Điều hòa hoạt động gen chính là gì? Trong bài viết này, hãy cùng Thuonghieuviet tìm hiểu về cơ chế và ví dụ của điều hòa hoạt động gen ở hai nhóm sinh vật chính là sinh vật nhân sơ (vi khuẩn) và sinh vật nhân thực (động vật, thực vật).
Gen là gì? Điều hòa hoạt động gen chính là gì?
Gen là đơn vị di truyền cơ bản của sinh vật, chứa thông tin mã hóa cho các protein và các loại ARN khác nhau. Gen được biểu hiện bằng cách được sao chép thành ARN (phiên mã) và sau đó được dịch thành protein (dịch mã) trong quá trình tổng hợp protein.
Tuy nhiên, không phải tất cả các gen đều được biểu hiện ở mức độ như nhau trong mọi tế bào, mọi thời điểm và mọi điều kiện. Sự biểu hiện của gen có thể được điều hòa ở nhiều cấp độ khác nhau, từ trước phiên mã cho đến sau dịch mã. Điều hòa hoạt động gen chính là quá trình điều chỉnh lượng sản phẩm (ARN hoặc protein) được tạo ra từ gen, hay nói cách khác là quá trình kiểm soát gen có được phiên mã, dịch mã hay không.
Điều hòa hoạt động gen là một quá trình phức tạp và tinh vi, có sự tham gia của nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm các yếu tố nội sinh (như cấu trúc và sự tương tác của ADN, ARN và protein) và các yếu tố ngoại sinh (như các chất cảm ứng hoặc ức chế, các tín hiệu từ môi trường hoặc từ các tế bào khác). Các yếu tố này có thể ảnh hưởng đến sự kết hợp và ly giải của các phân tử ADN, ARN và protein, từ đó thay đổi lượng sản phẩm của gen.
Điều hòa hoạt động gen có ý nghĩa rất quan trọng trong sinh học, vì nó giúp cho sinh vật có thể thích ứng với các điều kiện sống biến đổi, phát triển và phân hóa thành các loại tế bào khác nhau, duy trì sự ổn định và cân bằng của chức năng tế bào và cơ thể. Ngoài ra, điều hòa hoạt động gen cũng liên quan đến nhiều quá trình sinh lý và bệnh lý của sinh vật, như sự biến dị di truyền, sự kháng thuốc của vi khuẩn, sự ung thư hóa của tế bào.
Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ
Sinh vật nhân sơ là những sinh vật có ADN không bao quanh bởi màng nhân, mà tồn tại dưới dạng một chuỗi xoắn kép kín gọi là nhiễm sắc thể. Sinh vật nhân sơ có cấu trúc gen đơn giản, không có intron (đoạn không mã hóa protein) và có ít gen hơn so với sinh vật nhân thực. Do đó, quá trình phiên mã và dịch mã ở sinh vật nhân sơ diễn ra liên tục và đồng thời trong chất nhầy của tế bào. Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ thường chỉ xảy ra ở mức độ phiên mã, tức là điều hòa lượng ARN được tạo ra từ gen.
Một trong những cơ chế điều hòa hoạt động gen phổ biến ở sinh vật nhân sơ là sử dụng operon. Operon là một đơn vị điều hòa gen, bao gồm một hoặc nhiều gen cấu trúc có liên quan về chức năng, một promoter (vùng khởi đầu phiên mã) và một operator (vùng điều hòa phiên mã). Các gen cấu trúc trong operon được biểu hiện cùng nhau dưới dạng một ARN thông điệp đa gen (polycistronic mRNA), và được điều hòa bởi sự kết hợp của các protein gọi là repressor (chất ức chế) hoặc activator (chất kích hoạt) vào vùng operator. Các protein này có thể được ảnh hưởng bởi các chất cảm ứng hoặc ức chế, thường là các chất hữu cơ hoặc vô cơ có trong môi trường.
Một ví dụ điển hình của operon là operon lac ở vi khuẩn Escherichia coli. Operon lac gồm ba gen cấu trúc là lacZ, lacY và lacA, mã hóa cho ba enzim liên quan đến quá trình phân giải lactose (đường sữa) thành glucose và galactose. Operon lac còn có một promoter, một operator và một gen điều hòa là lacI, mã hóa cho repressor của operon.
