Tải bản đầy đủ

Điều hòa hoạt động gen

Điều hòa biểu hiện của gene

MỞ ĐẦU

1


Điều hòa hoạt động của gene: là điều hòa lượng sản phẩm do gene tạo ra hay
điều hòa các quá trình nhân đôi DNA , phiên mã tạo ARN và quá trình tổng hợp
protein
Ý nghĩa của việc điều hòa hoạt động của gene: Giúp cho tế bào cơ thể có thể
đóng hay mở các gene nhất định vào những thời điểm nhất định để đáp ứng với
điều kiện môi trường thay đổi cũng như sự phát triển bình thường của cơ thể. Giúp
cơ thể điều khiển được lượng sản phẩm của gene được tạo ra nhiều hay ít phù hợp
với nhu cầu của nó.
Mục đích của sự điều hoà biểu hiện gene là nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho
phù hợp với các nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý hóa và môi trường, tạo số lượng
và số loại cần thiết để đảm bảo nhu cầu của tế bào là phát triển và sinh sản.
(Ví dụ như từng quá trình phát triển của các cá thể thì trong từng giai đoạn thì mỗi
giai đoạn khác nhau lại biểu hiện tính trạng khác nhau)
Tổng quát về quá trình điều hòa hệ gene ở nhân sơ và nhân thực

Quá trình điều hòa hoạt động của gene ở sinh vật rất phức tạp, có thể xảy ra
ở nhiều mức độ khác nhau như :
Điều hòa phiên mã (điều hòa số lượng mARN được tổng hợp trong tế bào)
Điều hòa dịch mã (điều hòa lượng protein tạo ra)
Điều hòa sau dịch mã (làm biến dổi protein sau khi được tổng hợp để có thể
thực hiện được chức năng nhất định).
Ở nhân sơ, mục đích của sự điều hòa biểu hiện gene là nhằm điều chỉnh hệ
enzyme cho phù hợp với các tác nhân dinh dưỡng và lý hóa của môi trường, đảm
bảo được hai yêu cầu chính của tế bào là sinh trưởng và sinh sản. Sự điều hòa
ở đây rất linh động và có tính thuận nghịch.
Ở nhân thực, do tế bào không tiếp xúc trực tiếp với môi trường, nên sự
điều hòa ở đây không còn nhằm mục đích đối phó với các biến động ở ngoại bào.
Sự điều hòa ở nhân thực hướng đến việc chuyên biệt hóa từng loại tế bào
vào từng cấu trúc và chức năng riêng và vì thế không mang tính thuận
nghịch.
2


Ba giai đoạn chính của sự điều hòa biểu hiện gene là: Tín hiệu gây ra đáp
ứng làm thay đổi biểu hiện gene, các giai đoạn được thực hiện sự điều hòa trong
quá trình từ tái bản đến dịch mã và cơ chế phân tử của sự điều hòa biểu hiện gene.
1. Điều hòa hệ gene ở sinh vật nhân sơ:
1.1. Giới thiệu
Các tế bào vi khuẩn có khả năng bảo tồn các nguồn dinh dưỡng sơ cấp và
năng lượng sẽ có ưu thế chọn lọc cao hơn so với các tế bào không có khả năng đó.
Vậy là chọn lọc tự nhiên ủng hộ cho các vi khuẩn chỉ biểu hiện các gene mà chúng
cần.
Quá trình điều hòa hoạt động gene ở sinh vật nhân sơ được tiến hành chủ
yếu ở mức độ phiên mã, tức là điều hòa lượng mARN được tổng hợp ra nhiều hay
ít và qua đó điều hòa lượng sản phẩm của gene.
1.2.1. Operon Lac và cơ chế điều hòa âm tính (negative control)
1.2.1.1. Cấu trúc của operon lac (khái niệm cơ bản):
Các gene cấu trúc của opera lac bao gồm gene quy định một loại protein
màng permeaza (gene Y) làm nhiệm vụ vận chuyển đường lactose vào trong tế bào
và gene β-galactozidaza (kí hiệu là Z) quy định tổng hợp enzim β-galactozidaza có
chức năng phân giải đường lactose thành glucose và galactose. Còn một gene thứ 3
là transcetylaza (kí hiệu là A) quy định enzim transacetylaza. Tuy nhiên, cho đến
nay người ta vẫn chưa rõ chức năng của enzim này trong việc chuyển hóa lactose.
Tất cả 3 gene cấu trúc này đều được phiên mã cùng một lúc vì cùng nằm trên cùng
1 phân tử mARN duy nhất, một trình tự khởi động (promoter) duy nhất được dùng

chung cho tất cả các gene. Vì vậy, các gene cấu trúc của một operon hoặc là cùng
được phiên mã hoặc cùng không được phiên mã.
Ưu điểm của việc ghép các nhóm gên có liên quan về chức năng vào cùng
một đơn vị phiên mã là tế bào có thể dùng một “công tắc bật-tắt” duy nhất để điều
khiển toàn bộ cụm gene có quan hệ hoạt động với nhau, nói cách khác, những gene
này được điều khiển phối hợp. Khi tế bào e.coli cần phân giải đường lactose khi
trong môi trường dinh dưỡng chứa chất này thì tất cả các gene mã hóa cho các
3


enzyme cần cho con đường phân giải lactose đều được dịch mã đồng thời. Công
tắc bật – tắt là đoạn trình tự DNA được gọi là trình tự vận hành, hay operator. Vị
trí và tên gọi của trình tự này phản ảnh hoạt động và chức năng của nó: thường
nằm trong promoter, hoặc đôi khi nằm giữa promoter và vùng mã hóa enzyme,
trình tự vận hành điều khiển khả năng tiếp cận các gene của ARN polymerase.
Gene điều hòa và các vùng điều hòa: Nằm trước các gene cấu trúc Z, Y và A
là các trình tự nucleotit làm nhiệm vụ điều hòa hoạt động của operon Lac. Một
vùng được gọi là vùng promoter (vùng P) là nơi liên kết với enzim ARN
polymerase còn một vùng là nơi gắn protein ức chế (operator-o). Khi một loại
protein ức chế liên kết với vùng O thì enzim ARN polymerase không thể liên kết
được với với vùng P nên quá trình phiên mã tại gene Z, Y và A không xảy ra.
Ngược lại, khi protein ức chế không liên kết vào O thì ARN polymerase có thể liên
kết được với vùng P và quá trình phiên mã được bắt đầu. Ngoài ra, nằm gần các
gene Z, Y và A còn có một gene quy định sự tổng hợp protein ức chế. Gene này
thực tế có vai trò điều hòa hoạt động của operon Lac nên người ta gọi nó là gene
điều hòa (R).
Kết luận: trình tự vận hành, trình tự khởi đầu và các gene mà chúng điều
khiển (tức là toàn bộ đoạn trình tự DNA cần có để có thể sản xuất enzyme phân
giải lactose) là một trong nhiều operon. Đây là một trong số nhiều operon của vi
khuẩn
Trong Campbell đề cập đến Operon trp – tryptophan là operon mã hóa để
tổng hợp amino acid tryptophan khi môi trường xung quanh vi khuẩn thiếu chất
này.
Chẳng hạn, hãy xem một tế bào vi khuẩn E. coli sống trong một trường hết
sức biến động là ruột kết ở người, để có nguồn dinh dưỡng, phải phụ thuộc vào chế
độ ăn, uống thay đổi của cơ thể chủ. Nếu môi trường thiếu axit amin tryptophan
vốn cần thiết cho sự tồn tại của vi khuẩn, tế bào vi khuẩn sẽ đáp ứng lại bằng việc
hoạt hóa một con đường trao đổi chất để tổng hợp tryptophan từ một tiền chất
khác. Nhưng sau đó, khi cơ thể chủ tiêu hóa một loại thức ăn giàu tryptophan, thì
4


