Tài liệu Sinh trưởng thực vật khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học

Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Mục lục Trang I- Khái niêm…………………………………………………………………3 - 4 II- Cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen…………………………………4 – 19 1. Kích thước, tổ chức và tính phức tạp của bộ gen (genome)……………5 2. Sự biểu hiện gen và sinh học phát triển………………………………5 – 19 a) Sự biểu hiện gen ở cơ thể tiền nhân (Prokaryote)…………………..5 – 9 b) Sự biểu hiện gen ở cơ thể có nhân (Eukaryote)…………………….10 – 19 III- Cơ chế và quá trình thông tin sinh học……………………………...20 – 25 1. Những khái niệm cơ bản và định nghĩa…………………………….20 – 21 2. Các con đường truyền tín hiệu và các chất nhận ở cơ thể tiền nhân.21- 25 a) Sự truyền tín hiệu trong cơ thể tiền nhân……………………………21 b) Các cơ chế cơ bản…………………………………………………….21 c) Vi khuẩn sử dụng các hệ thống điều tiết hai thành phần để cảm nhận các tín hiệu ngoại bào………………………………………………………….21 – 22 d) Phổ lan truyền của các trả lời…………………………………….22 - 23 e) Vi khuẩn sử dụng hệ thống hai thành phần để phát hiện độ thẩm thấu của môi trường…………………………………………………………………23 - 25 3. Tín hiệu thứ hai............................................................................25 - 31 Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 1 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. a) Quan niệm về tín hiệu thứ hai……………………………………..25 b) Một số đại diện tín hiệu thứ hai phổ biến……………………….26 - 31 4. Sự truyền tín hiệu trong cơ thể có nhân………………………….31 - 36 a) Hai lớp tín hiệu xác định hai lớp chất nhận……………………..32 b) Các chất nhận steroid hoạt động như là các tác nhân phiên mã.32 - 33 c) Chất nhận bề mặt tế bào có thể tương tác với G- protein………33 - 34 d) Chu trình G- protein dị tam phân là cầu dao phân tử của các dạng hoạt tính và bất hoạt…………………………………………………………….34 - 35 e) Hoạt hóa adenylat xiclaza………………………………………….35 g) Sự hoạt hóa photpholipaza C………………………………………35 h) IP3 mở các kênh canxi về phí LNSC về phía màng không bào.35 - 36 i) Các hệ thống hai thành phần trong cơ thể có nhân………………..36 5. Sự phát tín hiệu…………………………………………………..36 - 37 Tài liệu tham khảo…………………………………………………….38 Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 2 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. I- Khái niệm Cơ thể thực vật phát triển nhờ hai kiểu biến đổi liên quan chặt chẽ với nhau: biến đổi định lượng và biến đổi định tính (về chất). - Những biến đổi về lượng như sự gia tăng không thuận nghịch của kích thước (chiều dài, bề mặt, thể tích) hay khối lượng. Khác với quá trình biến đổi định lượng của vật thể vô sinh, chẳng hạn, một thanh kim loại dài ra khi nhiệt độ môi trường tăng, nhưng rồi co lại khi gặp lạnh, hay cột thạch nhũ trong các hang động cao, to thêm theo thời gian nhưng không có sự tạo mới về chất, ngược lại một hạt khi hút đủ nước sẽ nảy mầm, trong thời gian nảy mầm mặc dầu khối lượng khô của nó giảm xuống do chất dinh dưỡng trong hạt bị tiêu phí để cây mầm xuất hiện và lớn lên, một trạng thái mới với những cấu trúc mới (tế bào; mô; cơ quan như rễ, thân, lá được hình thành (hình 1.1)). Khi cây đã có rễ hút được các chất dinh dưỡng và lá đã hóa lục quang hợp được, cây mầm chuyển sang cây non với kiểu sống tự dưỡng, lúc này kích thước, bề mặt lá và khối lượng cây tăng nhanh. Như vậy, sinh trưởng là một khái niệm hoàn toàn sinh học. Sinh trưởng của thực vật là quá trình tăng không thuận nghịch về kích thước (chiều dài, bề mặt, thể tích) và khối lượng kèm theo sự tạo mới các thành phần cấu trúc (tế bào, mô, cơ quan) của cơ thể. - Sự biến đổi định tính được thực hiện nhờ sự hình thành mới về mặt hình thái và chức năng làm xuất hiện những sai khác về chất giữa các tế bào, mô và cơ quan được gọi là sự phân hóa. Phân hóa là khái niệm thuộc phạm trù phát triển sinh học. Phát triển là những biến đổi về chất trong cấu trúc, hoạt tính chức năng của toàn bộ cơ thể và của các bộ phận cấu thành nó (cơ quan, mô, tế bào) trong tiến trình phát sinh cá thể. Phát sinh cá thể (ontogenesis) hay chu trình sống là tổng thể những biến đổi chức và hình thái do di truyển gây nên trong cơ thể thực vật bắt đầu từ hợp tử hay mầm sinh dưỡng đến cái chết tự nhiên trong điều kiện bình thường của ngoại cảnh (hình 1.1). Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 3 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Hình 1.1. Chu trình sống của thực vật Hai lá mầm (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) II- Cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen Như đã nói ở trên, sự biến đổi về chất trong chức năng và hình thái (kiểu hình) của cơ thể là kết quả của sự biểu hiện gen. Các tín hiệu bên trong là rất cần để phối hơp nhịp nhàng sự biểu hiện gen trong chu trình phát triển và để cây có thể phản ứng đối với tín hiệu từ môi trường ngoài. Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 4 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Trước khi nghiên cứu các quá trình phát triển ở mức tế bào và cơ thể chúng ta cần có những thông tin cơ sở ngắn gọn về sự biểu hiện gen và sự truyền tín hiệu trong cơ thể tiền nhân (vi khuẩn), trong nấm men và động vật để tham khảo. Những hình mẫu biểu hiện gen trên đối tượng ấy sẽ cung cấp cho ta kiến thức khung đối với những thành tựu mới nhất trong nghiên cứu sự phát triển của thưc vật ở các chương tiếp theo. 1. Kích thước, tổ chức và tính phức tạp của bộ gen (genome) Kích thước bộ gen có mối liên quan xác định đối với mức độ phức tạp của cơ thể. Chẳng hạn bộ gen của E. Coli chứa 47.106 cặp bazo (Cb), bộ gen của ruồi giấm (Drosophila) là 2.108 Cb trong tế bào đơn bội, chỉ số đó của con người là 3.10 9 Cb. Kích thước của bộ gen thực vật cũng biến đổi nhiều, từ 1,5.108 Cb trong cây Arabidopsis đến 1.1011 Cb trong cây Một lá mầm Trillium. Bộ gen thực vật chứa khoảng 25000 gen, trong khi đó bộ gen của Drosophila chứa khoảng 12000 gen. Tuy nhiên, kích thước của bộ gen trong tế bào cơ thể có nhân (Eukaryote) là chỉ số chưa đáng tin cậy về độ phức tạp của nó vì không phải toàn bộ chuỗi ADN đều mã hóa gen. Chẳng hạn, ngày nay sau khi phân lập bản đồ gen người, thấy rằng khoảng hơn 95% chiều dài của xoắn kép ADN không chứa gen nào. Số lượng gen mã hóa protein trong bộ gen người là khoảng 30000, chỉ gấp hai lần so với ở giun hoắc ruồi giấm. Trong các cơ thể tiền nhân (Prokaryote) hầu như tất cả ADN đều chứa các trình tự nucleotit mã hóa các protein hay các phân tử ARN chức năng. Các nhiễm sắc thể (NST) trong cơ thể có nhân chứa số lượng lớn các ADN không mã hóa. Hình như điều đó có liên quan với chức năng tổ chức và cấu trúc của nhiễm sắc thể (Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger, 1998). Số lượng các ADN không mã hóa bao gồm các trình tự nucleotit có nhiều bản sao được gọi là ADN lặp lại (repetive DNA). Phần còn lại của ADN không mã hóa được tạo thành từ các trình tự nucleotit tự sao chép đơn được gọi là ADN chêm. Kết hợp ADN lặp lại và ADN chêm có thể tạo thành phần lớn của bộ gen tổng thể trong một số cơ thể có nhân. Chẳng hạn, trong cơ thể con người chỉ có khoảng dưới 5% của toàn bộ ADN chứa gen có nghĩa là những trình tự duy nhất được mã hóa cho sự tổng hợp ADN và protein 2. Sự biểu hiện gen và Sinh học phát triển a) Sự biểu hiện gen ở cơ thể tiền nhân (Prokaryote) - Protein liên kết với ADN điều tiết sự phiên mã trong cơ thể tiền nhân Trong cơ thể vi khuẩn các gen được sắp xếp vào các operon. Operon là bộ (tập hợp) các gen kế tiếp nhau gồm các gen cấu trúc và các gen điều tiết. Ví dụ, lactozo (lac) operon ở E. Coli được Francois Jacob và Jacques Monod ở viện Pasteur Paris mô