Khi không có lactose trong môi trường, repressor sẽ kết hợp vào operator, ngăn cản RNA polymerase gắn vào promoter và khởi đầu quá trình phiên mã. Khi có lactose trong môi trường, một phần của lactose sẽ được chuyển hóa thành allolactose, một chất cảm ứng của operon. Allolactose sẽ kết hợp với repressor, làm thay đổi cấu trúc của nó và buộc nó phải rời khỏi operator. Khi đó, RNA polymerase có thể gắn vào promoter và bắt đầu phiên mã các gen cấu trúc của operon, tạo ra các enzim cần thiết để phân giải lactose.
Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực
Sinh vật nhân thực là những sinh vật có ADN bao quanh bởi màng nhân, tạo thành các nhiễm sắc thể. Sinh vật nhân thực có cấu trúc gen phức tạp, có nhiều intron và exon (đoạn mã hóa protein) và có nhiều gen hơn so với sinh vật nhân sơ. Do đó, quá trình phiên mã và dịch mã ở sinh vật nhân thực diễn ra riêng biệt và tuần tự trong hai không gian khác nhau: phiên mã xảy ra trong nhân, dịch mã xảy ra ngoài nhân.
Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực có thể xảy ra ở nhiều cấp độ khác nhau, từ trước phiên mã cho đến sau dịch mã. Dưới đây là một số cơ chế và ví dụ của điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực.
Điều hòa trước phiên mã
Điều hòa trước phiên mã là quá trình điều hòa hoạt động gen trước khi ADN được sao chép thành ARN. Điều hòa trước phiên mã có thể bao gồm các cơ chế sau:
- Điều hòa bằng cấu trúc ADN: Cấu trúc ADN có thể ảnh hưởng đến khả năng của RNA polymerase gắn vào promoter và khởi đầu phiên mã.
Cấu trúc ADN có thể bị thay đổi bởi các yếu tố như siêu xoắn (supercoiling), methylation (thêm nhóm metyl vào ADN) hoặc histone modification (thay đổi cấu trúc và tính chất của các protein histone gắn với ADN).
Ví dụ, methylation của ADN thường làm giảm sự biểu hiện của gen, còn histone acetylation (thêm nhóm acetyl vào histone) thường làm tăng sự biểu hiện của gen.
- Điều hòa bằng các yếu tố khởi đầu phiên mã (transcription factors):
Các yếu tố khởi đầu phiên mã là các protein có khả năng gắn vào các vùng nhận dạng của ADN, gọi là enhancer (vùng kích hoạt) hoặc silencer (vùng ức chế), để tăng hoặc giảm sự biểu hiện của gen. Các yếu tố khởi đầu phiên mã có thể được điều hòa bởi các yếu tố ngoại sinh, như các hormon, các tín hiệu từ môi trường hoặc từ các tế bào khác.
Ví dụ, hormon steroid có thể kết hợp với các yếu tố khởi đầu phiên mã steroid để điều hòa biểu hiện của nhiều gen liên quan đến sự phát triển và chức năng của các cơ quan sinh dục.
- Điều hòa bằng alternative splicing (ghép ARN biến thể):
Alternative splicing là quá trình ghép các exon của ARN tiền thông điệp (pre-mRNA) theo nhiều cách khác nhau, để tạo ra nhiều loại ARN thông điệp (mRNA) khác nhau từ cùng một gen. Alternative splicing cho phép sinh vật nhân thực tạo ra nhiều loại protein khác nhau từ cùng một gen, từ đó tăng độ phức tạp và đa dạng của chức năng protein.
Alternative splicing có thể được điều hòa bởi các yếu tố như cấu trúc và sự tương tác của pre-mRNA, các protein ghép ARN (splicing factors) và các yếu tố môi trường. Ví dụ, alternative splicing của gen Dscam ở ruồi giấm có thể tạo ra hàng triệu loại protein Dscam khác nhau, có vai trò quan trọng trong sự phát triển và hoạt động của hệ thần kinh.