tế bào vi khuẩn sẽ dừng ngay việc sản xuất tryptophan; nhờ vậy nó tránh được việc
lãng phí nguồn dinh dưỡng sơ cấp để tạo ra một “sản phẩm” vốn sẵn có trong môi
trường xung quanh ở dạng đã được chế biến. Đây là một ví dụ cho thấy bằng cách
nào vi khuẩn có thể điều chỉnh sự trao đổi chất của chúng cho phù hợp với sự thay
đổi của môi trường.
Quá trình điều hòa biểu hiện sự tổng hợp tryptophan diễn ra ở hai cấp độ.
Đầu tiên, tế bào có thể điều chỉnh hoạt độ của các enzym. Đây là một kiểu đáp ứng
có tốc độ tương đối nhanh, dựa trên tính mẫn cảm của các enzym với các tín hiệu
hóa học làm tăng hay giảm hoạt tính xúc tác của chúng. Hoạt tính của enzym đầu
tiên tham gia vào con đường tổng hợp tryptophan bị ức chế trực tiếp bởi chính
tryptophan là sản phẩm cuối cùng của con đường chuyển hóa. Vậy là, nếu
tryptophan tích lũy nhiều trong tế bào, nó sẽ làm tắt quá trình tổng hợp thêm
tryptophan bằng việc ức chế hoạt tính enzym. Sự ức chế phản hồi như vậy, vốn
điển hình trong các con đường đồng hóa (sinh tổng hợp), cho phép tế bào thích
nghi được với những biến động tức thì của nguồn dinh dưỡng.
Thứ hai, tế bào có thể điều chỉnh mức độ sản xuất của những enzym nhất
định; nghĩa là, chúng có thể điều hòa sự biểu hiện của các gene mã hóa cho các
enzym đó. Trong ví dụ này, nếu môi trường đã cung cấp đủ tryptophan theo nhu
cầu của tế bào, thì tế bào sẽ dừng sản xuất các enzym xúc tác cho quá trình tổng
hợp tryptophan . Trong trường hợp này, việc điều khiển sản xuất enzym xuất hiện
ở giai đoạn phiên mã, tức là giai đoạn tổng hợp ARN thông tin mã hóa cho những
enzym này. Một cách phổ biến hơn, nhiều gene trong hệ gene vi khuẩn được “bật”
hay “tắt” bằng sự thay đổi trạng thái trao đổi chất của tế bào. A
Operon tryptophan cũng có cấu trúc tương tự như operon lactose, nghĩa là,
bao gồm gene điều hoà (R), promoter (P), operator (O) và 5 gene cấu trúc. Mỗi
gene cấu trúc mã hóa cho một enzyme, xúc tác phản ứng tổng hợp tryptophan.
Trong tế bào, tryptophan được tổng hợp bằng một chuỗi 5 phản ứng, mỗi phản ứng
được xúc tác bằng một enzyme mã hóa trong operon. Năm gene cấu trúc mã hóa

5


cho 5 enzyme, lần lượt được ký hiệu là trpE, trpD, trpC, trpB và trpA. Gene trpE
nằm ngay sau vùng điều hoà, được phiên mã đầu tiên.

Mô hình hoạt động của operon tryptophan
Hoạt động của operon tryptophan khác với operon lactose ở chỗ là protein kìm
hãm, bản thân nó không có ái lực với operator nên khi đứng riêng một mình, nó
không thể gắn vào điểm điều hành, nên operon mở. Ngược lại, khi protein kìm hãm
kết hợp với chất đồng kìm hãm (corepressor), thì sẽ có ái lực với operator nên dễ
dàng gắn vào đó, làm operon đóng. Hoạt động của operon có thể mô tả như hình
trên .
Như vậy, khi lượng tryptophan dư, operon đóng, còn khi thiếu tryptophan thì
operon mở.
Nhìn chung, cách điều hoà biểu hiện gene ở sinh vật procaryote chủ yếu đưọc thực
hiện ở giai đoạn phiên mã

6


1.2.1.2. Cơ chế điều hòa âm tính
Đối với operon Lac thì tín hiệu điều hòa ở đây là đường allolactose (một đồng
phân của lactose). Khi không có allolactose, gene Z không được biểu hiện, còn khi
trong môi trường tế bào chỉ có allolactose thì gene Z mới được biểu hiện, nghĩa là
được phiên mã để tổng hợp enzim cần cho sự thủy phân lactozo. Sự điều hòa biểu
hiện của gene diễn ra hoàn toàn ở mức độ phiên mã.

7


Cơ chế điều hòa dựa vào tương tác của protein điều hòa với gene O
(vận hành). Protein điều hòa được gọi là yếu tố kìm hãm hay ức chế (repressor)
được gene điều hòa (I hay R) tổng hợp. Mối tương tác giữa chất ức chế và gene O
được thể hiện ở hai trường hợp :
Khi môi trường không có lactose, chất ức chế gắn vào O, ngăn cản sự phiên
mã của nhóm gene cấu trúc, vì enzim phiên mã không hoạt động được.
Khi trong môi trường chỉ có lactose, được gọi là nhân tố cảm ứng (inductor)
của operon lac, tác nhân này sẽ gắn vào chất ức chế làm thay đổi cấu hình không
gian của repressor , do đó nó không gắn vào gene O được. Nhờ có enzim phiên mã
mARN polymerase mới thực hiện được quá trình phiên mã ở nhóm gene cấu trúc
để tổng hợp enzim chuyển hóa lactose. Trong trường hợp này, có một chất gọi là
chất cảm ứng có khả năng gây bất hoạt protein ức chế
Sự điều hòa biểu hiện của gene ở dây để tiết kiệm tối đa năng lượng. Thông
thường tế bào sẽ sử dụng nguồn đường đơn, cần ít năng lượng để “tiêu hóa”
lactose.

