Genetics
Vietnam Biology Olympiad – preliminary round
overview
01
Overview
Two set of proteins in gene regulations
Typical structure of a regulator protein:
A domain that recognizes a DNA regulatory sequence (the protein’s DNAbinding site)
A domain that interacts with one or more proteins of the transcriptional apparatus (RNA polymerase or a protein associated with RNA polymerase)
A domain that interacts with proteins bound to nearby regulatory sequences on DNA such that they can act cooperatively to regulate transcription
A domain that influences chromatin condensation either directly or indirectly
A domain that acts as a sensor of physiological conditions within the cell
overview
overview
Một số các đặc điểm cơ bản của điều hòa biểu hiện gene ở eukaryote:
Ý nghĩa: Ở sinh vật nhân thực, ngoài để phản ứng với các kích từ môi trường, sự điều hòa biểu hiện thường là không thuận nghịch có liên quan tới sự biệt hóa tế bào trong quá trình phát triển phôi và cơ thể và quá trình sinh sản.
Các tín hiệu điều hòa: Các tín hiệu điều hòa ở các sinh vật nhân thực đa bào là các phân tử do các tế bào biệt hóa cao độ sản sinh, lưu chuyển khắp cơ thể nhờ thể dịch, tác động lên các nhóm tế bào đích để điều chỉnh sự biểu hiện gen theo chương trình phù hợp (các hormone, các yếu tố tăng trưởng (GF-growth factor).
Mục đích điều hòa: Sự điều hoà biểu hiện gen không phục vụ cho sự sống bất kì tế bào riêng lẻ nào mà cho toàn bộ cơ thể.
Do sự khác biệt về cấu trúc và hoạt động của tế bào, sinh vật nhân chuẩn có thêm các cơ chế điều hòa trước, sau phiên mã và dịch mã cũng như sau dịch mã.
Sự điều hòa tổ hợp và tích hợp tín hiệu ở sinh vật nhân chuẩn thậm chí còn phổ biến và phức tạp hơn nhiều sinh vật nhân sơ.
overview
overview
-Two types of transcription factors:
General transcription factors, which are required for the binding of RNA polymerase to the core promoter and its progression to the elongation stage.
Regulatory transcription factors that serve to regulate the rate of transcription of target genes, including activator and silencer. These TFs will recognize cis-acting sequences, called control elements, regulatory elements, or regulatory sequences.
Regulation by transcription factors
Combinatorial control is when combination of many factors determines the expression of any given gene.
Các cơ chế của điều hòa tổ hợp:
One or more activator proteins may stimulate the ability of RNA polymerase to initiate transcription.
One or more repressor proteins may inhibit the ability of RNA polymerase to initiate transcription.
The function of activators and repressors may be modulated in a variety of ways, including the binding of small effector molecules, protein-protein interactions, and covalent modifications.
Regulatory proteins may alter the composition or arrangements of nucleosomes in the vicinity of a promoter, thereby affecting transcription.
DNA methylation may inhibit transcription, either by preventing the binding of an activator protein or by recruiting proteins that change the structure of chromatin in a way that inhibits transcription.
Regulation by transcription factors
Sự điều hòa tổ hợp
These proteins contain regions, called domains, that have specific functions.
When a domain or portion of a domain has a very similar structure in many different proteins, the structurally similar region is called a motif.
Regulation by transcription factors
Các protein điều hòa có các motif đặc trưng
Chiều rộng của xoắn alpha khớp với độ lớn của khe lớn
Khe lớn có các vị trí hình thành liên kết hidro đặc hiệu (khác nhau giữa các cặp A:T, T:A, G:C, C:G) với protein điều hòa cho phép protein điều hòa đọc được trình tự của DNA
Các protein điều hòa chứa xoắn alpha thường giàu các Arg, Lys cho phép liên kết với khung tích điện âm của DNA
Regulation by transcription factors
Các protein điều hòa thường bám vào khe lớn
Two identical transcription factor proteins may come together to form a homodimer, or two different transcription factors can form a heterodimer.
