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 tạo chung của hệ thần kinh: thần kinh trung ương và sự nhận cảm đáp ứng

Một đặc tính của hầu hết các sợi thần kinh là các tín hiệu dẫn truyền thường chỉ đi theo một hướng: từ sợi trục của sợi thần kinh phía trước tới sợi gai của sợi phía sau.

Điều hòa chức năng cơ thể

Hệ thống thần kinh và hệ thống nội tiết điều chỉnh và phối hợp các chức năng cơ thể. Cùng nhau duy trì sự tăng trưởng, trưởng thành, sinh sản, trao đổi chất và hành vi của con người.

Sinh lý hệ thần kinh tự động

Receptor tiếp nhận norepinephrin của hệ giao cảm được gọi là noradrenergic receptor, bên cạnh norepinephrin, các receptor này cũng đáp ứng với epinephrin.

Tĩnh mạch: kho chứa máu chuyên biệt

Một phần nhất định của hệ tuần hoàn rất lớn và phức tạp đến nỗi chúng được gọi là các bể chứa máu chuyên biệt, các bể chứa này bao gồm lách, gan, tĩnh mạch chủ bụng, các mạng lưới đám rối tĩnh mạch.

Các chuyển đạo đơn cực chi: các chuyển đạo điện tâm đồ

Chuyển đạo đơn cực chi tương tự như các bản ghi chuyển đạo chi tiêu chuẩn, ngoại trừ bản ghi từ chuyển đạo aVR bị đảo ngược.

Hệ thống tim mạch trong tập luyện thể thao

Lượng máu chảy trong cơ có thể tăng tối đa khoảng 25 lần trong bài tập vất vả nhất. Hầu hết một nửa mức tăng này là kết quả do giãn mạch gây ra bởi những tác động trực tiếp của việc tăng trao đổi chất trong cơ.

Giải phẫu chức năng của vùng vỏ não nhận diện khuôn mặt

Người ta có thể tự hỏi tại sao rất nhiều diện tích vỏ não được dành cho nhiệm vụ đơn giản là nhận diện khuôn mặt. Tuy nhiên, hầu hết các công việc hàng ngày liên quan đến các liên kết với những người khác nhau.

Kích thích thần kinh: chức năng đặc biệt của sợi nhánh

Nhiều khớp thần kinh kích thích và ức chế được hiển thị kích thích các đuôi của một tế bào thần kinh. Ở hai đuôi gai bên trái có tác dụng kích thích ở gần đầu mút.

Vai trò tạo điều kiện thuận lợi và ức chế khớp thần kinh (synap)

Trí nhớ thường được phân loại theo loại thông tin mà nó lưu trữ. Một trong những cách phân loại đó là chia trí nhớ thành trí nhớ tường thuật (declarative memory) và trí nhớ kỹ năng (skill memory).

Thể tích hô hấp trong một phút

Thể tích hô hấp mỗi phút trung bình 6lit/phút. Một người có thể sống với giai đoạn ngắn nhất là thể tích hô hấp mỗi phút thấp khoảng 1,5lit/phút và tốc độ hô hấp chỉ khoảng 2-4 nhịp/ phút.

Cung lượng tim: là tổng máu tuần hoàn qua mô phụ thuộc vào tuần hoàn ngoại vi

Tổng lưu lượng máu của tuần hoàn ngoại vi chính là tuần hoàn tĩnh mạch, và tim hoạt động một cách tự động để bơm máu quay trở lại tuần hoàn chung của cơ thể.

Chức năng sinh lý của thể hạnh nhân

Thể hạnh nhân nhận xung động thần kinh từ vùng vỏ limbic, và cả từ thùy thái dương, thùy đỉnh và thùy chẩm – đặc biệt từ vùng thính giác và thị giác. Do những phức hợp liên kết này, thể hạnh nhân được gọi là “cửa sổ”.

Một số rối loạn sinh lý thân nhiệt

Sốt là trạng thái tăng thân nhiệt xảy ra do điểm chuẩn bị nâng lên cao hơn bình thường. Khi đó, các đáp ứng tăng thân nhiệt xuất hiện và đưa thân nhiệt tăng lên bằng điểm chuẩn mới gây nên sốt.

Vai trò trung tâm của Glucose trong chuyển hóa Carbohydrate

Sản phẩm cuối cùng của quá trình tiêu hóa carbohydrate trong đường tiêu hóa hầu như toàn bộ là glucose, fructose và galactose - với glucose trung bình chiếm khoảng 80 phần trăm.

Vùng dưới đồi điều khiển sự bài tiết của tuyến yên

Vùng dưới đồi là một trung tâm thu nhận thông tin liên quan đến các trạng thái của cơ thể, và những tín hiệu này được dùng để điều khiển sự bài tiết các hormone có tác dụng toàn thân từ tuyến yên.

Hormone parathyroid (tuyến cận giáp)

Tuyến cận giáp của con người trưởng thành, chứa chủ yếu là các tế bào chính và một số lượng nhỏ đến trung bình các tế bào oxyphil, nhưng tế bào oxyphil vắng mặt ở nhiều loài động vật cũng như ở người trẻ.

Các phản xạ tự chủ của hệ thần kinh

Nhiều chức năng nội tạng của cơ thể được điều chỉnh bởi các phản xạ tự chủ. Một vài phản xạ của hệ tim mạch giúp kiểm soát huyết áp động mạch và tần số tim. Một trong nhưng phản xạ đó là phản xạ baroreceptor.

Soi đáy mắt: quan sát nhìn vào phía trong mắt

Kính soi đáy mắt là dụng cụ có cấu tạo phức tạp nhưng nguyên lý của nó rất đơn giản. Cấu tạo của nó được mô tả và có thể được giải thích như sau.

Hoạt động nhào trộn của đường tiêu hóa

Hoạt động nhào trộn có đặc điểm khác nhau ở những phần khác nhau của đường tiêu hóa. Ở một số đoạn, co bóp nhu động chủ yếu gây ra nhào trộn.

Vòng phản xạ thần kinh: sự ổn định và mất ổn định

Hầu như tất cả các phần của não kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với tất cả các phần khác, nó tạo ra một thách thức nghiêm trọng. Nếu phần đầu tiên kích thích phần thứ hai, phần thứ hai kích thích phần thứ ba, phần thứ ba đến phần thứ tư và cứ như vậy.