8


Như vậy, trong sự điều hòa âm tính sự phiên mã bị ức chế khi repressor gắn
vào gene O và lại diễn ra bình thường khi inductor làm bất hoạt repressor.
Trong bối cảnh điều hòa biểu hiện của gene, các enzyme tham gia vào con
đường chuyển hóa lactose được gọi là các enzyme cảm ứng do quá trình sinh học
tổng hợp chúng được gây cảm ứng bằng một tín hiệu hóa học (trong trường hợp
này là allolactose). Theo nguyển tắc tương tự, các enzyme do operon tryptophan
tổng hợp được gọi là các enzyme ức chế, thường hoạt động trong các con đường
đồng hóa, tức là các con đường sinh tổng hợp các sản phẩm thiết yếu cuối cùng bắt
nguồn từ các tiền chất. Bằng việc tạm ngừng tổng hợp các sản phẩm cuối cùng khi
chúng có sẵn trong môi trường hoặc khi lượng tích lũy trong tế bào của chúng đã
đủ, tế bào có thể điều phối các tiền chất hữu cơ và năng lượng cho các hoạt động
sống khác của nó. Ngược lại, các enzyme cảm ứng thường hoạt động trong các con
đường dị hóa, tức là con đường phân giải các chất dinh dưỡng hữu cơ thành các
phân tử đơn giản hơn bằng cách chỉ tạo ra các enzyme phù hợp khi có chất dinh
dưỡng, tránh được sự lãng phí năng lượng cũng như protein chuyển hóa chất dinh
dưỡng vốn bình thường không phải thiết yếu.
Sự điều hòa của các operon mà đều được “tắt” bởi dạng hoạt hóa của protein
điều hòa tương ứng của chúng là cơ chế điều hòa âm tính.
1.3. Điều hòa biểu hiện gene dương tính
Khi trong môi trường vừa có đường lactose và vừa có đường glucose thì
operon Lac cũng không thể hoạt động được vì tế bào ưu tiên sử dụng đường
glucose theo kiểu “hết nạc mới vạc đến xương”. Vì các enzyme phân giải glucose
theo con đường đường phân thường xuyên có sẵn. Chỉ khi lactose có trong môi
trường đồng thời với việc nguồn cung cấp glucose cạn kiệt thì E.Coli mới có xu
hướng sử dụng lactose làm nguồn năng lượng, và chỉ khi đó mới tổng hợp được
lượng lớn enzyme phân giải lactose.
E.coli cảm nhận được nồng độ glucose bằng cách khi tế bào phân giải đường
glucose thì chính sản phẩm của quá trình dị hóa đường này ức chế operon Lac làm
cho nó không thể hoạt động được. Sản phẩm của quá trình phân giải đường glucose
9


tác động trực tiếp đến sự thay đổi nồng độ chất AMP vòng (viết tắt theo tiếng Anh
là cAMP). Khi nồng độ glucose trong tế bào tăng thì nồng độ cAMP trong tế bào
giảm và ngược lại, khi nồng độ glucose trong tế bào giảm thì nồng độ cAMP tăng.
Nồng độ cAMP cao trong tế bào là cần thiết để hoạt hóa operon Lac. Cơ chế của
quá trình này phụ thuộc vào sự tương tác của một protein điều hòa dị hình với
cAMP. Protein điều hòa trong trường hợp này được gọi là protein hoạt hóa chất dị
hóa (catabolite activator protein, hay CAP) là một chất hoạt hóa, nghĩa là khi liên
kết vào DNA, nó thúc đẩy hoạt động phiên mã của các gene. cAMP giúp hoạt hóa
operon Lac bằng cách nó liên kết với protein CAP làm cho cấu hình của CAP bị
biến đổi và nó có thể liên kết được với promoter. Phức hợp CAP – cAMP liên kết
với một vùng đặc hiệu trên phía đầu promoter của operon lac và nhờ đó làm tăng ái
lực của ARN polymerase với promoter (liên kết với promoter thường xuyên hơn)
và quá trình phiên mã được tăng cường. Nói cách khác, sự đính kết của CAP vào
promoter trực tiếp thúc đẩy sự biểu hiện của gene.
Vì lý do này, cơ chế điều hòa ở đây được gọi là điều hòa dương tính (gene
được tăng cường biểu hiện)

10


Khi nồng độ glucose trong môi trường tăng lên thì nồng độ cAMP trong tế
bào giảm đi và khi không có cAMP liên kết với CAP thì nó không thể liên kết
được với promoter của operon lac và operon này không thể phiên mã được hoặc
phiên mã ít. Như vậy có thể nói operon lac vừa chịu sự điều hòa âm tính và vừa
chịu sự điều hòa dương tính. Operon lac chỉ có thể hoạt động khi protein ức chế bị
bất hoạt không có khả năng liên kết được với operator. Tuy nhiên, điều này là chưa
đủ vì nếu không có CAP liên kết với promoter thì tốc độ phiên mã xảy ra rất thấp
Tốc độ phiên mã chỉ được tăng cường tới mức cần thiết khi protein hoạt hóa
liên kết được với promoter. Ta có thể ví protein ức chế khi bị bất hoạt giống như
bật nút (on/off) chiếc đài radio còn protein hoạt hóa khi liên kết với promoter
giống như ta vặn tăng nút âm thanh của đài (nút volume).
Ngoài operon lac, CAP còn tham gia điều hòa nhều operon khác cùng mã
hóa cho các enzyme tham gia vào các con đường dị hóa. Tổng cộng CAP có ảnh
hưởng đến sự biểu hiện của hơn 100 gene khác nhau ở E.coli. Khi lượng glucose
trong môi trường phong phú, CAP chủ yếu ở dạng không hoạt động, thì sự tổng
hợp các enzyme phân giải các hợp chất không phải glucose nhìn chung đều giảm
mạnh. Khả năng phân giải các hợp chất khác, như Lactose, cho phép các tế bào
thiếu glucose có thể tồn tại. Lúc này, hợp chất nào có mặt trong môi trường sẽ
quyết định operon tưởng ứng được “bật” lên qua sự tương tác đơn giản giữa các
protein điều hòa với promoter của operon đó.
2. Điều hòa ở sinh vật nhân thực
2.1. Giới thiệu
Ở tất cả các loài, dù là sinh vật nhân sơ hay sinh vật nhân thực đều phải biểu
hiện các gene của chúng vào đúng thời điểm thích hợp. Điều hòa hoạt động gene ở
sinh vật nhân thực phức tạp hơn ở sinh vật nhân sơ.
Bình thường phần lớn các gene trong tế bào của cơ thể nhân thực đều bị bất
hoạt, chỉ khi nào tế bào cần đến loại sản phẩm nào thì các gene tương ứng mới
được hoạt động. Điều hòa hoạt động gene có thể được thực hiện ở tất cả các mức

