Một cơ chế để ảnh hưởng đến phiên mã gen trong sinh vật nhân chuẩn là làm thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể xung quanh trình tự điều hòa gen.
Để hiểu rõ cơ chế này hoạt động như thế nào, trước tiên chúng ta cần phải hiểu cấu trúc nhiễm sắc thể và sau đó xem xét nó có thể thay đổi như thế nào và những thay đổi này ảnh hưởng như thế nào đến biểu hiện gen.
So với DNA nhân chuẩn, DNA của vi khuẩn tương đối “trần”, làm cho nó dễ dàng tiếp cận với RNA polymerase. Ngược lại, nhiễm sắc thể nhân chuẩn được đóng gói thành chất nhiễm sắc, bao gồm DNA và protein (chủ yếu là histone). Đơn vị cơ bản của nhiễm sắc thể là nucleosome, chứa ~ 150 bp DNA quấn 1,7 lần xung quanh lõi của các protein histone. Lõi nucleosome chứa tám histone, trong đó mỗi histone có 2 đơn vị: histones 2A, 2B, 3 và 4 (được gọi là H2A, H2B, H3, và H4) được tổ chức thành hai dimer H2A và H2B và một tetramer H3 và H4. Xung quanh lõi nucleosome là một histone liên kết, H1, có thể làm nhỏ gọn các nucleosome thành các cấu trúc bậc cao hơn để tiếp tục kết tụ DNA.
Việc đóng gói DNA nhân chuẩn vào trong nhiễm sắc tố làm cho phần lớn DNA không dễ dàng tiếp cận với các protein điều hòa và bộ máy phiên mã. Vì vậy, trong khi gen prokaryotic thường có thể truy cập và “bật” trừ khi bị ức chế thì các gen nhân chuẩn là không thể tiếp cận và luôn “tắt” trừ khi được kích hoạt. Do đó, việc sửa đổi cấu trúc chất nhiễm sắc là một đặc điểm đặc biệt của nhiều quá trình ở sinh vật nhân chuẩn bao gồm điều hòa hoạt động gen, sao chép DNA và sửa chữa DNA. Có ba cơ chế chính để thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể sẽ được thảo luận sâu trong phần này:
1. Sự di chuyển của các nucleosome dọc theo DNA, còn được gọi là tái tạo chất nhiễm sắc.
2. sửa đổi histone trong lõi nucleosome.3. thay thế các histone phổ biến trong một nucleosome với các biến thể histone.
Protein tái tạo chất nhiễm sắc và hoạt hóa gen
Một cách để thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể đơn giản là di chuyển octamer histone dọc theo DNA. Trong những năm 1980, các kỹ thuật hóa sinh phát triển cho phép các nhà nghiên cứu xác định vị trí của các nucleosome trong và xung quanh các gen cụ thể. Trong những nghiên cứu này, nhiễm sắc thể được phân lập từ các mô hoặc các tế bào trong đó một gen đã được bật và so sánh với nhiễm sắc thể từ mô nơi mà gen đó bị tắt. Kết quả cho hầu hết các gen được phân tích là các vị trí nucleosome đã thay đổi, đặc biệt là ở các vùng điều hòa của gen. Do đó, các vùng DNA được bọc trong các nucleosome có thể thay đổi: các vị trí nucleosome có thể dịch chuyển DNA từ tế bào này sang tế bào khác và trong vòng đời của một sinh vật. Sự phiên mã bị kìm nén khi trình tự promoter và các trình tự ngoài rìa nằm trong nucleosome, ngăn cản sự khởi đầu phiên mã bởi RNA pol II. Do đó, việc kích hoạt phiên mã do đó sẽ yêu cầu đẩy các nucleosome ra khỏi promoter. Ngược lại, khi ức chế gen là cần thiết, các nucleosome chuyển vào vị trí ngăn ngừa sự phiên mã. Sự thay đổi vị trí nucleosome được gọi là tái tạo chất nhiễm sắc.
Biến đổi histone
Chúng ta hãy xem xét các nucleosome chặt chẽ hơn để xem nếu bất kỳ phần nào của cấu trúc này có thể mang thông tin cần thiết để ảnh hưởng đến vị trí nucleosome, mật độ nucleosome, hoặc cả hai.Như đã nói, hầu hết các nucleosome bao gồm một octamer histone được tạo thành từ hai dimers H2A và H2B và một tetramer H3 và H4. Các mô-đun được biết đến là các protein được bảo tồn nhiều nhất trong tự nhiên; có nghĩa là, histone gần như giống hệt nhau ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn từ nấm men đến thực vật hay động vật. Trong quá khứ, sự bảo tồn này đã góp phần quan điểm rằng các histone không thể tham gia vào bất cứ điều gì phức tạp hơn việc đóng gói DNA để phù hợp với cấu trúc của nhân.