tả lần đầu tiên vào Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 5 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. năm 1961. Lac operon là một ví dụ về operon cảm ứng. E. Coli sống trong ruột người. Nếu buổi sang ta ăn bánh gato phết bơ thì vi khuẩn sẽ chìm trong đường glucozo và fructozo và tiêu hóa thức ăn béo. Nếu sau đó ta uống sữa thì môi trường sống của E. Coli sẽ thay đổi mạnh. Sau khi ta uống sữa, một trong những chất dinh dưỡng chủ yếu trong sữa là đường lactozo. Khi lactozo chứa đầy trong ruột, E. Coli có thể tạo ra enzim sử dụng lactozo. Jacob và J. Monod đã đề xuất mô hình giải thích bằng cách nào tế bào E. Coli có thể sản xuất ra các enzim của nó trong phản ứng trả lời những biến đổi thường xuyên xảy ra trong môi trường bao quanh nó. Mô hình của Jacob và Monod (hình 1.2A và 1.2B) giải thích làm thế nào gen mã hóa các enzim cảm ứng sử dụng lactozo được đóng hay ngắt phụ thuộc vào điều kiện có lactozo hay không. Trong thời gian thích ứng với lactozo, trong cơ thể E. Coli cảm ứng đồng thời 3 enzim: β- galactosidaza có tác dụng phân giải lactozo thành đường glucozo và galactozo; permeaza cần cho sự vận chuyển lactozo qua màng vào bên trong tế bào; transacetylaza không tham gia vào sự chuyển hóa lactozo. E. Coli sử dụng 3 enzim để thu nhận và bắt đầu trao đổi lactozo, lúc đó các gen mã hóa cũng đóng vai trò như là đơn vị điều tiết. Nhìn vào hình 1.2A, ta thấy rõ rang 3 gen mã hóa các enzim kế tiếp nhau sử dụng lactozo. Đó là 3 gen cấu trúc (gen sử dụng lactozo). Sát kề nhóm các gen cấu trúc đó có các đoạn ngắn ADN giúp khống chế chúng. Một trình tự đặc hiệu các nucleotit, một gen khởi đầu (promoter), đánh dấu điểm bắt đầu phiên mã đối với tất cả 3 gen cấu trúc. Ở giữa gen khởi đầu và nhóm 3 gen cấu trúc là một trình tự các nucleotit được gọi là gen chỉ huy (gen điều khiển- operator). Gen này hoạt động như cái cầu dao đóng, ngắt điện. Gen chỉ huy quy định thời điểm enzim phiên mã, ARN- polimeraza, có thể liên kết vào gen khởi đầu và đẩy các gen di chuyển về phía trước. Một cụm các gen cấu trúc như vậy với những chức năng liên quan, cùng với gen khởi đầu và gen chỉ huy được gọi là một operon. Operon chỉ tồn tại trong cơ thể tiền nhân. Hình 1.2A trình diễn lac operon trong mô hình “ngắt” chỉ ra trạng thái khi ở đó không có đường lactozo trong môi trường bao quanh tế bào. Sự phiên mã bị ngắt (bị phong tỏa) bởi phân tử protein được gọi là chất ức chế. Đó là một protein hoạt động bằng cách liên kết với gen chỉ huy và phong tỏa không cho ARN- polimeraza tiếp xúc với gen chỉ huy. Gen điều hòa (hình 1.2A) nằm phía ngoài operon; gen điều hòa mã hóa chất ức chế. Sự biểu hiện của gen điều hòa xảy ra liên tục, do vậy tế bào luôn được cung cấp các phân tử chất ức chế. Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 6 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 7 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Làm sao các operon có thể đóng (hoạt động) nếu chất ức chế luôn xuất hiện? Hình 1.2B (lac operon đóng) cho thấy lactozo cản trở sự hoạt động của chất ức chế bằng cách liên kết với chất ức chế hình thành nên phức hệ lactozo- chất ức chế làm biến đổi cấu hình của nó (chất ức chế). Với cấu hình mới, chất ức chế không có khả năng liên kết với gen chỉ huy và gen này vẫn duy trì trạng thái đóng. Ở trạng thái này, enzim ARN- polimeraza có thể liên kết với gen khởi đầu và từ đó nó bắt đầu trượt ngược dòng từ 5’ đến 3’ theo các gen của operon. mARN được sinh ra như là một phân tử đơn đã mang trình tự mã hóa của tất cả 3 enzim cần cho sự hấp thụ và sử dụng lactozo. Tế bào có thể dịch thông tin thành các polipeptit tách biệt vì rằng mARN có chứa các mã tín hiệu khởi đầu và kết thúc của quá trình dịch mã. (Nguồn: http://withfriendship.com/images/c/13181/3-operon-lac-operon.gif) Lac operon chỉ là một trong nhiều kiểu operon trong cơ thể vi khuẩn. Những kiểu operon khác nhau cũng có gen khởi đầu, gen chỉ huy và một số gen cấu trúc, nhưng các operon khác nhau có các phương thức không giống nhay trong việc kiểm tra sự đóng, ngắt gen chỉ huy. Trên hình 1.3 trình bày hai kiểu các operon kiểm soát chất ức chế. Chất ức chế của lac operon ở trạng thái hoạt tính khi tự do và bị mất hoạt tính khi liên kết với lactozo. Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 8 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Trên hình 1.3 cũng giới thiệu kiểu operon thứ hai, kiểu trp operon điều khiển theo cách ngược lại. Trp operon được điều khiển bởi chất ức chế mà khi ở trạng thái tự do thì bị mất hoạt tính. Để có hoạt tính, kiểu chất ức chế này phải liên kết với chất phân tử bé đặc hiệu. Trong ví dụ trên hình 1.3, chất ức chế phân tử bé đó là axit amin tryptophan. E. Coli có thể sản ra axit amin tryptophan nếu nó cần, bằng cách sử dụng các enzim được mã hóa trong trp operon. Nhưng nó sẽ ngừng sản sinh ra tryptophan và hấp thụ nó từ môi trường xung quanh khi có thể. Khi có sẵn tryptophan, chất này liên kết với chất ức chế của trp operon, hoạt hóa chất ức chế của trp operon làm cho nó ngắt operon. Như vậy, kiểu operon này cho phép vi khuẩn ngừng tổng hợp một số các chất chủ yếu khi các chất này đã có sắn trong môi trường giúp tiết kiệm nguyên liệu và năng lượng cho tế bào. (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Ngoài hai kiểu operon vừa nếu còn có kiểu operon thứ ba. Đó là kiểu operon sử dụng các chất hoạt hóa. Các chất hoạt hóa là các protein đóng operon bằng cách liên kết với các ADN. Bằng cách nào đó các protein ấy làm cho các ARN- polimeraza dễ dàng liên kết với gen khởi đầu hơn là phong tỏa enzim ARN- polimeraza, như trường hợp các chất ức chế tác động. Ngoài ra còn các kiểu operon khác nữa. Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 9 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Với việc trang bị các kiểu operon khác nhau được điều tiết theo cách sử dụng các chất ức chế hay các chất hoạt hóa, E. Coli và các cơ thể tiền nhân khác có thể phát triển được trong những môi trường luôn biến động. b) Sự biểu hiện gen ở cơ thể có nhân (Eukaryote) Trong cơ thể tiền nhân, sự dịch mã (translation) liên kết với sự phiên mã (transcription) vì mARN phiên mã kéo dài ra, gắn với các riboxom và tổng hợp protein (dịch mã). Tuy nhiên, trong cơ thể có nhân, màng nhân tách bộ gen ra khỏi bộ máy dịch mã. Trước hết, trong cơ thể có nhân, màng nhân tách bộ gen ra khỏi bộ máy dịch mã. Trước hết các sản phẩm phiên mã được vận chuyển ra tế bào chất, phải được bổ sung các tuyến (mức độ) kiểm tra khác. - Sự đóng gói ADN trong nhiễm sắc thể của tế bào có nhân ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen Ví dụ, tổng ADN trong 46 nhiễm sắc thể của tế bào người nếu căng ra sẽ dài 3 mét (Neil Campbell et al., 1997) trong lúc đó đường kính của nhân điển hình chỉ là 5µm. Tất cả ADN trong mỗi tế bào đều nằm gọn trong nhân chờ có hệ thống xếp gấp (đóng gói) ADN tỉ mỉ nhiều bậc trong mỗi một nhiễm sắc thể. Vai trò quyết định của sự đóng gói là mối liên kết ADN với protein phân tử bé đặc hiệu có tên là histon chỉ phát hiện được ở cơ thể có nhân (vi khuẩn cũng có protein tương tự, nhưng chúng không có sự xếp gấp nhiều bậc ADN như trong Eukaryote). Trên các ảnh hiển vi điện tử phức hệ ADN- histon được hiện ra như là các hạt gần trên sợi dây. Mỗi “hạt” có tên gọi là nucleoxom (thể nhân), nucleoxom gồm có ADN quấn quanh protein có tám phân tử histon. Nucleoxom có thể giúp kiểm soát sự biểu hiện gen bằng cách hạn chế các enzim phiên mã xâm nhập vào ADN. Phần lớn các nucleoxom cũng chứa các protein không histon. Tế bào có nhân điển hình chứa khoảng 1000 các protein