11


độ : từ điều hòa trước phiên mã, điều hòa phiên mã, điều hòa sau phiên mã, điều
hòa sau dịch mã và điều hòa dịch mã.
Các cơ thể đa bào hay các cơ thể đơn bào liên tục bật tắt các tổ hợp gene của
chúng nhằm đáp ứng lại các tín hiệu từ môi trường nội bào và ngoại bào, sự điều
hòa biểu hiện của gene cũng có vai trò thiết yếu trong quá trình biệt hóa tế bào ở cơ
thể đa bào, tức là quá trình cơ thể tạo ra các loại tế bào khác nhau, mỗi loại có một
chức năng riêng. Để thực hiện chức năng của mình, mỗi tế bào phải duy trì một
trương trình biểu hiện gene đặc thù, trong đó chỉ có những gene nhất định được
biểu hiện còn các gene khác thì không.
2.2.Điều hòa trước phiên mã
Điều hòa cấu trúc chất nhiễm sắc: DNA của sinh vật nhân thực liên kết với
nhiều loại protein khác nhau (chủ yếu là protein histon) tạo nên chất nhiễm sắc
(chromatin). Cấu trúc của chất nhiễm sắc có thể được biến đổi theo các mức độ
khác nhau tùy thuộc vào các giai đoạn của chu kì tế bào.
Khi ở kì trung gian, những vùng nhiễm sắc thể chứa các gene đang hoạt động thì
chất DNA ở vùng đó dãn xoắn tối đa và chất nhiễm sắc ở vùng đó được gọi là
nguyên nhiễm sắc ( euchromatin). Vùng được gọi là dị nhiễm sắc
(heterochromatin) là vùng không chứa gene hoặc chứa các gene ở trạng thái không
hoạt động vì DNA ở vùng này bị co xoắn chặt. Hiệu quả ức chế sự biểu hiện gene
ở vùng dị nhiễm sắc được chứng minh trong thí nghiệm chuyển một gene có mức
độ phiên mã cao vào vùng dị nhiễm sắc ở tế bào nấm men, gene này khi đó đã
không bao giờ biểu hiện.
Cuối cùng, hàng loạt các nghiên cứu gần đây cho thấy: những biến đổi hóa
học liên quan đến histon và DNA của chất nhiễm sắc đồng thời ảnh hưởng đến cấu
trúc chất nhiễm sắc và sự biểu hiện của các gene.
Các biến đổi của DNA:
Methyl hóa DNA: Một nhóm enzyme làm nhiệm vụ methyl hóa một số
Nucleotide đặc thù trên chính phân tử DNA. Trong thực tế, DNA của phần lớn các

12


loài thực vật, động vật và nấm đều chứa các base bị methyl hóa, trong đó thông
thường là cytosine.

Việc so sánh các gene giống nhau ở các mô khác nhau cho thấy ở các mô mà
gene không được biểu hiện thì có mức độ methyl hóa cao hơn. Việc loại bỏ một số
nhóm methyl ở những gene như vậy có thể hoạt hóa sự biểu hiện của các gene đó.
Một số nghiên cứu phát hiện ra một số protein khi liên kết vào các trình tự
DNA bị methyl hóa cao có thể hồi phục các enzyme khử acetyl của histon. Có thể
thấy sự tồn tại của một cơ chế kép, gồm cả methyl hóa DNA cà loại acetyl hóa
histon, có thể đồng thời gây nên sự ức chế phiên mã của các gene
Các gene của sinh vật nhân thực có thể bị bất hoạt dài hạn khi một số
nucleotit ở vị trí nhất định bị biến đổi bằng cách gắn thêm nhóm CH 3 vào gốc
xitozin khi DNA được nhân đôi và người ta gọi hiện tượng đó là hiện tượng methyl
hóa. Khi vùng nhiễm sắc được methyl hóa thì DNA bị co xoắn chặt lại và gene
không thể phiên mã được. Bằng thực nghiệm, người ta đã chuyển các gene đang
hoạt động vào vùng dị nhiễm sắc thì các gene này lại trở nên bất hoạt. Một trong 2
nhiễm sắc thể X của nữ giới và của động vật cũng bị bất hoạt bằng cơ chế này. Khi
vùng nhiễm sắc thể đã bị methyl hóa thì trạng thái này được di truyền từ tế bào này
sang tế bào khác. Methyl hóa có vai trò quan trọng trong việc biệt hóa các tế bào (ở

13


các mô nhất định, hầu hết các gene trong hệ gene bị đóng và chỉ một số gene nhất
dịnh hoạt động vào một thời điểm nhất định).
Trong quá trình hình thành tế bào tinh trùng và trứng ở người cũng như ở 1
số loài động vật có vú khác, một số gene nhất định ở trứng bị bất hoạt bằng cách
methyl hóa trong khi các gene tương ứng trong tinh trùng lại không bị bất hoạt
hoặc ngược lại một số gene ở tinh trùng bị bất hoạt trong khi đó các gene tương
ứng trong tế bào trứng vẫn hoạt động. Cách thức bất hoạt các nhóm gene khác
nhau ở tế bào trứng và tế bào tinh trùng của một loài như vậy được gọi là in vết hệ
gene (geneomic imprinting). Điều này giúp giải thích vì sao hợp tử, ví dụ ở người,
chỉ phát triển thành cơ thể bình thường nếu nhân chứa cả nhân của tinh trùng và
nhân của trứng. Nếu tế bào trứng chứa 2 bộ nhiễm sắc thể đơn bội của cùng một
giới thì hợp tử không thể phát triển được thành cơ thể
Các biến đổi của histon: ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy các biến
đổi hóa học của histon, các protein được DNA quấn xung quanh trong đơn vị cấu
trúc của chất nhiễm sắc là Nucleosome, giữ vai trò trực tiếp trong việc điều hòa sự
phiên mã của các gene
Gene có thể được hoạt hóa hay bất hoạt bằng các axetin hóa hoặc khử acetyl:
acetyl hóa là hiện tượng gắn thêm nhóm – COCH3 vào gốc lizin tại đầu N của
protein histon (gọi tắt là đuôi histon) cấu tạo nên Nuleoxom. Còn hiện tượng khử
axetin là hiện tượng loại nhóm - COCH 3 ra khỏi protein histon. Khi – COCH 3
được gắn vào gốc lizin sẽ làm trung hòa điện tích dương của nó và do vậy lizin
không thể liên kết được với các nucleoxom khác làm cho DNA được dãn xoắn và
promoter của gene tiếp xúc được với ARN polymerase nên phiên mã có thể được
thực hiện.

