Làm thế nào để bạn ngừng biểu hiện gen?
|
Trong một đánh giá gần đây được công bố trên tạp chí Science, các nhà khoa học của Northwestern Medicine đã khám phá nghiên cứu cho thấy hoạt động cân bằng của hai họ protein – Polycomb và Trithorax – điều chỉnh biểu hiện gen trong quá trình phát triển phôi. Show
Khi các đột biến làm mất cân bằng hoạt động của các protein này, các bệnh như ung thư sẽ hình thành. Do đó, Polycomb và Trithorax là những lĩnh vực đáng quan tâm trong lĩnh vực sinh học biểu sinh và nhiễm sắc thể, nghiên cứu các cơ chế chi phối biểu hiện gen Ali Shilatifard, Tiến sĩ, Giáo sư Robert Francis Furchgott và chủ tịch của Hóa sinh và Di truyền phân tử, đồng thời là thành viên của Robert H cho biết: “Trạng thái cân bằng của biểu hiện gen đóng vai trò trung tâm trong quá trình sinh bệnh. Trung tâm Ung thư Toàn diện Lurie của Đại học Tây Bắc. Anh ấy đã viết bài đánh giá cùng với Tiến sĩ Andrea Piunti, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của anh ấy Protein trong phức hợp Polycomb và Trithorax là chất điều chỉnh chất nhiễm sắc. Điều này có nghĩa là chúng chịu trách nhiệm thay đổi cấu trúc của DNA để kiểm soát biểu hiện gen hoặc phiên mã, quá trình sao chép thông tin di truyền từ DNA và sử dụng để tạo ra protein. “Câu chuyện này bắt đầu từ hơn 40 năm trước, khi các nhà di truyền học xác định được hai họ gen ở Drosophila melanogaster. Gia đình Polycomb được cho là phanh trong quá trình phát triển. Shilatifard giải thích rằng Trithorax được coi là bàn đạp ga. “Sau đó, khoảng 20 năm trước, các nhà hóa sinh bắt đầu tinh chế một số sản phẩm gen trong các phức hợp này và xác định các hoạt động sinh hóa của chúng. ” Phòng thí nghiệm của Shilatifard là nơi đầu tiên thanh lọc sinh hóa và xác định Trithorax trong họ COMPASS là một methylase histone H3 Lysine 4. Trong khi đó, các nhà khoa học giải trình tự bộ gen ung thư đã tìm thấy các đột biến trong phức hợp Polycomb và COMPASS trong vô số bệnh ung thư, bao gồm cả khối u rắn và khối u ác tính về máu, cũng như các rối loạn phát triển Piunti cho biết: “Bây giờ, với tư cách là một cộng đồng, chúng tôi đang cố gắng tìm ra cách có thể tận dụng thông tin về những đột biến này và hoạt động của những phức hợp này để phát triển phương pháp điều trị đích cho bệnh ung thư. Trong bài đánh giá mới, Shilatifard và Piunti đã trình bày chi tiết những tiến bộ khoa học mới nhất liên quan đến phức hợp Polycomb và COMPASS, đồng thời thảo luận về cách những phát hiện đó có thể chuyển thành phương pháp điều trị bệnh ở người. Để một tế bào hoạt động bình thường, các protein cần thiết phải được tổng hợp vào thời điểm thích hợp. Tất cả các tế bào kiểm soát hoặc điều chỉnh quá trình tổng hợp protein từ thông tin được mã hóa trong DNA của chúng. Quá trình bật gen để tạo ra RNA và protein được gọi là biểu hiện gen. Cho dù trong một sinh vật đơn bào đơn giản hay một sinh vật đa bào phức tạp, mỗi tế bào kiểm soát thời gian và cách thức các gen của nó được biểu hiện. Để điều này xảy ra, phải có một cơ chế để kiểm soát thời điểm một gen được biểu hiện để tạo ra RNA và protein, lượng protein được tạo ra và khi nào thì ngừng