Biểu hiện gene
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Biểu hiện gene, (thuật ngữ tiếng Anh: Gene expression hay expression), ám chỉ mọi quá trình liên quan đến việc chuyển đổi thông tin di truyền (genetic information) chứa trong gene (gene là một đoạn/chuỗi DNA) để chuyển thành các amino acid (hay protein) (mỗi loại protein sẽ thể hiện một cấu trúc và chức năng riêng của tế bào). Tuy nhiên, cũng tồn tại các gene không mã hóa cho protein (ví dụ: rRNA gene, tRNA gene).
Biểu hiện gene là quá trình đa giai đoạn.
- Với prokaryote: Có 2 giai đoạn chính là sao mã (hay còn gọi là phiên mã) và dịch mã
- Với eukaryote: Ngoài 2 giai đoạn trên, còn có thêm giai đoạn chế biến RNA nằm ở giữa 2 giai đoạn đó.
Mục lục |
[sửa] Các giai đoạn chính
[sửa] Sao mã (Phiên mã)
Sao mã là quá trình dùng mạch mang nghĩa của gene làm mẫu để tổng hợp thành một RNA (dạng mạch đơn). Enzyme tham gia làm xúc tác cho quá trình phản ứng có tên là RNA polymeraza (RNA polymerase).
Với eukaryote, có 3 loại RNA polymerase, mỗi loại sẽ sao mã ra một nhóm RNA khác nhau. RNA polymerase I thì dùng để tổng hợp ra rRNA, RNA polymerase II (Pol II) thì dùng để tổng hợp ra mọi mRNA (là các protein để mã hóa RNA), và RNA polymerase III thì dùng để tổng hợp ra tRNA và một số RNA ổn định nhỏ khác. RNA polymerase II là quan trọng nhất.
[sửa] Chế biến mRNA
Là giai đoạn chỉ diễn ra ở Eukaryote, bao gồm các sự kiện: gắn mũ (capping), splicing và thêm đuôi polyA.
[sửa] Gắn mũ
Các mRNA của sinh vật nhân thật và virus có một cấu trúc đặc biệt ở đầu 5´, gọi là “mũ” – thực chất là phân tử 7-methyl-guanosine. Quá trình gắn mũ này xảy ra trong quá trình phiên mã và được bảo đảm đặc hiệu cho cấu trúc 5´ mRNA. Cấu trúc mũ này có tác dụng bảo vệ RNA mới hình thành khỏi các enzyme exonuclease 5’-3’, là vị trí gắn trực tiếp cho phức hợp gắn với mũ (CBC - cap-binding complex) – chuẩn bị cho các bước chế biến tiền mRNA kế tiếp và cũng là vị trí gắn cho các nhân tố trong tế bào chất cần thiết trong quá trình dịch mã.
[sửa] Splicing
Ở sinh vật nhân thật, gene không chỉ chứa các đoạn mang mã mà còn xen kẽ bởi các đoạn không mang mã, lần lượt được gọi là exon và intron. Trong quá trình chế biến tiền mRNA, các đoạn intron này được loại bỏ và các đoạn exon nối lại với nhau tạo thành mRNA trưởng thành. Chính mRNA trưởng thành này mới là khuôn chính xác cho quá trình dịch mã mRNA thành protein tương ứng. Sự kiện trên được gọi là splicing, cũng được thực hiện đồng thời với quá trình phiên mã và tiếp tục sau phiên mã bởi một phức hợp lớn gồm các snRNPs (small nuclear ribonucleoprotein) (gọi là spliceosome). Một trong những đặc điểm nổi bật của splicing chính là alternative splicing: Các exon trên mRNA gồm 2 loại là constitutive exon (exon cơ bản) và alternative exon (exon lựa chọn), trong đó, chỉ có constitutive exon luôn được giữ lại trên mRNA trưởng thành. Chính nhờ alternative splicing, một gene có thể tạo ra sản phẩm là nhiều protein khác nhau và vì thế, làm tăng độ đa dạng cũng như độ phức tạp của bộ gene sinh vật nhân thật.
[sửa] Thêm đuôi polyA
Quá trình này liên quan mật thiết với việc kết thúc phiên mã. Tuy nhiên, tác dụng của việc gắn đuôi polyA cho mRNA để tạo thành mRNA trưởng thành vẫn chưa được hiểu rõ.
[sửa] Dịch mã
[sửa] Các kiểu biểu hiện gen
Phần lớn thuật ngữ được dùng để miêu tả các mô hình của sự biểu hiện gen, bao gồm:
- Gen cấu trúc là một gen được phiên mã liên tục khi so sánh với gen tùy ý (a facultative gene) chỉ được dịch mã khi cần thiết.