14


Một số gốc hóa học khác cũng có thể được gắn thêm vào hoặc loại bỏ hỏi
các amino acid thuộc đuôi histon, như các gốc methyl và các gốc phosphate. Việc
bổ sung gốc Methyl (-CH3) vào đuôi histon có thể thúc đẩy sự liên kết dày đặc hơn
của chất nhiễm sắc. Trong khi đó, việc bổ sung một gốc phosphate vào một amino
acid (phosphoryl hóa) gần amino acid bị methyl hóa có thể gây ra hiệu ứng ngược
lại. Các biến đổi này gây ra trực tiếp biến đổi của cấu trúc chất nhiễm sắc.
2.3. Di truyền học biểu sinh
Di truyền biểu sinh là khái niệm trái ngược với di truyền học. Di truyền học
nghiên cứu về tính di truyền và biến dị ở các sinh vật, còn di truyền biểu sinh chỉ
sự thay đổi mức biểu hiện gene do các thay đổi về thành phần hóa học của vật chất
di truyền gây nên. Nếu như các đột biến trên DNA là những thay đổi có tính bền
vững, thì những biến đổi với chất nhiễm sắc là có thể đảo ngược bởi các quá trình
mà đến nay chúng ta chưa biết đầy đủ. Sự tương tác giữa các hệ thống biến đổi
chất nhiễm sắc ở cấp độ phân tử được kiểm soát chặt chẽ. Các nhà khoa học ngày
càng tìm ra được nhiều bằng chứng cho thấy vai trò quan trọng của thông tin di
truyền biểu sinh đối với sự điều hòa biểu hiện của các gene.
2.4. Điều hòa phiên mã
15


Bình thường, một mình ARN polymerase không thể liên kết được với
promoter mà chúng phải liên kết với một số protein được gọi là các yếu tố phiên
mã cơ bản. Khi có phức hợp ARN polymerase – yếu tố phiên mã thì mới liên kết
được với promoter và quá trình phiên mã được diễn ra nhưng ở một mức độ rất
thấp, tổng hợp ra một số ít phiên bản ARN. Người ta gọi là mức độ phiên mã cơ
bản. Ở sinh vật nhân thực, sự phiên mã của một gene đặc thù ở mức cao diễn ra
vào một thời điểm nhất định (của quá trình phát triển của cá thể) và ở một vị trí
nhất định (một mô nào đó) thường phụ thuộc vào mối tương tác giữa các yếu tố
trình tự điều khiển với một nhóm các protein khác nữa, những protein này được
gọi là các yếu tố phiên mã đặc thù. Quá trình phiên mã ở mức độ cao như vậy
người ta gọi là phiên mã được kích hoạt.
Nằm trước vùng promoter của các gene thường có có trình tự Nuleotide đặc
biệt được gọi là vùng điều hòa gần kề (proximal control elememets) và các trình tự
nucleotide điều hòa nằm ở rất xa gene được gọi là vùng điều hòa tầm xa (distal
control elements). Các trình tự nucleotide năm ở xa thậm chí hàng nghìn cặp
nucleotide này được gọi là trình tự enhancer (trình tự tăng cường) hoặc trình tự
nucleotit làm nhiệm vụ bất hoạt gene (trình tự bất hoạt – silencer). Trình tự tăng
cường có thể nằm xuôi hay ngược dòng và cách gene hàng nghìn nucleotide, đôi
khi thậm chí còn nằm trong vùng intron. Một gene nhất định có thể có nhiều
enhancer, mỗi enhancer hoạt động vào một thời điểm nhất định hoặc ở một loại tế
bào nhất định, hoặc thậm chí ở một vị trí (mô) nhất định trong cơ thể. Tuy vậy,
thường thì mỗi enhancer chỉ liên quan đến điều hòa biểu hiện của gene đó mà
không liên quan đến gene khác.

16


Khi những gene cần được phiên mã với tốc độ cao thì tế bào sản sinh ra các
yếu tố phiên mã đặc hiệu bám vào vùng enhancer làm cho vùng này bị uốn cong đi
và tiếp cận được với vùng promoter làm cho tăng ái lực của promoter với ARN
polymerase. Vì việc phân tử DNA bị bẻ cong đi bởi một số protein đặc thù (gọi là
các protein bẻ cong DNA) đã giúp đưa một số protein hoạt hóa ở dạng liên kết
DNA tiếp xúc được với một nhóm protein khác được gọi là các protein môi giới
trung gian, những protein này đến lượt chúng lại liên kết với các protein tại vùng
promoter. Sự tương tác giữa nhiều protein như vậy giúp tổ hợp và huy động phức
hệ khởi đầu phiên mã đặc thù tại mỗi promoter.
Ngược lại, khi một protein bất hoạt nào đó liên kết với vùng silencer thì
ARN polymerase không thể liên kết được với promoter và quá trình phiên mã
không thể xảy ra. Vì khi các protein ức chế này liên kết vào DNA, làm ức chế sự
đính kết DNA vào các yếu tố hoạt hóa, hoặc trong một số trường hợp, chúng có thể
là “tắt” hoàn toàn sự phiên mã của một gene kể cả khi các yếu tố hoạt hóa vẫn có
khả năng liên kết vào DNA. Các yếu tố ức chế khác hoạt động theo kiểu ngăn cản
không cho các yếu tố hoạt hóa liên kết được với các protein môi giới trung gian mà
những protein này thúc đẩy chúng liên kết với DNA
17


Ở sinh vật nhân sơ, để tế bào của sinh vật nhân thực có thể đóng mở một số
gene cùng một lúc để thực hiện một chuỗi phản ứng sinh hóa nhất định thì các
gene được sắp xếp trong cùng một operon có chung một promoter. Còn đối với
sinh vật nhân thực thì mỗi gene có một promoter riêng nên việc điều phối sự phiên
mã của nhiều gene cùng lúc được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. 1 vài cách
điều phối phiên mã của các gene mà các nhà khoa học biết:
Các gene cần phiên mã cùng lúc được sắp xếp gần nhau trên cùng một nhiễm
sắc thể. Bằng cách này, vùng nhiễm sắc thể chứa nhóm gene đó có thể được dãn
xoắn hoặc co xoắn cùng lúc khiến ARN polymerase có thể tiếp cận hay không tiếp
cận được với các gene cần phiên mã.
Một cách phổ biến hơn thì các gene đồng thời biểu hiện ở sinh vật nhân thật,
chẳng hạn như các gene mã hóa cho các enzym tham gia vào cùng một con đường
chuyển hóa, được tìm thấy nằm phân tán trên các nhiễm sắc thể khác nhau. Trong
những trường hợp này, sự điều hòa phối hợp dường như phụ thuộc nhiều hơn vào
một công thức tổ hợp đặc thù của các yếu tố điều khiển đối với mỗi gene trong cả
nhóm gene phân tán đó. Sự có mặt của những yếu tố này có thể ví như những lá cờ
được kéo lên từ một số "hòm thư" trong rất nhiều "hòm thư", báo hiệu cho người
đưa thư biết cần kiểm tra "hòm thư" nào. Các bản sao của protein hoạt hóa có thể
nhận ra trình tự điều khiển và liên kết vào chúng, thúc đẩy sự phiên mã đồng thời
của các gene, bất kể chúng nằm ở đâu trong hệ gene.
Các gene cần phiên mã cùng nhau có thể được điều hòa phiên mã bởi cùng
một nhóm yếu tố phiên mã đặc hiệu (chất hoạt hóa hoặc chất ức chế đặc hiệu).
Bằng cách này, các gene có thể nằm rải rác trong cùng một hệ gene vẫn có thể
được phiên mã đồng thời vì các vùng điều hòa của chúng đều được gắn với các
chất điều hòa phiên mã đặc biệt có trong tế bào. Ví dụ, khi hoocmon sinh dục
ostrogene vào trong tế bào thì nó liên kết với thụ thể đặc hiệu có trong tế bào chất
tạo nên phức hợp ostrogene – thụ thể hoạt động như chất hoạt hóa gene. Những
gene nào nằm trong tế bào có vùng điều hòa liên kết được với phức hợp hoocmon
thụ thể này thì gene đó sẽ được phiên mã bất luận chúng nằm ở đâu trong tế bào.
18