Hình 12-13a cho thấy một mô hình cấu trúc nucleosome đại diện cho những đóng góp từ nhiều nghiên cứu. Đáng chú ý là các protein histone được tổ chức thành octamer lõi với một số đầu amino của chúng tạo ra các tiếp xúc tĩnh điện với khung xương phosphate của DNA xung quanh. Những đầu nhô ra được gọi là đuôi histone. Kể từ đầu những năm 1960, người ta đã biết rằng các axit amin cụ thể (lysine và arginine) trong đuôi histone có thể được biến đổi bởi sự gắn nhóm acetyl và methyl (Hình 12-13b). Những phản ứng này, diễn ra sau khi protein histone đã được dịch mã và thậm chí sau khi histone đã được kết hợp vào một nucleosome, được gọi là sửa đổi sau dịch mã (PTMs).
Acetyl hóa histone , khử acetyl hóa, và biểu hiện gen
Phản ứng acetyl hóa là một trong những thay đổi histone đặc trưng nhất:
Lưu ý rằng phản ứng có thể đảo ngược, có nghĩa là các nhóm acetyl có thể được thêm vào bởi enzyme histone acetyltransferase (HAT) và được loại bỏ bởi enzyme histone deacetylase (HDAC) từ cùng một histone. Bây giờ, hãy xem cách acetyl hóa và khử acetyl hóa các axit amin histone ảnh hưởng đến cấu trúc nhiễm sắc thể và biểu hiện gen.
Bằng chứng các histone liên kết với các gen hoạt động trong nucleosomes rất giàu các nhóm acetyl (hyperacetylated), trong khi các gen không hoạt động được underacetylated (hypoacetylated). Các enzyme HAT tỏ ra rất khó để phân lập. Khi nó cuối cùng bị phân lập và trình tự protein của nó xác định, nó đã được tìm thấy là một ortholog (Any of two or more homologous gene sequences found in different species related by linear descent) của một nhân tố kích hoạt phiên mã ở nấm men được gọi là GCN5 (có nghĩa là nó được mã hóa bởi cùng một gen ở một sinh vật khác nhau). Vì vậy, kết luận là GCN5 là một acetyltransferase histone. Nó liên kết với DNA trong các vùng quy định của một số gen và kích hoạt phiên mã bằng cách acetyl hóa các histone gần đó. Các phức hợp protein khác nhau được đưa tới bởi các chất hoạt hóa phiên mã giờ đây được hiểu là có hoạt động HAT.
Làm thế nào acetyl hóa histone làm thay đổi cấu trúc chất nhiễm sắc và quá trình này, tạo điều kiện thay đổi trong biểu hiện gen? Việc bổ sung các nhóm acetyl vào đuôi histone trung hòa điện tích dương của lysine và làm giảm sự tương tác của đuôi histone với khung xương DNA mang điện tích âm. Điều này dẫn đến nhiễm sắc thể mở hơn khi tương tác tĩnh điện giữa các nucleosome liền kề và giữa các nucleosome và DNA lân cận bị giảm (Hình). Ngoài ra, acetyl hóa histone, kết hợp với các thay đổi histone khác, ảnh hưởng đến sự liên kết của protein điều hòa với DNA. Một protein điều hòa liên kết có thể tham gia vào một trong nhiều chức năng trực tiếp hoặc gián tiếp làm tăng tần suất bắt đầu phiên mã.
Không giống như acetyl hóa, việc bổ sung các nhóm methyl có thể hoạt hóa hoặc ức chế sự biểu hiện gen. Nhớ lại rằng acetyl hóa các amino acid lysine để trung hòa điện tích dương histone, và theo cách này làm hoạt hóa biểu hiện gen bằng cách giảm tương tác giữa các nucleosome và DNA. Ngược lại, methyl hóa lysine cụ thể, mà không ảnh hưởng đến điện tích mà tạo ra các vị trí gắn kết cho các protein khác hoạt hóa hoặc ức chế sự biểu hiện gen tùy thuộc vào phần đuôi histone được sửa đổi. Ví dụ, methyl hóa lysine [H3K4 (me)] kích hoạt biểu hiện gen và được làm giàu trong các nucleosome gần vị trí bắt đầu phiên mã.
