Điều hòa gen trong cơ thể người

2020-05-27 11:35 AM

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.

Biên tập viên: Trần Tiến Phong

Đánh giá: Trần Trà My, Trần Phương Phương

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.

Phiên mã gen trong các tế bào nhân chuẩn

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.

Bài viết cùng chuyên mục

Cấu trúc chức năng sinh lý tim

Thành cơ tim thất trái dày gấp hai đến bốn lần thành thất phải, do nó phải bơm máu với áp lực cao hơn để thắng sức cản lớn của tuần hoàn hệ thống.

Áp suất dịch não tủy bình thường không đổi

Áp suất dịch não tủy bình thường khi nằm trung bình là 130 mm nước (10mmHg), tuy nhiên áp suất này cũng có thể thấp chỉ 65 mm nước hoặc cao đến 195 mm nước ở người khỏe mạnh bình thường.

Kích thích riêng và đồng loạt bởi hệ giao cảm và phó giao cảm

Trong một số trường hợp, hầu hết toàn bộ các phần của hệ thần kinh giao cảm phát xung đồng thời như một đơn vị thống nhất, hiện tượng này được gọi là sự phát xung đồng loạt.

Tác dụng của insulin lên chuyển hóa protein và tăng trưởng

Cách mà insulin làm tăng tổng hợp protein chưa được hiểu rõ như với cơ chế trong dự trữ glucose và chất béo. Đây là một vài kết quả ghi nhận trong thực tế.

Lắng đọng và tái hấp thu làm mới của xương

Tạo cốt bào được tìm thấy trên bề mặt ngoài của xương và trong các hốc xương. Xương liên tục tiêu hủy do sự có mặt của hủy cốt bào, là 1 loại tế bào lớn, có khả năng thực bào, đa nhân là các dẫn xuất của bạch cầu đơn nhân hoặc các tế bào giống bạch cầu đơn nhân hình thành trong tủy xương.

Cơ thể cân đối kéo dài cuộc sống với thể thao

Cải thiện cơ thể cân đối cũng làm giảm nguy cơ một vài loại bệnh ung thư như ung thư vú, ung thư tuyến tiền liệt, và ung thư đại tràng. Phần lớn các tác dụng có lợi của tập luyện có thể liên quan đến việc giảm béo phì.

Sinh lý hoạt động ức chế

Mỗi khi có một kích thích mới và lạ, tác động cùng một lúc với kích thích gây phản xạ có điều kiện, thì phản xạ có điều kiện đó không xuất hiện.

Kiểm soát lưu lượng máu đến cơ vân

Ngoài cơ chế giãn mạch mô cục bộ, các cơ xương còn được cung cấp các dây thần kinh co mạch giao cảm và (ở một số loài động vật) cũng như các dây thần kinh giãn mạch giao cảm.

Phế nang: tốc độ thông khí của phế nang

Một trong những chức năng quan trọng của đường hô hấp là giữ chúng luôn mở và cho phép không khí đi lại đến phế nang dễ dàng. Để giữ khí quản khỏi xẹp, nhờ có sụn nhẫn.

Các yếu tố ruột ức chế bài tiết dịch dạ dày

Dạ dày bài tiết một ít ml dịch vị mỗi giờ trong suốt giai đoạn giữa các lần phân giải thức ăn, khi mà có ít hoặc không có sự tiêu hóa diễn ra ở bất cứ vị trí nào của ruột.

Vận chuyển hormone trong máu

Các hormone tan trong nước được hòa tan vào huyết tương và được vận chuyển từ nơi chúng được tạo ra đến các mô đích, tại đó chúng sẽ khuếch tán khỏi lòng mao mạch, đi vào khoang dịch kẽ.

Sự lan truyền điện thế hoạt động màng tế bào

Quá trình khử cực di chuyển dọc theo toàn bộ chiều dài dây thần kinh. Sự lan truyền của quá trình khử cực dọc theo một dây thần kinh hoặc sợi cơ được gọi là một xung động thần kinh hay cơ.

Vùng dưới đồi bài tiết GnRH kích thích thùy trước tuyến yên tiết FSH và LH

Trung tâm sản xuất GnRH ở vùng dưới đồi. Hoạt động thần kinh điều khiển sự chế tiết GnRH diễn ra tại vùng mediobasal hypothalamus, đặc biệt ở phần nhân cung của khu vực này.

Feedback âm của estrogen và progesterone làm giảm bài tiết FSH và LH

Ngoài ảnh hưởng của feedback âm tính của estrogen và progesterone, vài hormone khác cũng tham gia vào việc này, đặc biệt là inhibin- được tiết ra cùng với các hormone steroid giới tính bởi các tế bào hạt tại hoàng thể.

Chức năng vận động của thân não

Thân não hoạt động giống như một trạm chung chuyển cho các mệnh lệnh từ trung tâm thần kinh cao hơn. Ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ bàn luận về vai trò của thân não trong việc chi phối cử động của toàn bộ cơ thể và giữ thăng bằng.

Các chất giải phóng từ tế bào hình sao điều hòa lưu lượng máu não

Các chất trung gian chưa được biết rõ, nitric oxit, các chất chuyển hóa của acid arachidonic, ion kali, adenosin và các chất khác tạo ra bởi tế bào hình sao dưới kích thích của các neuron gần kề là các chất trung gian giãn mạch quan trọng.

Canxi và photphatase trong dịch ngoại bào và huyết tương

Những tế bào dễ bị kích thích rất nhạy cảm với sự thay đổi của nồng độ ion canxi, nếu tăng quá ngưỡng bình thường gây giảm hoạt động của hệ thần kinh; ngược lại, giảm nồng độ canxi trong máu (hạ canxi máu) làm cho các tế bào thần kinh trở nên dễ bị kích thích hơn.

Phản xạ tủy sống gây co cứng cơ

Các xương bị gẫy gửi các xung động về cảm giác đau về tủy sống, gây ra co cơ xung quanh. Khi gây tê cục bộ hay gây tê toàn thân, kích thích đau biến mất, sự co thắt cũng biến mất.

Sợi thần kinh: sự tương quan về trạng thái

Một số tế bào thần kinh trong hệ thần kinh trung ương hoạt động liên tục vì ngay cả trạng thái kích thích bình thường cũng trên ngưỡng cho phép.

Hệ thống chuyển hóa cơ trong tập luyện thể thao

Một đặc điểm đặc biệt của sự chuyển đổi năng lượng từ phosphocreatine thành ATP là nó xảy ra trong vòng một phần nhỏ của một giây. Do đó, tất cả năng lượng gần như ngay lập tức có sẵn cho sự co cơ, cũng như là năng lượng được lưu trữ trong ATP.

Giảm chức năng thận: gây tăng huyết áp mãn tính

Mức độ tăng vừa phải của huyết áp cũng dẫn đến sự rút ngắn kỳ vọng sống. Tăng huyết áp nghiêm trọng nghĩa là giá trị huyết áp trung bình tăng 50% hoặc ở trên ngưỡng bình thường thì kỳ vọng sống là không lớn hơn một vài năm, trừ khi được điều trị thích hợp.

Các hormone điều hòa tuyến sinh dục và những ảnh hưởng lên buồng trừng

Cả hai FSH và LH kích thích những tế bào đích tại buồng trứng bằng cách gắn đặc hiệu với các receptor FSH và LH trên màng các tế bào buồng trứng. Sau đó, những receptor được kích hoạt làm tăng khả năng bài tiết và thường kèm theo khả năng phát triển cũng như tăng sinh tế bào.