Tương tự, khi các phân tử tín hiệu từ bên ngoài có bản chất hóa học không thuộc
loại steroid thì chúng chỉ có thể liên kết với thụ thể trên màng của tế bào đích và
chúng truyền tín hiệu vào trong tế bào làm hoạt hóa một số chất hoạt hóa phiên mã
đặc hiệu. Sau đó, những gene nào có chung vùng điều hòa có ái lực với chất hoạt
hóa phiên mã này thì chúng đồng thời được phiên mã.
2.5. Điều hòa sau phiên mã:
Giai đoạn hoàn thiện ARN trong nhân tế bào và chuyển phân tử ARN ra tế
bào chất bổ sung thêm một số bước điều hòa vốn không có được ở sinh vật nhân
sơ. Một ví dụ về kiểu điều hòa biểu hiện gene ở giai đoạn hoàn thiện ARN là các
cách ghép nối ARN thay thế; theo đó, từ cùng một bản phiên mã tiềnARN có thể
tạo ra một số loại phân tử mARN hoàn thiện khác nhau tùy thuộc vào việc lựa
chọn những đoạn trình tự nào là exon và/hoặc intron. Các protein điều hòa đặc thù
với mỗi loại tế bào sẽ điều khiển việc lựa chọn intron và exon dựa trên khả năng
liên kết vào các trình tự điều hòa trong phân tử tiền-ARN.
2.5.1.Điều hòa bằng tinh chế ARN (ARN processing)
Cùng một gene nhưng nó chỉ được biểu hiện ở tế bào của mô này mà không biểu
hiện ở tế bào của mô khác hoặc ở các mô khác nhau cho ra sản phẩm khác nhau,
điều này có thể được thực hiện bằng cách :
(1)

Trong mô nào có chất hoạt hóa gene thì gene đó hoạt động, còn trong mô
nào không có chất hoạt hóa thì gene đó bất hoạt hoặc được điều hòa bằng
các cách điều hòa trước phiên mã khác

(2)

ARN sơ cấp sau khi được phiên mã được cắt và ghép nối các exon lại theo
các cách khác nhau tạo nên mARN khác nhau, do đó sản phẩm protein tạo ra
sẽ khác nhau. Như vậy, cùng một gene nhưng ở tế bào này thì cho ra protein
này nhưng ở tế bào khác thì protein đó lại không được tạo ra mà thay vào đó
là một protein khác thực hiện chức năng khác.

2.5.2. Điều hòa bằng cách phân hủy mARN một cách có chọn lọc
Việc mARN có được tổng hợp ra cũng chưa chắc đã đảm bảo sản phẩm
protein của gene đó có được tạo ra hay không hoặc tạo ra nhiều hay ít. Vấn đề là ở
19


chỗ nếu mARN tạo ra nhưng lại bị nhanh chóng phân hủy thì quá trình dịch mã
không thể xảy ra.
Các phân tử mARN điển hình ở vi khuẩn thường bị các enzym phân giải chỉ
sau vài phút kể từ khi chúng được tổng hợp. Thời gian sống ngắn của mARN ở vi
khuẩn là một trong những lý do nhằm giải thích vì sao chúng có thể thích nghi
nhanh với môi trường. Ngược lại, thời gian tồn tại của các phân tử mARN trong
các tế bào sinh vật nhân thật thường kéo dài hơn rất nhiều (giờ,tuần) .
Nghiên cứu ở nấm men chỉ ra một con đường phân hủy mARN phổ biến bắt
đầu từ việc các enzym cắt ngắn dần đuôi polyA . Việc này sau đó sẽ thúc đẩy hoạt
động của các enzym loại bỏ mũ đầu 5’ (hai đầu 5’ và 3’ của phân tử mARN khi tồn
tại được giữ lại với nhau bởi một số protein). Việc loại bỏ mũ đầu 5’, là một bước
quan trọng trong phân giải mARN, cũng được điều hòa bởi một trình tự nucleotit
đặc thù trên phân tử mARN. Khi đầu 5’ đã được loại bỏ, các enzym nuclease sẽ
nhanh chóng phân hủy mạch mARN còn lại. Các trình tự nucleotide ảnh hưởng
đến thời gian tồn tại nguyên vẹn của mARN thường được tìm thấy trong vùng đầu
3’ không được dịch mã (3’UTR). Trong một thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã
tiến hành chuyển một trình tự bắt nguồn từ một phân tử mARN có thời gian tồn tại
ngắn (mã hóa cho một yếu tố sinh trưởng) vào vùng 3’UTR của mARN mã hóa
globin (bình thường tương đối bền), thì phân tử mARN mã hóa globin sau biến đổi
nhanh chóng bị phân giải.
Trong một vài năm qua, một số cơ chế phân giải và ngăn cản sự dịch mã của
các phân tử mARN mới được làm sáng tỏ.
Từ năm 1993, một số nghiên cứu đã phát hiện ra các phân tử ARN mạch đơn
kích thước nhỏ, gọi tắt là tiểu-ARN (miARN hay microARN) có khả năng liên kết
vào các trình tự bổ sung với nó trên các mARN. Các miARN được hình thành từ
các phân tử ARN dài tiền thân; nó tự cuộn gập và chứa một hoặc một số cấu trúc
“cặp tóc” (dạng sợi kép) được giữ với nhau bởi các liên kết hydro. Sau khi mỗi cấu
trúc “cặp tóc” được cắt khỏi phân tử tiền thân, nó được cắt tỉa bởi một enzym (gọi
là yếu tố xén - Dicer) thành các đoạn ADN sợi kép ngắn khoảng 20 bp. Một trong
20