The dimerization of transcription factors can be an important way to modulate their function.
Regulation by transcription factors
Sự dimer hóa của các yếu tố phiên mã
Chúng có thể được tìm thấy ở bất kỳ đâu, kể cả intron
Một số hoạt động theo hình thức orientation-independent, hay bidirectional, tức là dù bị đảo ngược trình tự lại vẫn có chức năng bình thường (nhưng điều này không xảy ra ở điều hòa tầm gần)
Regulation by transcription factors
Một số lưu ý về các trình tự điều hòa tầm xa
Trình tự lõi promoter:
+Trình tự Inr hay vùng khởi động: chứa C ở vị trí -1 và A tại vị trí khởi đầu +1, ngược dòng vùng mã hóa mở rộng tới vị trí bắt đầu phiên mã.
+Hộp TATA / Goldberg – Hogness: nằm ngược dòng cách vị trí khởi đầu -30 bp
+Trình tự DPE: nằm các khoảng 30 bp xuôi dòng vị trí khởi đầu ở các gen không có hộp TATA giúp tăng cường khả năng gắn của TFIID
+Trình tự BRE: nằm ngược dòng khoảng 34 bp là nơi gắn của TFIIB
Ý nghĩa của các trình tự trên là giúp nhận biết chính xác vị trí khởi đầu phiên mã và chiều phiên mã.
Trình tự vùng biên promoter:
+Hộp CAAT/ cat: -75 (CAAT)
+Hộp GC: -90 (GGGCGG)
Cả hai đều có khả năng biểu hiện chức năng theo cả hai chiều, quy định hiệu suất, vị trí và thời điểm biểu hiện gen thông qua các protein hoạt hóa, liên quan đến biệt hóa tế bào trong phát triển phôi.
Regulation by transcription factors
Các trình tự thuộc promoter
Trình tự lõi promoter:
+Trình tự Inr hay vùng khởi động: chứa C ở vị trí -1 và A tại vị trí khởi đầu +1, ngược dòng vùng mã hóa mở rộng tới vị trí bắt đầu phiên mã.
+Hộp TATA / Goldberg – Hogness: nằm ngược dòng cách vị trí khởi đầu -30 bp
+Trình tự DPE: nằm các khoảng 30 bp xuôi dòng vị trí khởi đầu ở các gen không có hộp TATA giúp tăng cường khả năng gắn của TFIID
+Trình tự BRE: nằm ngược dòng khoảng 34 bp là nơi gắn của TFIIB
Ý nghĩa của các trình tự trên là giúp nhận biết chính xác vị trí khởi đầu phiên mã và chiều phiên mã.
Regulation by transcription factors
Các trình tự thuộc promoter
Đảo CpG: Các gen “giữ nhà” mã hóa các sản phẩm cơ bản không có hộp TATA hay trình tự Inr, promoter chúng là vùng giàu GC rộng, được phiên mã với tốc độ thấp có thể theo cả hai chiều với điểm khởi đầu biến động.
Đảo CpG thường nằm trong các vùng không phải nucleosome do các trình tự này gắn với histone yếu hơn vì cần nhiều năng lượng để bẻ cong chúng.
Các C trong đảo CpG có thể bị methyl hóa nên đảo CpG cho phép cơ chế điều hòa ngoại sinh.
Regulation by transcription factors
Các trình tự thuộc promoter
Trình tự vùng biên promoter:
+Hộp CAAT/ cat: -75 (CAAT)
+Hộp GC: -90 (GGGCGG)
Cả hai đều có khả năng biểu hiện chức năng theo cả hai chiều, quy định hiệu suất, vị trí và thời điểm biểu hiện gen thông qua các protein hoạt hóa, liên quan đến biệt hóa tế bào trong phát triển phôi.