Điều hòa trong quá trình phiên mã
Điều hòa trong quá trình phiên mã là quá trình điều hòa hoạt động gen trong khi ADN đang được sao chép thành ARN. Điều hòa trong quá trình phiên mã có thể bao gồm các cơ chế sau:
- Điều hòa bằng sự ổn định của ARN: Sự ổn định của ARN có thể ảnh hưởng đến lượng ARN có sẵn để dịch mã thành protein. Sự ổn định của ARN có thể bị thay đổi bởi các yếu tố như cấu trúc và sự tương tác của ARN, các protein gắn ARN (RNA-binding proteins) và các ARN phi mã hóa (non-coding RNA). Ví dụ, microRNA (miRNA) là một loại ARN phi mã hóa có khả năng gắn vào mRNA và làm giảm sự biểu hiện của gen bằng cách ngăn cản quá trình dịch mã hoặc làm phân hủy mRNA.
- Điều hòa bằng sự chuyển vị của gen (gene translocation): Sự chuyển vị của gen là quá trình di chuyển một phần của ADN từ một nhiễm sắc thể sang một nhiễm sắc thể khác, hoặc từ một vị trí sang một vị trí khác trên cùng một nhiễm sắc thể. Sự chuyển vị của gen có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen bằng cách thay đổi vị trí của gen so với các yếu tố điều hòa khác, hoặc tạo ra các gen mới từ việc kết hợp các phần của các gen khác. Ví dụ, sự chuyển vị của gen MYC từ nhiễm sắc thể 8 sang nhiễm sắc thể 14 trong tế bào bạch cầu có thể làm tăng biểu hiện của gen MYC, một gen liên quan đến sự phân chia và sinh trưởng của tế bào, và gây ra ung thư.
Điều hòa sau phiên mã
Điều hòa sau phiên mã là quá trình điều hòa hoạt động gen sau khi ADN đã được sao chép thành ARN. Điều hòa sau phiên mã có thể bao gồm các cơ chế sau:
- Điều hòa bằng xử lý ARN (RNA processing): Xử lý ARN là quá trình chỉnh sửa ARN để tạo ra các sản phẩm cuối cùng có hoạt tính sinh học. Xử lý ARN có thể bao gồm các bước như capping (thêm mũ vào đầu 5’ của mRNA), tailing (thêm đuôi vào đuôi 3’ của mRNA), splicing (ghép exon và loại bỏ intron), editing (thay đổi cơ sở nitơ của ARN) và cleavage (cắt ngắn ARN). Xử lý ARN có thể ảnh hưởng đến lượng và chất lượng của ARN, từ đó ảnh hưởng đến quá trình dịch mã và chức năng protein. Ví dụ, editing của mRNA cho protein apolipoprotein B (ApoB) ở người có thể tạo ra hai loại protein ApoB khác nhau, ApoB100 và ApoB48, có vai trò khác nhau trong việc vận chuyển cholesterol trong máu.
Điều hòa bằng xuất khẩu ARN (RNA export): Xuất khẩu ARN là quá trình vận chuyển ARN từ nhân ra ngoài nhân, để tham gia vào quá trình dịch mã và chức năng protein. Xuất khẩu ARN có thể ảnh hưởng đến lượng và loại ARN có sẵn trong chất nhầy của tế bào. Xuất khẩu ARN có thể được điều hòa bởi các yếu tố như cấu trúc và sự tương tác của ARN, các protein gắn ARN và các yếu tố môi trường. Ví dụ, xuất khẩu mRNA cho protein NF-κB, một protein điều hòa quá trình viêm, có thể bị ức chế bởi các protein gắn ARN như HuR và TTP, từ đó làm giảm sự biểu hiện của NF-κB.
Điều hòa trong quá trình dịch mã
Điều hòa trong quá trình dịch mã là quá trình điều hòa hoạt động gen trong khi ARN đang được dịch thành protein. Điều hòa trong quá trình dịch mã có thể bao gồm các cơ chế sau:
- Điều hòa bằng sự khởi đầu dịch mã (translation initiation): Sự khởi đầu dịch mã là bước đầu tiên trong quá trình dịch mã, trong đó ribosome gắn vào mRNA và bắt đầu đọc bộ ba codon để tạo ra protein. Sự khởi đầu dịch mã có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả của quá trình dịch mã. Sự khởi đầu dịch mã có thể được điều hòa bởi các yếu tố như cấu trúc và sự tương tác của mRNA, các protein gắn mRNA (mRNA-binding proteins) và các yếu tố khởi đầu dịch mã (translation initiation factors). Ví dụ, cấu trúc vòng của mRNA ở phần đầu 5’ (5’ untranslated region) có thể làm giảm sự khởi đầu dịch mã bằng cách ngăn cản ribosome gắn vào mRNA.