hai mạch sau đó bị phân giải, trong khi mạch còn lại (mạch miARN) tạo phức với
một hoặc một số protein; miARN giúp phức hệ có thể liên kết vào bất cứ phân tử
mARN nào có trình tự bổ sung với nó. Tiếp theo, phức hệ miARN-protein hoặc
tiến hành phân giải phân tử mARN đích hoặc ngăn cản phân tử này dịch mã. Các
số liệu ước tính cho thấy khoảng 1/3 tổng số gene người có thể được điều hòa qua
cơ chế miARN; con số này thật đáng ngạc nhiên, bởi vì chỉ hai thập kỷ trước
chúng ta không hề biết về sự tồn tại của miARN.
Một loại miARN (micro ARN), một loại ARN sợi đơn cực ngắn, cũng được
tạo ra trong tế bào cùng với dicer tạo nên phức hợp liên kết có chọn lọc với mARN
để rồi phân hủy mARN giống như trường hợp của siARN.
2.6. Điều hòa dịch mã
Điều hòa quá trình dịch mã được thực hiện chủ yếu ở giai đoạn khởi đầu dịch
mã. Nhiều loại mARN được tổng hợp ra nhưng chưa được dịch mã vì cùng không
được dịch mã ở đầu 5’ của nó bị một số loại protein liên kết vào khiến cho riboxom
không thể tiến hành dịch mã. Ngoài ra, mARN cũng có thể không được dịch mã
nếu chuỗi poly A gắn vào đầu 3’ không có độ dài thích hợp. Các nhà khoa học
nhận thấy nhiều loại mARN được sản sinh ra trong tế bào trứng ở dạng dự trữ cho
các giai đoạn sau có các trình tự poly A ngắn nên không thể dịch mã được.
Khi tế bào cần dịch mã thì chúng găn thêm đoạn poly A vào phân tử mARN
cho đủ kích thước cần thiết để có thể dịch mã. Tế bào cũng có thể hoạt hóa đồng
thời tất cả các loại mARN được dự trữ trong tế bào bằng cách hoạt hóa các protein
khởi đầu dịch mã. Một khi các protein khởi đầu dịch mã được kích hoạt thì hàng
loạt các loại mARN trong tế bào chất có thể đều được dịch mã.
Người ta nhận thấy nhiều loại mARN của thực vật và tảo bị bất hoạt trong
tối nhưng khi ra ánh sáng thì bộ máy dịch mã được tái kích hoạt và nhiều loại
mARN được dịch mã.
2.7. Điều hòa sau dịch mã
Protein sau khi được tổng hợp xong không phải là đã có chức năng sinh học
mà nhiều khi chúng phải được biến đổi về mặt hóa học hoặc phải được vận chuyển
21


đến vị trí thích hợp thì mới có chức năng sinh học. Quá trình này được tế bào điều
hòa ở nhiều giai đoạn khác nhau. Để có được chức năng thì protein phải có được
cấu hình không gian đặc trưng, chuỗi polipeptit sau khi được tổng hợp xong phải
được đưa vào một loại khuôn protein để định hình (khuôn protein có tên gọi là
chaperonin).
Nhiều loại protein được tổng hợp ra phải được biến đổi một số gốc axit
amin, ví dụ như gắn thêm nhóm photphat, thì mới có chức năng. Việc gắn thêm
nhóm photphat hay loại nhóm photphat ra khỏi protein làm cho protein có thể trở
nên có chức năng hay làm mất chức năng. Một số loại protein chit có thể được gắn
trên màng tế bào hoặc xuất ra khỏi tế bào để thực hiện chức năng nhất định khi ở
đầu NH3 của chúng có được một trình tự các axit amin kị nước để chúng có thể ra
được khỏi tế bào. Sau khi ra khỏi màng tế bào, đoạn axit amin kị nước này sẽ được
cắt bỏ thì protein mới có chức năng sinh học.
Điều hòa sau dịch mã cũng có thể được thực hiện thông qua điều hòa thời
gian tồn tại của các phân tử protein, Thời gian tồn tại của các loại protein trong tế
bào được khống chế một cách nghiêm ngặt. Ví dụ, nhiều protein tham gia điều hòa
chu kì tế bào như cyclin thường có thời gian tồn tại rất ngắn. Chúng thường bị một
phức hợp protein khổng lồ được gọi là proteasom nhận biết và phân giải. Nếu vì
một lí do nào đó loại protein này không bị phân giải mà có thời gian tồn tại lâu hơn
bình thường thì quá trình điều hòa phân bào sẽ trở nên bất thường.
2.8. Phân hóa biểu hiện gene và tạo ra các loại tế bào khác nhau ở cơ thể đa
bào
2.8.1. Đặc điểm của sự phân hóa biểu hiện gen
Một tế bào người điển hình chỉ biểu hiện khoảng 20% tổng số gene của nó
vào mỗi thời điểm. Các tế bào có mức độ biệt hóa cao như các tế bào thần kinh hay
cơ, thậm chí chỉ biểu hiện một số gene ít hơn. Hầu hết các tế bào trong một cơ thể
đa bào đều chứa hệ gene giống nhau. Tuy vậy, nhóm các gene được biểu hiện ở
mỗi tế bào là không đổi, điều này cho phép mỗi tế bào thực hiện chức năng đặc thù

22


của nó Sự khác biệt giữa các tế bào khác nhau không phải do kiểu gene của chúng
khac nhau mà do có sự khác nhau trong phân hóa biểu hiện gene.
Trong bất kỳ tế bào nào, tất cả các gene đều không hoạt động đồng thời, bởi
vì nhu cầu protein của tế bào thay đổi liên tục. Trong cơ thể sống, không phải loại
protein nào cũng được tổng hợp với số lượng như nhau. Có loại được tổng hợp một
cách liên tục trong suốt quá trình sống, ví dụ như hemoglobin của máu; có loại chỉ
được tổng hợp trong một giai đoạn nhất định nào đó trong chu trình sống, ví dụ
như hormone sinh trưởng, hormone sinh sản, ... Như vậy, một số gene sẽ hoạt động
nhiều hơn, thường xuyên hơn, một số khác chỉ hoạt động ở những giai đoạn nhất
định hoặc trong những điều kiện nhất định của chu trình sống. Để đáp ứng đầy đủ
và đúng số lượng protein cho cơ thể sống, trong cơ thể sống phải có cơ chế điều
hoà sinh tổng hợp protein, làm sao cho lượng protein tạo ra vừa đủ, không thừa và
cũng không thiếu. Có như vậy, hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống mới đảm
bảo bình thường, ngược lại sẽ làm rối loạn trao đổi chất, phát sinh bệnh tật hoặc tử
vong.
Hệ gene của sinh vật nhân thực có thể chứa hàng chục nghìn gene, nhưng trừ
một số loài, chỉ có một lượng nhỏ DNA – khoảng 1,5% ở người- mã hóa cho các
protein, phần còn lại của hệ gene mã hóa cho các loại ARN hoặc đơn thuần không
hề mã hóa (không được phiên mã). Các yếu tố phiên mã phải định vị được các
gene ở đúng vị trí và vào đúng thời điểm. Điều này có thể ví như “mò kim đáy bể”.
Nhưng, khi sự biểu hiện các gene bị sai, thì các rối loạn và bệnh nghiêm trọng,
trong đó có các bệnh ung thư có thể phát sinh.
2.8.2. Phân hóa biểu hiện gene tạo ra các loại tế bào khác nhau ở cơ thể đa bào
Thông qua sự phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân) liên tiếp, tế bào hợp tử
tạo ra một số lượng lớn các tế bào. Nhưng, nếu chỉ có sự phân bào thì sản phẩm tạo
gia sẽ chỉ là một khối cầu gồm nhiều tế bào giống hệt nhau, chứ không có hình
dạng cơ thể nhất định. Trong quá trình phát triển của phôi, các tế bào không chỉ
tăng lên về số lượng, mà nó còn trải qua sự biệt hóa tế bào.Hơn nữa, các loại tế bào
khác nhau không phải được phân bố ngẫu nhiên, mà chúng còn được tổ chức thành
23