tạo ra protein đó vì nó không còn cần thiết nữa. Quy định biểu hiện gen bảo tồn năng lượng và không gian. Sẽ cần một lượng năng lượng đáng kể để một sinh vật biểu hiện mọi gen mọi lúc, do đó, sẽ tiết kiệm năng lượng hơn nếu chỉ bật các gen khi chúng được yêu cầu. Ngoài ra, việc chỉ biểu hiện một tập hợp con gen trong mỗi tế bào sẽ tiết kiệm không gian vì DNA phải được tháo ra khỏi cấu trúc cuộn chặt của nó để phiên mã và dịch mã DNA. Các tế bào sẽ phải rất lớn nếu mọi protein được biểu hiện trong mọi tế bào mọi lúc Việc kiểm soát biểu hiện gen là vô cùng phức tạp. Các trục trặc trong quá trình này gây bất lợi cho tế bào và có thể dẫn đến sự phát triển của nhiều bệnh, bao gồm cả ung thư Mục tiêu học tập
Biểu hiện của genĐể một tế bào hoạt động bình thường, các protein cần thiết phải được tổng hợp vào thời điểm thích hợp. Tất cả các tế bào kiểm soát hoặc điều chỉnh quá trình tổng hợp protein từ thông tin được mã hóa trong DNA của chúng. Quá trình bật gen để tạo ra RNA và protein được gọi là biểu hiện gen. Cho dù trong một sinh vật đơn bào đơn giản hay một sinh vật đa bào phức tạp, mỗi tế bào kiểm soát thời gian và cách thức các gen của nó được biểu hiện. Để điều này xảy ra, phải có một cơ chế để kiểm soát thời điểm một gen được biểu hiện để tạo ra RNA và protein, lượng protein được tạo ra và khi nào thì ngừng tạo ra protein đó vì nó không còn cần thiết nữa. Quy định biểu hiện gen bảo tồn năng lượng và không gian. Sẽ cần một lượng năng lượng đáng kể để một sinh vật biểu hiện mọi gen mọi lúc, do đó, sẽ tiết kiệm năng lượng hơn nếu chỉ bật các gen khi chúng được yêu cầu. Ngoài ra, việc chỉ biểu hiện một tập hợp con gen trong mỗi tế bào sẽ tiết kiệm không gian vì DNA phải được tháo ra khỏi cấu trúc cuộn chặt của nó để phiên mã và dịch mã DNA. Các tế bào sẽ phải rất lớn nếu mọi protein được biểu hiện trong mọi tế bào mọi lúc Việc kiểm soát biểu hiện gen là vô cùng phức tạp. Các trục trặc trong quá trình này gây bất lợi cho tế bào và có thể dẫn đến sự phát triển của nhiều bệnh, bao gồm cả ung thư Quy định gen làm cho các tế bào khác nhauĐiều hòa gen là cách một tế bào kiểm soát gen nào, trong số nhiều gen trong bộ gen của nó, được “bật” (biểu thị). Nhờ sự điều hòa của gen, mỗi loại tế bào trong cơ thể bạn có một bộ gen hoạt động khác nhau—mặc dù thực tế là hầu hết tất cả các tế bào trong cơ thể bạn đều chứa cùng một DNA. Các kiểu biểu hiện gen khác nhau này khiến các loại tế bào khác nhau của bạn có các bộ protein khác nhau, làm cho mỗi loại tế bào được chuyên biệt hóa để thực hiện công việc của nó Ví dụ, một trong những công việc của gan là loại bỏ các chất độc hại như rượu ra khỏi máu. Để làm điều này, các tế bào gan biểu hiện gen mã hóa các tiểu đơn vị (mảnh) của một loại enzyme gọi là rượu dehydrogenase. Enzyme này phân hủy rượu thành một phân tử không độc hại. Các tế bào thần kinh trong não của một người không loại bỏ chất độc khỏi cơ thể, vì vậy chúng giữ cho các gen này không được biểu hiện hoặc “tắt”. ” Tương tự như vậy, các tế bào của gan không gửi tín hiệu bằng cách sử dụng chất dẫn truyền thần kinh, vì vậy chúng giữ cho các gen dẫn truyền thần kinh bị tắt (Hình 1) Hình 1. Các tế bào khác nhau có các gen khác nhau “bật. ” Có nhiều gen khác được biểu hiện khác nhau giữa tế bào gan và tế bào thần kinh (hoặc hai loại tế bào bất kỳ trong một sinh vật đa bào như bạn) Làm thế nào để tế bào “quyết định” bật gen nào?Bây giờ có một câu hỏi khó. Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến gen mà một tế bào biểu hiện. Các loại tế bào khác nhau biểu hiện các bộ gen khác nhau, như chúng ta đã thấy ở trên. Tuy nhiên, hai tế bào khác nhau cùng loại cũng có thể có kiểu biểu hiện gen khác nhau tùy thuộc vào môi trường và trạng thái bên trong của chúng. Nói rộng ra, chúng ta có thể nói rằng kiểu biểu hiện gen của tế bào được xác định bởi thông tin từ cả bên trong và bên ngoài tế bào
Làm thế nào để những tín hiệu này giúp một tế bào “quyết định” những gen nào sẽ biểu hiện? . Thay vào đó, chúng có các con đường phân tử chuyển đổi thông tin—chẳng hạn như liên kết của một tín hiệu hóa học với thụ thể của nó—thành một sự thay đổi trong biểu hiện gen Ví dụ, hãy xem xét cách các tế bào phản ứng với các yếu tố tăng trưởng. Yếu tố tăng trưởng là tín hiệu hóa học từ một tế bào lân cận hướng dẫn tế bào mục tiêu phát triển và phân chia. Chúng ta có thể nói rằng tế bào “nhận thấy” yếu tố tăng trưởng và “quyết định” phân chia, nhưng các quá trình này thực sự diễn ra như thế nào? Hình 2. Yếu tố tăng trưởng thúc đẩy quá trình phân chia tế bào
Đây chỉ là một ví dụ về cách một tế bào có thể chuyển đổi nguồn thông tin thành sự thay đổi biểu hiện gen. Có nhiều vấn đề khác, và việc hiểu logic của quy định gen là một lĩnh vực nghiên cứu đang được tiến hành trong sinh học ngày nay Tín hiệu yếu tố tăng trưởng rất phức tạp và liên quan đến việc kích hoạt nhiều mục tiêu khác nhau, bao gồm cả yếu tố phiên mã và protein yếu tố không phiên mã Tóm tắt. Biểu hiện của gen
Hiển thị tài liệu tham khảo Rượu dehydrogenase. (2016, ngày 6 tháng 1). Truy cập ngày 26 tháng 4 năm 2016 từ Wikipedia. https. // vi. wikipedia. org/wiki/Alcohol_dehydrogenase Hợp tác xã, G. m. (2000). Điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân thực. trong tế bào. Một cách tiếp cận phân tử. Sunderland, Mỹ. Hiệp hội Sinauer. Lấy từ http. //www. ncbi. nlm. không. chính phủ/sách/NBK9904/ Kimball, John W. (2014, ngày 19 tháng 4). Bộ gen người và tinh tinh. Trong các trang sinh học của Kimball. Lấy từ http. //www. trang sinh học. thông tin/H/HominoidClade. html Đại học OpenStax, Sinh học. (2016, ngày 23 tháng 3). Quy định gen phiên mã sinh vật nhân chuẩn. Trong _OpenStax CNX. Lấy từ http. //cnx. org/contents/GFy_h8cu@10. 8. 7Ry3oRse@5/Sinh vật nhân chuẩn-Phiên mã-Gene- Đại học OpenStax, Sinh học. (2016, ngày 23 tháng 3). Điều hòa biểu hiện gen. Trong _OpenStax CNX. Lấy từ http. //cnx. org/contents/GFy_h8cu@10. 8. dQV50wLv@7/Quy định-biểu hiện-gen Phillips, T. (2008). Quy định phiên mã và biểu hiện gen ở sinh vật nhân chuẩn. Giáo dục Tự nhiên, 1(1), 199. Lấy từ http. //www. tự nhiên. com/scitable/topicpage/regulation-of-transcription-and-gene-expression-in-1086 Purves, W. K. , Sadava, D. e. , người Orian, G. h. , và Heller, H. C. (2003). Điều hòa phiên mã biểu hiện gen. Trong cuộc sống. Khoa học sinh học (tái bản lần thứ 7. , trang. 