Regulation by transcription factors
Các trình tự thuộc promoter
Regulation by transcription factors
Các yếu tố phiên mã chung và sự khởi đầu phiên mã
Các protein hoạt hóa hoạt động theo cách:
tương tác với các chất môi giới trung gian của bộ máy phiên mã, làm thay đổi tính ổn định của nó hoặc huy động các yếu tố phiên mã chung (như TFIID)
huy động các yếu tố cải biến histone và tái cấu trúc nucleosome.
bản thân là protein cải biến cấu trúc chất nhiễm sắc.
thông qua miền bromo (một miền có ái lực cao với histone được acetyl hóa) liên kết vào nucleosome chữa nhiều gốc acetyl
Regulation by transcription factors
Các activator
Các protein ức chế hoạt động theo cách:
Liên kết vào các trình tự điều khiển làm ngăn cản sự liên kết của các yếu tố hoạt hóa
Ngăn cản các yếu tố hoạt hóa tương tác với phức hệ tiền khởi đầu phiên mã và các protein môi giới (các yếu tố cách li, etc.)
Trực tiếp tương tác với phức hệ khởi đầu phiên mã (các protein môi giới và TFIID)
Thay đổi cấu trúc chất nhiễm sắc gây ức chế biểu hiện gene
Regulation by transcription factors
Các depressor
Như vậy activator và depressor dù trực tiếp (bản than protein đó gây ra ảnh hưởng) hay gián tiếp (ngăn cản/hoạt hóa ảnh hưởng của các protein khác) thì cũng đều dẫn tới 1 trong 3 kết cục cuối cùng sau:
(1) Hoạt hóa/ức chế TFIID
Regulation by transcription factors
3 tác động chung của các protein điều hòa
Như vậy activator và depressor dù trực tiếp (bản than protein đó gây ra ảnh hưởng) hay gián tiếp (ngăn cản/hoạt hóa ảnh hưởng của các protein khác) thì cũng đều dẫn tới 1 trong 3 kết cục cuối cùng sau:
(2) Hoạt hóa/ức chế các chất môi giới
Regulation by transcription factors
3 tác động chung của các protein điều hòa
Như vậy activator và depressor dù trực tiếp (bản than protein đó gây ra ảnh hưởng) hay gián tiếp (ngăn cản/hoạt hóa ảnh hưởng của các protein khác) thì cũng đều dẫn tới 1 trong 3 kết cục cuối cùng sau:
(3) Thay đổi cấu trúc chất nhiễm sắc
Regulation by transcription factors
Đáp ứng cuối cùng gây ra bởi các protein điều hòa
Regulation by transcription factors
Trình tự cách ly và yếu tố cách ly
An insulator is a segment of DNA that functions as a boundary between two genes
Roles:
Act as a barrier to chromatin-remodeling complexes or histone-modifying enzymes.
Block the effects of enhancers that exert their effects on neighboring genes
Regulation by transcription factors
Ví dụ của yếu tố cách ly – in vết hệ gene ở gene igf2
Regulation by transcription factors
Các trình tự điều hòa tầm xa hoạt động như thế nào?
- Các trình tự ở xa gen có thể tác động nhờ:
o Các protein bẻ cong hình thành vòng thắt ADN.
o Cấu hình của chất nhiễm sắc đưa trình tự lại gần bộ máy phiên mã.
Regulation by transcription factors
Các protein điều hòa được hoạt hóa/ức chế bởi tín hiệu như thế nào?
Các protein điều hòa đáp ứng với tín hiệu qua 3 cơ chế:
Bám với các phân tử tín hiệu
Tương tác protein-protein mà thường là sự dimer hóa protein
Các sửa đổi hóa trị trên protein (một ví dụ điển hình là khi hai tiểu phần của protein điều hòa được dimer hóa, chúng sẽ phosphoryl hóa lẫn nhau trở thành cấu hình hoạt động)
Regulation by transcription factors
Con đường tín hiệu steroid và tín hiệu từ màng tế bào
- Các hormone steroid tan trong lipid vào tế bào chất tương tác với các yếu tố phiên mã gọi là thụ thể hormone steroid, giải phóng nó khỏi khác protein ức chế giữ nó trong tế bào chất, được dimer hóa và vận chuyển vào nhân để hoạt động.
