đặc biệt riêng liên quan đến vị trí khởi đầu của gen cấu trúc vẫn thấy ở promoter, nó có thể đứng trước, sau hoặc trong đoạn phiên mã. Gen cấu trúc Các gen cấu trúc của các sinh vật khác nhau từ virut, sinh vật nhân sơ đến sinh vật nhân thực rất khác nhau. Điều đó tùy thuộc vào thông tin mà mỗi gen đó mang và tùy thuộc vào tính ổn định của gen tại vị trí được biết trong phân tử ADN. Ví dụ có những gen mà thông tin của nó được sắp xếp liên tục bởi các nuclêôtit mà ta thương thấy ở sinh vật nhân sơ. Nhưng lại có những gen cấu trúc mà thông tin của nó bị gián đoạn hay bị phân tách bởi các trình tự nuclêôtit không mã hóa thường thấy ở sinh vật nhân thực. Hơn nữa lại có những gen mang tin di truyền của nó tổ hợp với thông tin chứa đựng của gen khác để rồi tạo nên một gen thứ ba, nghĩa là gen gối lan nhau, như ta thấy ở virut ΦX174. Thậm chí còn có gen di chuyển tới các vị trí khác nhau từ một NST này đến một NST khác thường thấy ở nhân sơ và nhân thực. Cấu trúc chung của các gen cấu trúc mã hóa prôtêin điển hình gồm 3 vùng trình tự: - Vùng khởi đầu: nằm ở đầu của gen mang tín hiệu khởi động và kiểm soát quá trình phiên mã. - Vùng mã hóa: mang thông tin mã hóa các axit amin. - Vùng kết thúc: nằm ở cuối gen mang tín hiệu kết thúc phiên mã. Gen ở tế bào nhân sơ Hầu hết các gen của các sinh vật nhân sơ đều chứa trình tự nuclêôtit không bị phân tách hay bị gián đoạn bởi các trình tự không mã hóa, mặc dù vậy ở một số vi sinh vật Eubacteria và vi sinh vật cổ Archaebacteria vẫn có các trình tự không mã hóa. Tuy nhiên, hầu hết các nuclêôtit tìm thấy trong những gen của sinh vật nhân sơ là các đơn vị thông tin dùng để cấu tạo nên một phân tử prôtêin hoặc một phân tử ARN. Ngoại trừ đoạn dẫn đầu, còn lại tất cả các đoạn khác sẽ được lặp lại cho mỗi gen được dịch mã trong một đơn vị phiên mã đa gen. Đoạn dẫn đầu chỉ xuất hiện duy nhất một lần trong một đơn vị phiên mã đa gen. Do đó ở nhân sơ, mARN chứa thông tin tương ứng với nhiều gen và dịch mã tạo ra các chuỗi pôlipeptit tương ứng. Gen ở sinh vật nhân thực Khác với sinh vật nhân sơ, các sinh vật nhân thực nói chung chỉ sử dụng các đơn vị phiên mã là một gen, các gen của sinh vật này không được hoạt hóa trong các cụm gen (cluster) mà tồn tại ở thể đơn. Do vậy, mARN chỉ chứa đựng thông tin mã hóa cho một pôlipeptit. Hầu như sự sắp xếp của các đoạn nuclêôtit ở gen của sinh vật nhân thực tương tự như gen của sinh vật nhân sơ (cũng từ đoạn dẫn đầu, khởi động ...) nhưng các gen của tế bào nhân thực ngoài những đoạn mã hóa (exon) còn đan xen những đoạn không mã hóa (intron). Vậy nên gen của sinh vật nhân thực được gọi là gen phân mảnh, nghĩa là thông tin của nó bị phân tán dọc theo phân tử ADN. Exon trong gen của sinh vật nhân thực là các đoạn nuclêôtit mã hóa các axit amin, còn các đoạn nuclêôtit không mã hóa axit amin được gọi là các đoạn intron (đoạn xen vào). Điều đáng chú ý là các đoạn gen intron không phân bố một cách ngẫu nhiên theo chiều dài của gen mà định vị tại các vị trí đặc biệt. Ví dụ chugns nằm cạnh với những đoạn mã hóa axit amin. Trong một cơ thể sinh vật đa bào, bất kể các tế bào mầm hay tế bào xôma các gen phân mảnh vẫn giữ nguyên cấu trúc. Gen gối hay phủ lên nhau (Overlapping genes) Trong những virut có ADN rất nhỏ bé như ΦX174 và các thể thực khuẩn MS2, QB và virut động vật SV40, vật liệu di truyền của chugns quá nhỏ để có thể lưu giữ thông tin cho việc mã hóa tất cả các prôtêin cần thiết. Bộ gen của các sinh vật này chỉ chứa không quá 5400 nuclêôtit. Mặc dù sự sắp xếp lấp phủ của các gen có lợi ích rất lớn trong phân tử ADN hay ARN có chiều dài giới hạn. Nhưng khi một đột biến gen xảy ra tại vùng lấp phủ có thể gây ảnh hưởng đến hai hay nhiều gen. Gen nhảy Nhà khoa học Mc Clintock (Mĩ) đã công bố công trình nghiên cứu đầu tiên (1951) về các yếu tố di truyền vận động hay các gen có có thể di chuyển trên NST ở cây ngô. Bắt đầu từ khám phá đó đến nay đã có rất nhiều gen nhảy được tìm thấy ở cả sinh vật nhân sơ và nhân thực. Cấu trúc nói chung của gen nhảy là những đoạn nuclêtôtit mà kề sá hai đầu của gen là những trình tự lặp đảo ngược nhau ở hai đầu, những đoạn này lại bị giới hạn bằng những đoạn lặp cùng chiều, ví dụ như: 5'ATGXA/XXGTA[GGTTXXATTT]AATGXX/ATGXA 3' 3'TAXGT/GGXAT[XXAAGGTAAA]TTAXGG/TAXGA5' Trong ví dụ này gen nhảy dọc theo chiều 5' đến 3' là đoạn trong ngoặc vuông [GGTTATTT] đoạn này được kề sát với một trình tự lặp lại đảo ngược: XXGTAA và đảo ngược của đoạn này là AATGXX, sau đó kế tiếp với các đoạn này là một đoạn lặp lại trực tiếp là ATGXA. Gen nhảy có khả năng gây ra sự sắp xếp lại các đoạn do sự di chuyển của nó tạo ra các đoạn mới bằng cắt đoạn, đảo đoạn hoặc di chuyển đến một vị trí mới. Sự sắp xếp lại cũng có thể làm thay đổi chức năng của các đoạn liên quan do đặt các đoạn đó dưới sự điều khiển của một đoạn điều hòa mới chẳng hạn.