Điều hòa gen trong cơ thể người

Điều hòa gen, hay điều hòa biểu hiện gen,bao gồm toàn bộ quá trình từ phiên mã của mã gen trong nhân đến sự hình thành của các protein trong tế bào chất. Điều hòa biểu hiện gen cung cấp cho tất cả các sinh vật khả năng đáp ứng với những thay đổi trong môi trường của chúng. Ở động vật có nhiều loại tế bào, mô, cơ quan khác nhau, các điều hòa biểu hiện gen khác nhau cũng cho phép nhiều loại tế bào khác nhau trong cơ thể thực hiện các chức năng chuyên biệt của chúng. Mặc dù một tế bào cơ tim chứa mã di truyền tương tự như một tế bào biểu mô ống thận, nhiều gen được biểu hiện trong các tế bào tim mà không được biểu hiện trong các tế bào ống thận. Tiêu chí đánh giá cuối cùng của gen "biểu hiện" là liệu có hay không (và bao nhiêu) sản phẩm gen (protein) được sản xuất vì các protein thực hiện chức năng tế bào quy định bởi các gen. Điều hòa biểu hiện gen có thể xảy ra tại bất kỳ thời điểm nào trên con đường phiên mã, xử lý RNA, và dịch mã.

Các Promoter điều hòa biểu hiện gen

Sự tổng hợp các protein tế bào là một quá trình phức tạp mà bắt đầu với sự phiên mã của DNA thành RNA. Sự phiên mã của DNA được điều khiển bởi các yếu tố điều hòa được tìm thấy trong các promoter của gen (Hình 3-13). Trong tế bào eukaryote (tế bào nhân chuẩn), bao gồm tất cả các động vật có vú, các promoter trung tâm (basal promoter) bao gồm một chuỗi bảy base (TATAAAA) được gọi là TATA box, vị trí gắn với TATA-binding protein (TBP - protein liên kết TATA) và một số yếu tố phiên mă quan trọng khác được gọi là phức hợp TFIID (transcription factor IID - yếu tố phiên mã IID). Ngoài các phức hợp TFIID, vùng này là nơi TFIIB (transcription factor IIB) liên kết với cả DNA và RNA polymerase 2 để tạo điều kiện phiên mã DNA thành RNA. Promoter trung tâm này được tìm thấy trong tất cả các PCG (protein-coding gene - gen mã hóa protein), và polymerase phải liên kết với promoter trung tâm này trước khi nó có thể bắt đầu đi dọc theo sợi DNA để tổng hợp RNA. Các promoter ở vị trí thượng lưu xa hơn về phía vùng bắt đầu phiên mã và chứa một số các vùng liên kết với các yếu tố phiên mã dương, chúng có thể ảnh hưởng đến phiên mã thông qua tương tác giữa các liên kết protein với các promoter trung tâm. Cấu trúc và các vùng liên kết với các yếu tố phiên mã trong các promoter thượng lưu (upstream promotor) thay đổi từng gen để làm tăng các mô hình biểu hiện khác nhau của các gen trong các mô khác nhau.

Hình. Phiên mã gen trong các tế bào nhân chuẩn. Sắp xếp phức tạp nhiều mô đun tăng cường phân cụm được xen kẽ với các phần tử cách điện, có thể được đặt ở thượng nguồn hoặc hạ lưu của một trình khởi tạo cơ bản chứa hộp TATA (TATA), các phần tử của trình khởi tạo gần (phần tử phản hồi, RE) và trình khởi tạo trình tự (INR)

Phiên mã của gen ở sinh vật nhân chuẩn cũng bị ảnh hưởng bởi các chất enhancer, đó là vùng của DNA có thể ràng buộc các yếu tố phiên mã. Các chất enhancer có thể được đặt một khoảng cách rất lớn từ các gene mà họ hành động hoặc thậm chí trên một nhiễm sắc thể khác nhau. Họ cũng có thể được đặt một trong hai phía thượng lưu hoặc hạ lưu của các gen mà chúng điều chỉnh. Mặc dù các enhancer có thể được đặt cách xa gen mục tiêu của họ, họ có thể là tương đối gần khi DNA được cuộn trong hạt nhân. Người ta ước tính rằng có khoảng 110.000 các trình tự gen Enhancer trong hệ gen của con người.