290-296). Sunderland, Mỹ. Hiệp hội Sinauer Reece, J. b. , Úi , L. Một. , Cain, M. L. , Wasserman, S. Một. , Minsky, P. V. và Jackson, R. b. (2011). Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn được quy định ở nhiều giai đoạn. Trong Sinh học Campbell (tái bản lần thứ 10. , trang. 365-373). San Francisco, CA. lề Quy định gen prokaryotic và eukaryoticĐể hiểu cách điều hòa biểu hiện gen, trước tiên chúng ta phải hiểu cách gen mã hóa protein chức năng trong tế bào. Quá trình này xảy ra ở cả tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn, chỉ khác một chút về cách thức Các sinh vật nhân sơ là những sinh vật đơn bào thiếu nhân tế bào và do đó DNA của chúng trôi nổi tự do trong tế bào chất của tế bào. Để tổng hợp prôtêin, quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra gần như đồng thời. Khi protein kết quả không còn cần thiết nữa, quá trình phiên mã sẽ dừng lại. Do đó, phương pháp chính để kiểm soát loại protein nào và số lượng của mỗi loại protein được biểu hiện trong tế bào nhân sơ là quy định về phiên mã DNA. Tất cả các bước tiếp theo diễn ra tự động. Khi cần nhiều protein hơn, quá trình phiên mã diễn ra nhiều hơn. Vì vậy, ở tế bào nhân sơ, việc kiểm soát biểu hiện gen chủ yếu ở cấp độ phiên mã Ngược lại, các tế bào nhân chuẩn có các bào quan nội bào làm tăng thêm độ phức tạp của chúng. Trong các tế bào nhân chuẩn, DNA được chứa bên trong nhân của tế bào và ở đó nó được phiên mã thành RNA. RNA mới được tổng hợp sau đó được vận chuyển ra khỏi nhân vào tế bào chất, nơi các ribosome dịch RNA thành protein. Quá trình phiên mã và dịch mã được ngăn cách về mặt vật lý bởi màng nhân; . Sự điều hòa biểu hiện gen có thể xảy ra ở tất cả các giai đoạn của quá trình (Hình 1). Sự điều hòa có thể xảy ra khi DNA được tháo xoắn và nới lỏng khỏi các nhiễm sắc thể để liên kết các yếu tố phiên mã (mức độ biểu sinh), khi RNA được phiên mã (mức độ phiên mã), khi RNA được xử lý và xuất ra tế bào chất sau khi nó được phiên mã (mức độ hậu phiên mã). Hình 1. Phiên mã và dịch mã ở sinh vật nhân sơ xảy ra đồng thời trong tế bào chất và sự điều hòa xảy ra ở cấp độ phiên mã. Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn được điều hòa trong quá trình phiên mã và xử lý RNA, diễn ra trong nhân và trong quá trình dịch mã protein, diễn ra trong tế bào chất. Quy định tiếp theo có thể xảy ra thông qua sửa đổi protein sau dịch mã Sự khác biệt trong quy định biểu hiện gen giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn được tóm tắt trong Bảng 1. Quy định biểu hiện gen được thảo luận chi tiết trong các học phần tiếp theo Bảng 1. Sự khác biệt trong quy định biểu hiện gen của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcSinh vật nhân sơSinh vật nhân thựcThiếu nhânChứa nhânDNA được tìm thấy trong tế bào chấtDNA được giới hạn trong ngăn nhân Phiên mã RNA và sự hình thành protein xảy ra gần như đồng thời Phiên mã RNA xảy ra trước khi hình thành protein và nó diễn ra trong nhân. Dịch mã RNA thành protein xảy ra trong tế bào chất. Biểu hiện gen được điều hòa chủ yếu ở cấp độ phiên mã