nhiễm sắc thể không histon khác nhau mà phần nhiều trong chúng có thể tham gia điều tiết gen. Ở mức đóng gói tiếp theo của ADN, dây có gắn hạt lại được gói vào sợi xoắn kép chặt. Sau đó sợi xoắn kép đó lại được quấn tiếp vào cuộn dài hơn với đường kính khoảng 200 nm. Tiếp theo các cuộn ADN lại được thắt thành vòng và đóng gói chặt hơn nữa như ta có thể thấy nhiễm sắc thế ở kì giữa (metaphase) trong quá trình nguyên phân (mitosis). Sự xếp gấp nhiều bậc kế tiếp nhau trong sự đóng gói ADN làm cho mỗi nhiễm sắc thể chứa được lượng khổng lồ ADN. Vai trò của sự đóng gói ADN trong sự kiểm soát biểu hiện gen hầu như chưa biết đầy đủ ngoại trừ một số ít trường hợp đặc biệt hấp dẫn. Một trường hợp như vậy là thể Barr (Barr body) được tìm thấy trong các tế bào ở cá thể cái của Động vật có vú. Thể Barr là Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 10 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. dạng nhiễm sắc thể X được đóng gói rất chặt. Hầu hết các gẽn trong nhiễm sắc thể X là bị mất hoạt tính. Khi con cái sinh ra, một trong hai nhiễm sắc thể X của các tế bào xoma là thể Barr (hình 1.4) và vì vậy mất hoạt tính. Nhiễm sắc thể X trong tế bào nào đó bị mất hoạt tính là hoàn toàn ngẫu nhiên. Kết quả là trong dị hợp tử cái đối với các gen trên nhiễm sắc thể X của các tế bào khác nhau biểu hiện ra thành các alen khác nhau. (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Một ví dụ gây ấn tượng sâu sắc về ảnh hưởng đến kiểu hình của thể Barr là mèo calico. - Điều tiết sự biểu hiện gen ở mức phiên mã Điều tiết sự biểu hiện gen ở mức phiên mã trong tế bào có nhân thường diễn ra như trong cơ thể Prokaryota. Kiến thức phần này cho đến nay chủ yếu là dựa vào các thành tựu nghiên cứu trên đối tượng động vật. Đối tượng được nghiên cứu tỉ mỉ về mặt di truyền là ruồi giấm (Drosophila melanogaster). Sự biểu hiện ở mức phiên mã đã được phát hiện ở các tế bào tuyến nước bọt của ấu trùng ruồi giấm là sự minh chứng về cơ chế điều tiết quá trình phiên mã trong các tế bào của cơ thể có nhân. Đói với thực vật, mô hình biểu hiện gen đang được nghiên cứu ở cây Arabidopsis thaliana (cải soong). Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 11 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Thực nghiệm đã cho thấy sự điều tiết hoạt tính biểu hiện gen liên quan đến các tín hiệu hóa học. Các hoocmon là tín hiệu hóa học. Chẳng hạn hoocomon steroid điều tiết sự phiên mã của một số gen xác định bằng cách liên kết với protein điều hòa và hoạt hóa nó. Trong trường hợp này, protein điều hòa là một chất hoạt hóa (activator). Chất này hoạt hóa các gen bằng cách liên kết các trình tự nucleotit (các gen đặc hiệu). Người ta đã định rõ được số lượng lớn các protein hoạt hóa trong tế bào có nhân. Giống với các protein điều hòa trong cơ thể tiền nhân, nhiều protein hoạt hóa trong cơ thể có nhân hoạt động theo cách gắn vào ADN và bằng cách nào đó ảnh hưởng đến khả năng của ARN- polimeraza bắt đầu phiên mã. - Sự khác biệt trong tổ chức bộ gen của tế bào có nhân (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 12 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Trong số lớn cơ thể có nhân, mỗi gen mã hóa một polipeptit đơn. Bộ gen trong nhân của cơ thể có nhân không chứa operon trừ một số ngoại lệ (khoảng 25% số gen trong con giun tròn Caenorhabitis elegans ở trong các operon. Operon các ARN phiên mã trở thành các mARN có thể thực hiện mã hóa các polipeptit đơn (monocistronic mARNs) bằng cách phối hợp sự phân cắt, poliadenin hóa và tách intron ra khỏi ARN (Kuersten và CS., 1997). Ngoài ra, các gen trong cơ thể có nhân được phân thành các miền mã hóa gọi là exon và các miền không chứa mã thông tin gọi là intron (hình 1.5). - Sự điều tiết sau phiên mã Sau khi phiên mã từ ADN thành ARN gọi là tiền mARN (pre- mARN) hay ARN phiên mã (RNA transcript). ARN này còn chứa các intron, do đó chưa có thể thực hiện sự dịch mã (tổng hợp protein) tiếp ngay như trường hợp vi khuẩn được. Tiền ARN này phải trải qua quá trình chin (quá trình xử lí sau phiên mã) bao gồm công đoạn cắt bỏ các intron và nối các exon thành ARN gọi là ARN nối (RNA splicing), tiếp theo còn phải thực hiện quá trình tạo mũ (capping) và quá trình nối đuôi poly- A. Khi đã hoàn tất các công đoạn xử lí đó, tiền ARN (pre- ARN) đã chin và gọi là ARN nối (mARN), mARN này phải rời khỏi nhân đi vào tế bào chất để khởi đầu sự dịch mã tổng hợp ra các protein tương ứng (hình 1.5). + Quá trình cắt bỏ intron và liên kết exon thành ARN nối có thể xảy ra theo hai cơ chế: 1. Quá trình được phức hệ protein và các ARN phân tử bé xúc tác; 2. Trong những trường hợp xác định khác, sự nối kết các exon xảy ra hoàn toàn không có protein hay ARN phân tử bé tham giá, ARN phiên mã (tiền ARN) tự xúc tác quá trình. Nói cách khác, ARN hoạt động như một enzim. Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 13 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. (Nguồn: http://thuviensinhhoc.violet.vn/entry/show/entry_id/1838862) + Chức năng sinh học của intron là gì? Hiện nay chưa có câu trả lời đầy đủ. Tuy nhiên, các nhà sinh học đã có những nhận xét về vai trò của intron như sau: Một số ADN không có intron không chứa những trình tự nucleotit bằng cách nào đó điều tiết hoạt tính gen. Quá trình cắt bỏ intron có thể giúp kiểm soát được dòng mARN từ nhân đến tế bào chất. Hơn nữa, trong một số trường hợp, tế bào có thể thực hiện sự cắt bỏ intron và nối kết exon theo cách khác nhau và do đó có thể tạo ra những phân tử mARN khác nhau từ cùng một tiền mARN (hình 1.6). Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 14 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Với cách như vậy, mỗi cơ thể có thể sản ra nhiều kiểu polipeptit từ một gen đơn. Sự phân hóa giới tính cũng là do sự khác biệt lớn trong hình mẫu phân hóa của quá trình tạo ARN nối (Neil A. Campbell và CS., 1997). Các intron cũng có thể góp phần vào tính đa dạng trong phát triển. Chẳng hạn, sự trao đổi chéo trong giảm nhiễm là một trong những nguồn chủ yếu của sự biến dị di truyền trong cơ thể có nhân. Sự có mặt của intron làm cho ADN dài ra bằng cách tăng số lượng các điểm, nơi có thể diễn ra sự trao đổi chéo giữa hai alen của một gen. Trong tính đa dạng di truyền do sự có mặt của các intron có thể có ý nghĩa quan trọng trong sự tiến hóa của cơ thể có nhân. Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 15 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. (Nguồn: http://trithucsangtao.vn/i485-ctnnsh-bai-6--tu-dna-sang-rna-su-phien-ma.aspx) Trước khi cắt bỏ intron, tiền mARN được chụp mũ bằng cách thêm mũ metylguanilat vào đầu 5’. mARN phiên mã được gắn mũ ngay sau khi bắt đầu tổng hợp mARN. Một trong các chức năng của mũ 5’ là bảo vệ ARN đang được hình thành khỏi bị enzim ARN- aza phân giải. Tại một bước về sau, trong quá trình tổng hợp sản phẩm phiên mã đầu tiên (ARN phiên mã) tại một vị trí đặc hiệu, đầu 3’ bị phân cắt và được gắn thêm đuôi poly- A (hình 1.7) thường gồm từ 100 đến 200 gốc adenilic. (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 16 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Đuôi poly- A có một sô chức năng: 1. Bảo vệ ARN khỏi ARN- aza và làm tăng tính ổn định của phân tử mARN trong tế bào chất; 2. Đuôi poly- A và mũ tại 5’ cần cho sự chuyển ARN qua lỗ nhân; 3. Tăng hiệu suất phiên mã trên riboxom. Các tác nhân phiên mã chung (general transcript factors) gắn vào phức hệ khởi đầu phiên mã (transcription inititionx complex) tại hộp TATA (TATA box) của trình tự khởi đầu nằm trong 100 Cb tại vị trí bắt đầu phiên mã của gen. (Nguồn: http://murj.mit.edu/features/31) Các