- Gen giữ nhà (housekeeping gene) là một gen cấu trúc điển hình, được phiên mã ở một mức độ tương đối liên tục. Những sản phẩm từ sự phiên mã các gen này cần cho sự duy trì sự sống tế bào.Có thể nói là sự biểu hiện của chúng không bị ảnh hưởng bởi những điều kiện thí nghiệm. Ví dụ như actin, GAPDH và ubiquitin.
- Gen tuỳ ý là gen chỉ được phiên mã khi cần. (A facultative gene is a gene which is only transcribed when needed compared to a constitutive gene).
- Gen cảm ứng là gene mà sự biểu hiện của nó nhằm đáp ứng với những thay đổi của môi trường hay phụ thuộc vào từng trạng thái trong chu kỳ tế bào.
[sửa] Đo đạc định lượng
Biểu hiện của một gene cụ thể có thể ước định một cách gián tiếp dùng công nghệ DNA microarray, nó cho ta biết số liệu thô về độ tập trung của tế bào tại các RNA thông tin khác nhau; thường là vài ngàn tế bào tại cùng một thời điểm. Tiếng Anh vẫn thường gọi là expression profiling, nhưng thực ra từ này dùng không đúng lắm.
Biểu hiện của nhiều gene được xác định thường là ổn định sau giai đoạn sao mã, nên việc tăng độ tập trung mRNA không có nghĩa là sẽ làm tăng độ biểu hiện. Một phương pháp khác chính xác và nhạy hơn để đo độ biểu hiện gene là real-time polymerase chain reaction. Với đường cong được tạo ra cẩn thận nó có thể cho ra phép đo tuyết đối như số lượng bản sao của mRNA trên mỗi nanolitre của homogenized tissue, hay số lượng bản sao mRNA trên tổng số poly-adenosine RNA. Mức độ biểu hiện gene có thể được đo đạc bằng cách kết hợp (fusing) protein mong muốn với một reporter protein khác, chẳng hạn green fluorescent protein hay enzyme beta-galactosidase. Từ đó, mức độ biểu hiện của những reporter proteins có thể được định lượng trực tiếp dùng các kĩ thuật chuẩn hóa có sẵn.
[sửa] Điều tiết Biểu hiện gene
Điều tiết biểu hiện gene là sự điều khiển tế bào về mặt số lượng và thời gian xuất hiện của các hàm chức năng của một gene. Bất kì giai đoạn nào trong biểu hiện gene cũng có thể được điều hòa, từ giai đoạn sao mã DNA-RNA đến giai đoạn post-translational modification của một protein. Điều hòa gene điều khiển tế bào về mặt cấu trúc và chức năng, và là cơ sở cho sự khác biệt tế bào (cellular differentiation), đồng hình di truyền (morphogenesis) và sự linh hoạt và thích nghi của bất cứ sinh vật nào.
[sửa] Overexpression
The protein encoded by a gene can be expressed in increased quantity. This can come about by increasing the number of copies of the gene or increasing the binding strength of the promoter region.
Often, the DNA sequence for a protein of interest will be cloned or subcloned into a plasmid containing the lac promoter, which is then transformed into the bacterium Escherichia coli. Addition of IPTG (a lactose analog) causes the bacteria to express the protein of interest. However, this strategy does not always yield functional protein, in which case, other organisms or tissue cultures may be more effective. As for example the yeast, Saccharomyces cerevisiae, is often preferred to bacteria for proteins that undergo extensive Posttranslational modification. Nonetheless, bacterial expression has the advantage of easily producing large amounts of protein, which is required for X-ray crystallography or nuclear magnetic resonance experiments for structure determination.
[sửa] Biểu hiện và mạng lưới Gene
Genes have sometimes been regarded as nodes in a network, with inputs being proteins such as transcription factors, and outputs being the level of gene expression. The node itself performs a function, and the operation of these functions have been interpreted as performing a kind of information processing within cell and determine cellular behaviour.
[sửa] Techniques
- Primer: Used to facilitate expression
- Shuttle Vector
[sửa] Xem thêm
- bookmarking
- Expression profiling
- Expressed sequence tag
- Paramutation
- Sequence profiling tool
[sửa] Liên kết ngoài
- ArrayExpress at the European Bioinformatics Institute
- Gene expression (Animation)
- NCBIs Gene Expression Omnibus
- Genes and Gene Expression - The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology
- SymAtlas - view gene expression pattern by anatomic tissue
- Transgenic fungus-resistant barley: Effects on gene expression and plant substances
- [1]