Trong tổ chức của nhiễm sắc thể, điều quan trọng là để tách các gen hoạt động đang được phiên mã với gen bị kiềm hãm. Sự tách biệt này có thể là một thách thức vì nhiều gen có thể được đặt gần nhau trên nhiễm sắc thể. Sự tách biệt này đạt được nhờ insulator  nhiễm sắc thể. Các insulator là các trình tự gen cung cấp sự cản trở để một gen đặc hiệu là cô lập, chống lại sự ảnh hưởng phiên mã từ gen xung quanh. Insulator có thể thay đổi rất nhiều trong chuỗi DNA của chúng và các protein liên kết với chúng. Một phương pháp mà insulator có thể được biến đổi là methyl hóa DNA, đó là trường hợp đối với các gen yếu tố tăng trưởng giống Insulin 2 (IGF-2 gen) ở động vật có vú. Alen của người mẹ có một insulator giữa enhancer (trình tự tăng cường) và promoter của gen cho phép liên kết của một chất ức chế phiên mã. Tuy nhiên, trình tự DNA của cha được methyl hóa như là sự ức chế phiên mã không thể liên kết với các insulator và gen IGF-2 được biểu hiện từ các bản sao cha của gen.

Các cơ chế khác để kiểm soát phiên mã bởi Promoter

Biến thể cơ bản trong cơ chế để kiểm soát chất xúc tác đã được phát hiện nhanh chóng trong 2 thập kỷ qua. Không chi tiết, liệt kê một số trong số:

1. Khởi xướng thường xuyên bị kiểm soát bởi các yếu tố phiên mã nằm ở nơi khác trong bộ gen. Đó là, gen điều hòa gây ra sự hình thành của protein điều hòa, lần lượt đóng vai trò là chất kích hoạt hoặc là chất ức chế phiên mã.

2. Đôi khi, nhiều chất xúc tác khác nhau được kiểm soát cùng một lúc bởi cùng một loại protein điều tiết. Trong một số trường hợp, protein điều tiết tương tự có chức năng như một chất kích hoạt cho một chất hoạt hóa và là chất ức chế cho một chất kích thích khác.

3. Một số protein được kiểm soát không phải ở điểm bắt đầu phiên mã trên chuỗi DNA mà xa hơn dọc theo chuỗi. Đôi khi sự kiểm soát thậm chí không phải ở chính chuỗi DNA mà trong quá trình xử lý các phân tử RNA trong nhân trước khi chúng được giải phóng vào tế bào chất; kiểm soát cũng có thể xảy ra ở mức độ hình thành protein trong tế bào chất trong quá trình dịch mã RNA bởi các ribosome.

4. Trong các tế bào có nhân, DNA hạt nhân được đóng gói theo đơn vị cấu trúc cụ thể, nhiễm sắc thể. Trong mỗi nhiễm sắc thể, DNA được quấn quanh các protein nhỏ gọi là histones, lần lượt được giữ chặt với nhau trong trạng thái nén bởi các protein khác. Miễn là DNA ở trạng thái nén, nó không thể hoạt động để tạo thành RNA. Tuy nhiên, nhiều cơ chế kiểm soát đang được phát hiện có thể khiến các vùng nhiễm sắc thể được chọn bị biến thành một phần tại một thời điểm để sao chép RNA một phần có thể xảy ra. Ngay cả sau đó, các yếu tố bảng điểm cụ thể kiểm soát tỷ lệ thực tế của phiên mã bởi các yếu tố thúc đẩy trong nhiễm sắc thể. Do đó, các lệnh điều khiển cao hơn vẫn được sử dụng để thiết lập chức năng tế bào thích hợp. Ngoài ra, các tín hiệu từ bên ngoài tế bào, chẳng hạn như một số nội tiết, có thể kích hoạt các vùng nhiễm sắc thể cụ thể và các yếu tố phiên mã cụ thể, do đó kiểm soát hóa học cho chức năng của tế bào.

Bởi vì có hơn 30.000 gen khác nhau trong mỗi tế bào của con người, nên số lượng lớn các cách thức mà hoạt động di truyền có thể được kiểm soát là không đáng ngạc nhiên.

Các hệ thống kiểm soát gen đặc biệt quan trọng để kiểm soát nồng độ axit amin nội bào, dẫn xuất axit amin, và chất nền trung gian và các sản phẩm của chuyển hóa carbohydrate, lipid và protein.