trình tự điều hòa dạng cis bổ sung như hộp CAAT (CAAT box) hay hộp GC (GC box) liên kết với các tác nhân phiên mã có tác dụng tăng sự biểu hiện gen. Các trình tự nucleotit điều hòa từ xa phân bố xa hơn điểm ngược dòng (upstream) liên kết với các tác nhân phiên mã khác được gọi là các chất hoạt hóa (activator) hay các chất ức chế (repressor). Nhiều gen thực vật cũng được các gen tăng cường (enhancer), những trình tự điều hòa dương tính từ xa, điều khiển. Mặc dầu phân tán suốt khắp bộ gen, nhiều gen trong tế bào có nhân đều là gen cảm ứng và cũng được điều tiết. Các gen được điều tiết nhịp nhàng có các trình tự điều hòa dạng cis chung trong gen khởi đầu của chúng. Hầu hết các nhân tố phiên mã trong thực vật chứa nhịp chìa khóa cơ bản. (bZIP). Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 17 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. Trong cơ thể thực vật có nhóm quan trọng các tác nhân phiên mã: các gen phát sinh đồng nguồn (gen đồng dạng) chứa miền MADS (chữ cái đầu tiên của năm thành phần đầu của lớp gen: gen nấm men MCM- 1 mã hóa tác nhân phiên mã, các gen đồng dạng của cơ quan hoa AGAMOUS và DEFICIENS, tác nhân trả lời huyết thanh của thú, mammalian serum). Quá trình tổng hợp hầu hết protein trong tế bào có nhân được điều tiết ở mức phiên mã. Sự phức tạp trong phiên mã của tế bào có nhân so với tế bào tiền nhân được biểu hiện trong các khác biệt sau: Đặc điểm cấu trúc cơ bản là sự biến động của nhịp khóa loxin có chứa những axit amin ghét nước thay thế loxin và miền liên kết ADN chứa các axit amin. Ví dụ hai protein chưa rõ trong cây ngô, các tác nhân hộp G chứa các gen điều hòa phitocrom, các tác nhân phiên mã liên kết các yếu tố trả lời liên kết axit abxixic (ABA). Thứ nhất, tồn tại ba ARN- polimeraza khác nhau trong tế bào có nhân: I, II, III. ARNpolimeraza I định cư trong nhân con và có chức năng tổng hợp hầu hết ARN riboxom, ARNpolimeraza II cũng phân bố trong cơ chất nhân (nucleoplasm) có chức năng tổng hợp tiền mARN, ARN- polimeraza III cũng phân bố trong cơ chất nhân chịu trách nhiệm tổng hợp những ARN bé như tARN và rARN 5s. Thứ hai, ARN- polimeraza tế bào có nhân đòi hỏi các protein bổ sung gọi là các tác nhân phiên mã chung được chính xác vào vị trí khởi đầu (initition site). Còn ARNpolimeraza trong tế bào tiền nhân cũng đòi hỏi các polipeptit phụ có tên gọi là tác nhân sigma (δ). Các polipeptit này là các bộ phận dưới đơn vị của ARN- polimeraza. Ngược lại, các tác nhân sau phiên mã chung tạo thành phức hệ khởi đầu phiên mã nhiều kiến trúc dưới đơn vị (multisubunit). Ví dụ, bảy tác nhân phiên mã chung cấu thành phức hệ khởi đầu (initition complex) của ARN- polimeraza II, mỗi một tác nhân phải được bổ sung theo một trật tự xác định trong thời gian tập hợp. Thứ ba là sự khác biệt trong tính phức tạp của gen khởi đầu, trình tự ngược dòng (5’) của vị trí khởi đầu điều tiết sự phiên mã. Có thể chia cấu trúc của đoạn khởi đầu thành hai phần: Phần lõi (core) hay phần khởi đầu tối thiểu (minimum promoter) gồm trình tự ngược dòng tối thiểu (minimum upstream sequence) cần cho sự biểu hiện gen và các trình tự điều hòa bổ sung thực hiện sự kiểm tra hoạt động của phần hoạt động lõi. Mỗi một trong ba ARN- polimeraza có kiểu các đoạn khởi đầu khác nhau. Các trình tự ADN tự chúng hoạt động được gọi là trình tự dạng cis vì chúng ở sát kề với các đơn vị phiên mã mà chúng điều hòa. Các tác nhân phiên mã gần với trình tự dạng cis Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 18 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. gọi là các tác nhân dạng trans vì các gen mã hóa chúng phân bố tại đâu đó trong bộ gen. Nhiều các trình tự dạng cis phân bố xa điểm ngược dòng của các trình tự đoạn khởi đầu gần tâm có thể kiểm tra dương hay âm đối với các phần khởi