Điều hòa hoạt động của gen - kiểm soát âm - ức chế

Điều hòa biến dưỡng: Kiểm soát âm-ức chế

Biến dưỡng  (anabolism)  là quá  trình  tổng hợp nên các chất cần  thiết cho tế bào. Ví dụ tổng hợp các amino acid.

Quá  trình  tổng  hợp  tryptophan  bắt  đầu  từ  tiền  chất  tryptophan  là chorismic  acid,  trải  qua  5  giai  đoạn  kế  tiếp  do  enzyme  xúc  tác. Hệ  thống tổng hợp  amino  acid  tryptophan ở E.  coli  là ví dụ điển hình về operon bị kìm hãm do sự kiểm soát âm.

1. Cấu trúc và hoạt động

Hệ  thống  tryptophan cũng có cấu  trúc  tương  tự hệ  thống  lactose gồm gen điều hòa  trpR và operon  tryptophan  (promoter, operator và 5 gen  cấu trúc). Các gen cấu trúc xác định 5 enzyme được xếp theo thứ tự tương ứng với  chức  năng  xúc  tác  theo  trình  tự  các  phản  ứng  của  chuỗi  biến  dưỡng tryptophan (Hình 8.5).

ự khác nhau căn bản với hệ thống lactose là ở gen điều hòa. Gen điều hòa của hệ thống tryptophan tổng hợp thường xuyên aporepressor protein, là chất kìm hãm mà  riêng nó không có hoạt  tính. Khi  tryptophan dư  thừa nó trở  thành  chất  corepressor  (đồng  kìm  hãm)  và  kết  hợp  với  aporepressor thành  phức  hợp  kìm  hãm  (holorepressor)  có  hoạt  tính.  Phức  hợp  này  gắn vào operator  của operon  tryptophan  (trp)  làm dừng phiên mã  các  gen  cấu trúc.  Khi  nồng  độ  tryptophan  thấp,  nó  tách  khỏi  phức  hợp  kìm  hãm  và aporepressor  mất  hoạt  tính.  Lúc  này  các  operator  lại  được  mở  và  RNA polymerase dịch mã 5  gen  cấu  trúc để  tổng hợp 5  enzyme  tạo  tryptophan (Hình 8.5). Sự điều hòa kiểu này còn gọi  là điều hòa ức chế ngược  (retro-inhibition) do sản phẩm cuối cùng có mối liên hệ ngược (feed-back).

Như vậy, hoạt động của hệ thống này ngược lại với hệ thống lactose: khi có tryptophan thì operon bị đóng, thiếu tryptophan thì gen được mở.

2. Sự suy yếu (attenuation)

Kiểu điều hòa thứ hai được phát hiện ở operon tryptophan được gọi là sự suy yếu. Ở đầu 5’ của mRNA đa gen (polycistronic) của operon này có 5 enzyme. Đoạn này được gọi  là  trình  tự  leader (trình  tự chỉ huy). Một phần của  trình  tự này được phiên mã  tạo  leader peptide gồm 14 amino acid, mà chức năng đến nay chưa rõ.

Cơ chế kiểm tra mà ở đó sự tổng hợp mRNA được bắt đầu nhưng kết thúc sớm với chiều dài mRNA ngắn hơn được gọi là sự suy yếu. Ví dụ: các tế bào E. coli đang tăng trưởng trong môi trường thiếu một amino acid nào đó, nhưng chưa đủ các enzyme cần có cho sự tổng hợp của tất cả 20 amino acid cần  thiết để  tạo ra protein. Khi  thêm một amino acid (tryptophan) vào môi trường sẽ làm giảm đáng kể sự tổng hợp của các enzyme cần cho sự tạo amino acid đó. Phản ứng này có tính thích ứng và duy trì các nguồn enzyme không  còn  cần  nữa  khi  sản  phẩm  cuối  cùng  của  chuỗi  sinh  tổng  hợp (tryptophan) đang có trong tế bào (ức chế ngược).

Operon  tryptophan  có phương  thức điều hòa hoạt động  gen  thứ hai, hoàn toàn độc lập với hệ thống repressor-operator (chất kìm hãm đoạn điều hành). Ở operon tryptophan, sự tổng hợp mRNA bắt đầu từ 161 base trước codon khởi sự của trpE, enzyme cấu trúc đầu tiên được phiên mã. Đột biến do mất đoạn DNA ngay phía trước  trpE, giải phóng  trpE khỏi sự kìm hãm của  phức  hợp  represser-operator. Các  đột  biến  này  làm  tăng mức  độ  biểuhiện của cả operon  lên gấp sáu  lần. Tinh sạch các DNA được phiên mã  in vitro cho thấy phần lớn mRNA kết thúc ở ngay base 139 và không bao giờ đạt tới trpE. Ở đây, có sự kìm hãm phiên mã ngay trước gen cấu trúc và khi mất  nó  sự  biểu  hiện  của  gen  có  hiệu  quả  hơn. Đoạn  dài  của mRNA  nằm trước trpE được gọi là leader (trpL) và đoạn kìm hãm phiên mã được gọi là attenuator (trpa, chứ không phải trpA). Cuối cùng, quan sát cho thấy sự suy yếu dao động theo nồng độ của tryptophan thấp, nhiều phân tử mRNA được tạo ra hơn qua attenuator và  toàn bộ operon được phiên mã. Sự suy yếu  là một phương thức khác để kiểm soát sự biểu hiện của gen.

Cơ chế suy yếu thực hiện sự kết hợp giữa phiên mã và dịch mã. RNA polymerase bắt đầu phiên mã các gen mã hóa cho các enzyme sinh tổng hợp cần  thiết  để  tạo  ra  tryptophan. Ví  dụ:  khi  hiện  diện  tryptophan  nó  nhanh chóng đạt tới điểm (trên RNA mới được tổng hợp) gọi là attenuator và dừng phiên mã tại đây.

Attenuator  có  chức  năng  như  điểm  kết  thúc  chỉ  khi  tryptophan  hiện diện.  Sự  phiên  mã  dừng  khi  trình  tự  leader  đạt  attenuator.  Nếu  có  đủrytophan  trong  tế  bào,  sự  dịch mã  của  các  codon  được  thực  hiện,  và  cả phiên  mã  và  dịch  mã  được  thực  hiện  hoàn  chỉnh  cho  đến  lúc  RNA polymerase đạt tới điểm attenuator, nơi kết thúc sự phiên mã. Khi không có trytophan,  dịch  mã  dừng  và  phần  leader  của  mRNA  cuộn  lại  sao  cho attenuator  không  thực  hiện  chức  năng,  trong  trường  hợp  này  sự  tổng  hợp của mRNA  toàn vẹn cho operon  tryptophan được  tạo  ra. Với  sự hiện diện của các enzyme đó,  trytophan được  tích  lũy với số  lượng  lớn  trong  tế bào.

Attenuator  là dạng  tinh  tế của  sự ức chế, điều hòa hoạt động gen,  tạo đặc hiệu cho sự tổng hợp amino acid trong tế bào. Cơ  chế  repressor  điều  hòa  thô  hệ  thống  tryptophan,  trong  khi  đó  hệ thống cơ chế attenuation kiểm soát nồng độ tryptophan một cách tinh tế. Sự suy yếu của operon Trp cũng nhạy cảm với nồng độ của một số amino acid như histidine và leucine.