các mô và các cơ quan trong một cấu trúc không gian ba chiều đặc thù. Các quá
trình tự nhiên này dẫn đến một cơ thể có hình dạng riêng được gọi là sự phát sinh
hình thái.
Cả ba quá trình trên đây đều có cơ sở từ động thái tế bào. Ngay cả quá trình
phát sinh hình thái, tức là sự hình thành hình dạng cơ thể, cũng có thể quy về sự
thay đổi trong hình dạng, mức độ di động và các thuộc tính khác của các tế bào tạo
nên các vùng khác nhau của phôi. Như chúng ta đã biết, các hoạt động của tế bào
phụ thuộc vào các gene mà nó biểu hiện và các protein mà nó tạo ra. Hầu hết các tế
bào trong cùng một cơ thể có hệ gene giống hệt nhau; vì vậy, sự biểu hiện khác
nhau của các tế bào là do các gene được điều hòa biểu hiện khác nhau ở mỗi tế
bào.
Từ hợp tử, chúng tiến hành “bật” tập hợp các gene mà sản phẩm của chúng là
cần thiết cho loại tế bào tương ứng. các vật liệu được tế bào mẹ đưa vào trứng đã
thiết lập nên một chuỗi chương trình điều hòa biểu hiện gene diễn ra cùng với quá
trình các tế bào phân chia, và sự lập trình này làm cho các tế bào trở nên khác nhau
theo một kiểu được điều phối chung.
Các gene đặc thù được biểu hiện trong mỗi loại tế bào thuộc một cơ quan
đang phát triển sẽ quyết định con đường biệt hóa nó. Có hai nguồn thông tin (được
sử dụng ở mức độ khác nhau tùy từng loài) chỉ cho tế bào biết những gene nào cần
biểu hiện vào một thời điểm nhất định trong quá trình phát triển của phôi:
Một nguồn thông tin quan trọng trong giai đoạn đầu quá trình phát triển phôi
là tế bào chất của trứng vốn tích lũy sẵn các ARN và protein do ADN của mẹ mã
hóa. Tế bào chất của trứng chưa thụ tinh không đồng đều. ARN thông tin, các
protein, các chất khác và các cơ quan tử được phân bố không đều trong các trứng
chưa thụ tinh, mà sự phân bố không đều này có ảnh hưởng đáng kể lên sự phát
triển sau này ở phôi của nhiều loài. Các chất có nguồn gốc từ mẹ có mặt trong
trứng gây ảnh hưởng đến sự phát triển của phôi trong giai đoạn đầu được gọi là các
yếu tố xác định tế bào chất sau khi được thụ tinh, những lần phân bào đầu tiên sẽ
phân phối tế bào chất của hợp tử vào các tế bào con. Nhân của những tế bào con
24


này được bộc lộ với các yếu tố xác định tế bào chất khác nhau, phụ thuộc vào tỉ lệ
tế bào chất hợp tử mà tế bào con nhận được. Sự phối hợp của các yếu tố xác định
tế bào chất trong hợp tử giúp xác định chương trình phát triển của phôi bằng việc
điều hòa biểu hiện của các gene trong quá trình biệt hóa tế bào.
Nguồn thông tin về chương trình phát triển chủ yếu thứ hai (mà nó ngày
càng trở nên quan trọng khi số tế bào của phôi tăng lên) là môi trường bao quanh
mỗi tế bào. ảnh hưởng lớn nhất là các tín hiệu tiếp xúc giữa các tế bào lân cận, bao
gồm cả hoạt động tiếp xúc giữa các phân tử trên bề mặt tế bào và sự đính kết của
các yếu tố sinh trưởng do các tế bào lân cận tiết ra. Những tín hiệu như vậy dẫn
đến những thay đổi trong các tế bào đích, qua một quá trình gọi là sự cảm ứng. Các
phân tử làm nhiệm vụ truyền đạt những tín hiệu này vào trong tế bào là các thụ thể
trên bề mặt tế bào và các protein được biểu hiện từ hệ gene của phôi. Nhìn chung,
các phân tử tín hiệu giúp chuyển một tế bào vào một con đường phát triển đặc thù
thông qua việc làm thay đổi sự biểu hiện các gene của nó cuối cùng sẽ dẫn đến các
thay đổi của tế bào mà chúng ta có thể quan sát được. Như vậy, chính sự tương tác
giữa các tế bào của phôi góp phần gây cảm ứng biệt hóa của nhiều loại tế bào khác
nhau, từ đó tạo nên một cơ thể mới hoàn chỉnh.
2.8.3. Chuỗi quá trình điều hòa biểu hiện gene trong quá trình biệt hóa tế bào:
Các tế bào cơ phát triển từ các tế bào tiền thân của phôi mà bản thân chúng
có tiềm năng phát triển thành một số loại tế bào khác nhau, bao gồm cả các tế bào
sụn và các tế bào mỡ, nh−ng sau đó những điều kiện nhất định đã “bắt giữ” chúng
trở thành các tế bào cơ. Mặc dù các tế bào đã bị “bắt giữ” có vẻ rất giống nhau khi
quan sát dưới kính hiển vi, do quá trình xác định đã diễn ra, song lúc này chúng
mới chỉ là các nguyên bào cơ (myoblast). Cuối cùng, các nguyên bào cơ mới sản
sinh ồ ạt các protein đặc trưng cơ và dung hợp với nhau tạo nên các tế bào cơ
xương đa nhân, dài và hoàn thiện.
Các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu điều gì diễn ra ở cấp độ phân tử trong quá
trình xác định tế bào cơ bằng việc nuôi cấy các nguyên bào cơ và phân tích chúng
nhờ các kỹ thuật sinh học phân tử. Trong một chuỗi các thí nghiệm, họ tiến hành
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×