đầu trong tế bào có nhân. Các trình tự ấy được gọi là các trình tự điều hòa từ xa và chúng thường phân bố trong 1000 Cb của vị trí bắt đầu phiên mã. Các tác nhân phiên mã (protein) dạng dương tính liên kết vào các vị trí ấy được gọi là các chất hoạt hóa, còn những tác nhân ức chế sự phiên mã gọi là chất ức chế. Sự điều tiết biểu hiện gen do các hoocmon thực vật liên quan với hiện tượng mất hoạt tính của các protein ức chế. Các trình tự dạng cis liên quan với cơ chế điều tiết gen do phitohoocmon hay do những tác nhân hóa học khác gọi là thành tố trả lời (response elements). Các trình tự điều hòa dương tính phân bố xa gọi là gen tăng cường. Gen tăng cường có thể phân bố hoặc ngược dòng hoặc xuôi dòng so với gen khởi đầu. Nhiều thành tố trả lời điều tiết sự biểu hiện gen đã được nhận diện ở trong cơ thể thực vật. - Điều tiết sự biểu hiện gen ở mức trong và sau dịch mã Ở cơ thể có nhân, sau khi đã xử lí ARN phiên mã thành mARN chin (đã loại bỏ intron, gắn mũ và gắn đuôi), mARN rời nhân vào tế bào chất. Xuất hiện cơ hội điều tiết biểu hiện gen. + Thời gian sống của phân tử mARN là tác nhân điều tiết biểu hiện gen ở mức dịch mã Nói chung mARN sống lâu có thể tổng hợp được nhiều protein hơn so với mARN có đời sống ngắn. mARN trong cơ thể Prokaryote có thời gian sống rất ngắn, chúng bị các enzim phân giải chỉ sau ít phút. Đó là một trong các nguyên nhân làm cho vi khuẩn có thể thay đổi nhanh protein của chúng trong phản ứng trả lời đối với môi trường biến đổi. Ngược lại, trong cơ thể Eukaryote mARN có thời gian sống hang giờ hoặc thậm chí hàng tuần lễ. Ví dụ ấn tượng nhất là thời gian sống lâu của mARN trong các tế bào hồng cầu của Động vật có xương sống đến một tháng ở Chim và còn lâu hơn ở Bò sát, Ếch nhái, Cá. Trong cơ thể có nhân tồn tại những cơ chế điều tiết sau dịch mã: Cơ chế điều tiết sau dịch mã bao gồm cắt các polipeptit thành các sản phẩm cuối cùng bé hơn và hoạt tính hơn. Nhịp điệu ổn định hay phân giải các mARN khác biệt giữa các mô phụ thuộc vào trạng thái sinh lí của cây. Ví dụ, ở cây Đậu (Vicia faba) sự nhiễm bệnh nấm đã gây nên sự phân giải mARN vốn mã hóa protein giàu prolin với vách tế bào cây Đậu. Ví dụ khác về sự điều tiết Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 19 Vấn đề 2: Sinh trưởng thực vật: khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học. biểu hiện gen của một trong các gen đối với cấu trúc dưới đơn vị bé của chất rubico trong rễ cây bèo tấm (Lemma gibba). Rễ bèo tấm quang hợp và vì vậy nó biểu hiện gen đối với cấu trúc dưới đơn vị rubico, nhưng sự biểu hiện của một trong các gen ở trong rễ thấp hơn trong lá. Jane Silverthorne và cộng sự đã cho thấy mức biểu hiện gen thấp như vậy ở bèo tấm là do nhịp điệu phân giải cao của mARN của gen đó ở trong nhân (Peters and Silverthorne, 1995). Tính ổn định trong dịch mã của các phân tử mARN cũng biến động. Chẳng hạn, sự xếp gấp ARN thành các phân tử có cấu trúc bậc hai, bậc ba biến đổi cũng gây ảnh hưởng đến khả năng đạt đến riboxom của mã khởi đầu dịch mã (trình tự AUG đầu tiên). Việc sử dụng mã cũng là một tác nhân khác có thể ảnh hưởng đến khả năng dịch mã của một mARN. Sự dư thừa trong mã bộ ba vốn đặc hiệu với mỗi axit amin trong dịch mã và mỗi một tế bào có nhịp điệu riêng đặc trưng cho mỗi tARN mang axit amin được gọi là độ lệch mã (codon bias). Cuối cùng, vị trí của tế bào, nơi diễn ra sự dịch mã cũng ảnh hưởng đến nhịp điệu của quá trình biểu hiện gen. Những polixom tự do có thể dịch mARN với những tốc độ rất khác nhau tùy thuộc vào mối liên kết polixom với màng lưới nội sinh chất, thậm chí bên trong lưới nội sinh chất cũng có thế tồn tại những nhịp điệu dịch mã khác nhau. Có thể tóm tắt quá trình điều tiết biểu hiện gen trong tế bào có nhân như trên hình 1.8. Phạm Thị Lan Anh- Di truyền học Page 20