Biểu hiện gen được điều hòa ở nhiều cấp độ (biểu sinh, phiên mã, vận chuyển hạt nhân, sau phiên mã, dịch mã và sau dịch mã)Sự phát triển của quy định genTế bào nhân sơ chỉ có thể điều chỉnh biểu hiện gen bằng cách kiểm soát số lượng phiên mã. Khi các tế bào nhân chuẩn phát triển, sự phức tạp của việc kiểm soát biểu hiện gen tăng lên. Ví dụ, với sự tiến hóa của các tế bào nhân chuẩn đã dẫn đến sự phân chia các thành phần quan trọng của tế bào và các quá trình của tế bào. Vùng nhân chứa ADN được hình thành. Phiên mã và dịch mã được tách biệt về mặt vật lý thành hai ngăn tế bào khác nhau. Do đó, có thể kiểm soát biểu hiện gen bằng cách điều chỉnh quá trình phiên mã trong nhân và cũng bằng cách kiểm soát mức độ RNA và dịch mã protein hiện diện bên ngoài nhân. Một số quá trình tế bào nảy sinh từ nhu cầu tự bảo vệ của sinh vật. Các quá trình tế bào như làm im lặng gen được phát triển để bảo vệ tế bào khỏi nhiễm virus hoặc ký sinh trùng. Nếu tế bào có thể nhanh chóng tắt biểu hiện gen trong một khoảng thời gian ngắn, nó sẽ có thể sống sót khi bị nhiễm trùng khi các sinh vật khác không thể. Do đó, sinh vật đã phát triển một quá trình mới giúp nó tồn tại và nó có thể truyền lại quá trình phát triển mới này cho thế hệ con cháu. câu hỏi thực hànhKiểm soát biểu hiện gen ở tế bào nhân thực xảy ra ở (những) cấp độ nào?
Hiển thị câu trả lời đáp án d. Kiểm soát biểu hiện gen trong các tế bào nhân chuẩn xảy ra ở cấp độ biểu sinh, phiên mã, sau phiên mã, dịch mã và sau dịch mã Kiểm soát sau dịch mã đề cập đến
Hiển thị câu trả lời đáp án b. Kiểm soát sau dịch mã đề cập đến quy định biểu hiện gen sau dịch mã Kiểm tra việc hiểu của bạnTrả lời (các) câu hỏi dưới đây để xem mức độ bạn hiểu các chủ đề được đề cập trong phần trước. Bài kiểm tra ngắn này không được tính vào điểm của bạn trong lớp và bạn có thể làm lại không giới hạn số lần Sử dụng bài kiểm tra này để kiểm tra sự hiểu biết của bạn và quyết định nên (1) nghiên cứu sâu hơn phần trước hay (2) chuyển sang phần tiếp theo Điều gì có thể làm giảm biểu hiện gen?Bằng cách liên kết với các vị trí cụ thể trong 3'-UTR, miRNA có thể làm giảm biểu hiện gen của nhiều mRNA khác nhau bằng cách ức chế dịch mã hoặc trực tiếp gây ra sự xuống cấp của bản phiên mã. The 3'-UTR also may have silencer regions that bind repressor proteins that inhibit the expression of a mRNA.
Bằng cách nào biểu hiện gen có thể được kiểm soát?Cụ thể, biểu hiện gen được kiểm soát ở hai cấp độ. Đầu tiên, phiên mã được kiểm soát bằng cách giới hạn số lượng mRNA được tạo ra từ một gen cụ thể . Mức độ kiểm soát thứ hai là thông qua các sự kiện sau phiên mã điều chỉnh quá trình dịch mã của mRNA thành protein.
Điều gì làm bất hoạt biểu hiện gen?Làm im lặng gen thường được định nghĩa là sự biến đổi ngoại di truyền của biểu hiện gen dẫn đến bất hoạt từng gen hoạt động trước đó hoặc các vùng nhiễm sắc thể lớn hơn.
Bạn có thể đảo ngược biểu hiện gen?Theo công trình đăng trên The Joural of Neuroscience, giờ đây có vẻ như biểu hiện gen có thể bị thay đổi trong quá trình phát triển, nó cũng có thể bị thay đổi sau này trong cuộc đời để đảo ngược những sửa đổi này . . |