- Điều hòa bằng sự gia nhập ribosome (ribosome recruitment): Sự gia nhập ribosome là quá trình tăng số lượng ribosome tham gia vào quá trình dịch mã của một mRNA cụ thể. Sự gia nhập ribosome có thể ảnh hưởng đến lượng protein được tạo ra từ mRNA. Sự gia nhập ribosome có thể được điều hòa bởi các yếu tố như cấu trúc và sự tương tác của mRNA, các protein gắn mRNA và các yếu tố khác nhau dịch mã (translation elongation factors). Ví dụ, poly(A) tail (đuôi poly(A)) của mRNA ở phần đuôi 3’ (3’ untranslated region) có thể làm tăng sự gia nhập ribosome bằng cách kết nối với poly(A)-binding protein (PABP), một protein gắn mRNA có vai trò kích hoạt quá trình dịch mã.
Điều hòa sau dịch mã
Điều hòa sau dịch mã là quá trình điều hòa hoạt động gen sau khi ARN đã được dịch thành protein. Điều hòa sau dịch mã có thể bao gồm các cơ chế sau:
- Điều hòa bằng xử lý protein (protein processing): Xử lý protein là quá trình chỉnh sửa protein để tạo ra các sản phẩm cuối cùng có hoạt tính sinh học. Xử lý protein có thể bao gồm các bước như folding (gấp protein thành cấu trúc không gian), cleavage (cắt ngắn protein), modification (thay đổi các nhóm hóa học của protein), targeting (định hướng protein đến các vị trí khác nhau trong tế bào) và degradation (phân hủy protein). Xử lý protein có thể ảnh hưởng đến lượng và chất lượng của protein, từ đó ảnh hưởng đến chức năng protein. Ví dụ, xử lý protein cho hormone insulin, một hormone điều hòa đường huyết, bao gồm các bước như cắt ngắn proinsulin thành insulin, thêm nhóm sulfat vào insulin và vận chuyển insulin đến các túi bào (vesicle) để tiết ra ngoài tế bào.
- Điều hòa bằng sự tương tác của protein (protein interaction): Sự tương tác của protein là quá trình kết hợp của các protein với nhau hoặc với các phân tử khác, để tạo ra các cấu trúc phức tạp hoặc thực hiện các chức năng sinh học. Sự tương tác của protein có thể ảnh hưởng đến hoạt tính và ổn định của protein. Sự tương tác của protein có thể được điều hòa bởi các yếu tố như cấu trúc và sự tương tác của protein, các yếu tố ngoại sinh và các yếu tố môi trường. Ví dụ, sự tương tác của protein cho hemoglobin, một protein vận chuyển oxy trong máu, bao gồm các bước như kết hợp của bốn phân tử hemoglobin thành một phân tử hemoglobin lớn, gắn oxy vào hemoglobin và thay đổi cấu trúc của hemoglobin khi có oxy hoặc không.
Kết luận
Trên đây là những thông tin giải đáp Điều hòa hoạt động gen chính là gì? Điều hòa hoạt động gen là quá trình điều chỉnh lượng sản phẩm (ARN hoặc protein) được tạo ra từ gen. Điều hòa hoạt động gen có ý nghĩa rất quan trọng trong sinh học, vì nó giúp cho sinh vật có thể thích ứng với các điều kiện sống biến đổi, phát triển và phân hóa thành các loại tế bào khác nhau, duy trì sự ổn định và cân bằng của chức năng tế bào và cơ thể. Điều hòa hoạt động gen cũng liên quan đến nhiều quá trình sinh lý và bệnh lý của sinh vật.
Điều hòa hoạt động gen có thể xảy ra ở nhiều cấp độ khác nhau, từ trước phiên mã cho đến sau dịch mã. Điều hòa hoạt động gen có thể sử dụng nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm sự tham gia của nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm các yếu tố nội sinh và ngoại sinh. Điều hòa hoạt động gen có thể khác nhau giữa các nhóm sinh vật khác nhau, như sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.
Thuonghietviet hi vọng bài viết này hữu ích với bạn!