Regulation by transcription factors
Con đường tín hiệu steroid và tín hiệu từ màng tế bào
Các hormone có bản chất protein và cytokin, yếu tố sinh trưởng không qua được màng tế bào, kích thích con đường truyền tín hiệu thông qua các kinase, từ đó hoạt hóa và vận chuyển các protein điều hòa vào nhân và hoạt động.
(*) Các yếu tố trans khi ở dạng bất hoạt ở chất tế bào có thể được giữ bởi các protein ở chất tế bào hay trên màng, hoặc trình tự peptide tín hiệu vận chuyển bị che khuất. Các ligand có thể trực tiếp hay gián tiếp phân rã protein ức chế giữ chân hoặc biến đổi dị hình các protein điều hòa.
Regulation through chromatin structure
Phức hệ tái cấu trúc chất nhiễm sắc thay đổi thành phần và vị trí các nucleosome
Sự tái cấu trúc nucleosome bởi các phức hệ tái cấu trúc là quá trình phụ thuộc DNA, sử dụng năng lượng giải phóng từ quá trình thủy phân DNA (thông qua hoạt động của tiểu phần DNA translocase trong phức hệ) để tái cấu trúc chất nhiễm sắc.
Các cơ chế tái cấu trúc:
Regulation through chromatin structure
Các enzyme sửa đổi histone làm thay đổi cấu trúc nucleosome
Nhóm acetyl làm trung hòa điện tích của lysine và giảm tương tác của đuôi histone với DNA
Các enzyme histone acetyltransferase (HAT) acetyl hóa histone
Các enzyme histone deacetylase (HDAC) deacetyl hóa histone
Regulation through chromatin structure
Các enzyme sửa đổi histone làm thay đổi cấu trúc nucleosome
Nhóm acetyl làm trung hòa điện tích của lysine và giảm tương tác của đuôi histone với DNA
Các enzyme histone acetyltransferase (HAT) acetyl hóa histone
Các enzyme histone deacetylase (HDAC) deacetyl hóa histone
HOẠT HÓA GENE BỞI NHÓM ACETYL
Regulation through chromatin structure
Các enzyme sửa đổi histone làm thay đổi cấu trúc nucleosome
Tổng hợp các tác động của acetyl hóa:
Nới lỏng cấu trúc nucleosome.
Phối hợp với các yếu tố phiên mã hoặc các protein môi giới trung gian qua miền bromo của protein (VD: TFIID)
Tương tác với các protein chứa miền bromo huy động duy trì sự acetyl hóa hoặc cải biến khác trên nhiễm sắc thể)
HOẠT HÓA GENE BỞI NHÓM ACETYL
Regulation through chromatin structure
Các enzyme sửa đổi histone làm thay đổi cấu trúc nucleosome
Nhóm methyl thêm vào đuôi histone ở amino acid Lysine (hoặc Arginin) có thể có nhiều tác động hoạt hóa hoặc ức chế tùy thuộc vào vị trí của amino acid đó trên đuôi, các amino acid xung quanh và chức năng của protein điều hòa được huy động.
Các enzyme histone methyltranferase (HMTase) có thể thêm 1, 2, hoặc 3 gốc methyl vào lysine của histone H3:
HOẠT HÓA/ỨC CHẾ GENE BỞI NHÓM METHYL
RNA processing and rna editing
Các sửa đổi có thể xảy ra trên mRNA
RNA processing and rna editing
3 cơ chế cắt nối intron-exon
RNA processing and rna editing
Cơ chế cắt nối intron-exon
RNA processing and rna editing
Cơ chế cắt nối intron-exon
RNA processing and rna editing
RNA editing
`
RNA processing and rna editing
Tổng kết
THANKS!
nguon VI OLET