Thay đổi các histone và cấu trúc chromatin
Một tính năng quan trọng của cấu trúc chromatin là nó có thể được di truyền, được đặt tên - di truyền biểu sinh - được định nghĩa như là truyền đạt trạng thái nhiễm sắc thể từ một thế hệ tế bào sang thế hệ tiếp theo. Điều này có nghĩa là, trong quá trình sao chép DNA, cả chuỗi ADN và cấu trúc nhiễm sắc thể đều được truyền đạt một cách chính xác cho thế hệ tế bào tiếp theo. Tuy nhiên, không giống như trình tự DNA, cấu trúc nhiễm sắc thể có thể thay đổi trong các quá trình của chu kỳ tế bào và trong các thế hệ tiếp theo của phân chia tế bào. Nhớ lại rằng quá trình nhân đôi ở prokaryotic được bố trí tại chạc sao chép bởi replisome, một bộ máy phân tử bao gồm hai polymerase holoenzyme DNA III và các protein phụ. Trong sinh vật nhân chuẩn, sự sao chép của chất nhiễm sắc có nghĩa là replisome không chỉ phải sao chép chuỗi nucleotide mà còn phải tháo rời các nucleosome và lắp lại chúng trong phân tử con. Trong quá trình này, các histone cũ từ các nucleosome hiện có được phân phối ngẫu nhiên cho các phân tử con và các histone mới được phân phối tới các replisome. Các histone cũ được phân phối ngẫu nhiên đóng vai trò như các khuôn mẫu để hướng dẫn việc sửa đổi các histone mới. Bằng cách này, các histone cũ với đuôi được sửa đổi của chúng và các histone mới với đuôi chưa sửa đổi được tập hợp thành các nucleosome có liên quan đến cả hai sợi của con. Các sửa đổi được thực hiện bởi các histone cũ chịu trách nhiệm một phần cho di truyền biểu sinh. Như vậy, những sửa đổi cũ này được gọi là đánh dấu biểu sinh vì chúng hướng dẫn sự sửa đổi các histone mới.
Các biến thể histone
Ngoài các histone thông thường được thêm vào trong quá trình sao chép DNA, các sinh vật nhân chuẩn cũng có các histone khác, được gọi là biến thể histone, có thể thay thế các histone thông thường đã được lắp ráp thành các nucleosome. Ví dụ, hai biến thể của histone H2 được gọi là H2A.Z và H2A.X, và một biến thể H3 được gọi là CENP-A. Do các histone có thể được sửa đổi theo nhiều cách, tại sao có thể cần phải thay thế một histone bằng một biến thể? Trong khi các nhà khoa học mới bắt đầu hiểu được các vai trò khác nhau của các biến thể histone, một chủ đề chung là chúng cung cấp một cách nhanh chóng để thay đổi nhiễm sắc thể bằng cách thay thế một mã histone bằng một mã khác. Ví dụ, CENP-A thay thế H3 ở tâm động của DNA, và sự hiện diện của nó được cho là để xác định chức năng của tâm động. Ngoài ra, vai trò của biến thể histone H2A.Z trong việc xác định DNA bị hư hỏng để sửa chữa nhanh chóng được thảo luận chi tiết trong Chương 16.Sự methyl hóa DNA
Có một tín hiệu biểu sinh quan trọng khác trong hầu hết các sinh vật nhân chuẩn (nhưng không phải tất cả). Tín hiệu này không phải là một sửa đổi histone; thay vào đó, đó là việc bổ sung các nhóm methyl vào DNA sau khi sao chép. Một enzyme thường gắn các nhóm methyl này vào vị trí carbon-5 của một cytosine đặc hiệu. Ở động vật có vú, nhóm methyl thường được thêm vào cytosine trong một CG dinucleotide. Mô hình methyl hóa này được gọi là methyl hóa đối xứng bởi vì các nhóm metyl có mặt trên cả hai sợi. Một số lượng đáng kể dư lượng C được methyl hóa ở động vật có vú: 70 đến 80 phần trăm các CG nucleucleide được methyl hóa trong bộ gen. Điều thú vị là hầu hết các dinucleotide CG không được biến đổi được tìm thấy trong các cụm gần promoter gen. Các vùng này được gọi là các đảo CpG, trong đó “p” biểu thị liên kết phosphodiester. Do đó, methyl hóa C có liên quan với các vùng không hoạt động của bộ gen.
Giống như sự thay đổi histone, các tín hiệu methyl hóa DNA có thể được truyền đạt một cách ổn định từ thế hệ tế bào này sang thế hệ khác. Sự di truyền của quá trình methyl hóa DNA được hiểu rõ hơn so với sự kế thừa các thay đổi histone. Sao chép bán bảo toàn tạo ra các chuỗi xoắn kép của con được methyl hóa chỉ trên sợi của bố mẹ. Các phân tử DNA methyl hóa trên chỉ một sợi được gọi là hemimethylated. Các nhóm methyl được thêm vào các sợi chưa được metyl hóa bởi các methyltransferaza DNA có ái lực cao đối với các cơ chất hemimethyl này. Các enzym này được hướng dẫn bởi mô hình methyl hóa trên sợi bố mẹ. Vì quá trình methyl hóa DNA ổn định hơn so với sự thay đổi histone, nó thường liên quan đến các vùng của hệ gen được duy trì ở trạng thái không hoạt động trong toàn bộ vòng đời của một sinh vật.
Post a Comment