Biểu hiện gen chuyển đổi thông tin di truyền trong gen thành sản phẩm trong tế bào sống với tính trạng kiểu hình có thể quan sát được
Biểu hiện gen là quá trình mà thông tin di truyền trong DNA được sử dụng để hình thành protein và RNA. Quá trình này là cơ sở quan trọng cho sự phát triển, hoạt động và duy trì hoạt động sống. Biểu hiện gen hỗ trợ nghiên cứu di truyền, phát triển dược phẩm và đưa ra phương pháp điều trị hiệu quả. Đây là lĩnh vực nghiên cứu khoa học với đa dạng ứng dụng trong cuộc sống.
Nội dung
1. Biểu hiện gen là gì?
Biểu hiện gen (Gene Expression) là quá trình chuyển đổi thông tin di truyền trong gen thành sản phẩm của tế bào sống. Từ đó, hình thành các kiểu hình tương ứng có thể nhìn thấy (Gene Expression).
Ví dụ:
- Thí nghiệm của G. Mendel: Hạt đậu Hà Lan hạt trơn mang kiểu gen Aa (dị hợp tử). Khi nảy mầm và phát triển thành cây có kiểu hình hạt trơn (gen A quy định) được biểu hiện. Còn hạt nhăn (do gen a) không có biểu hiện (SGK “Sinh học 12” – Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 2016).
- Bệnh Alzheimer do gen trội ở người gây ra. Mãi đến khi lớn tuổi, bệnh mới phát triển. Còn khi trẻ, gen này chưa biểu hiện.
- Gen biểu hiện tác động không đồng đều trong quần thể. Bởi vậy, kiểu gen y hệt nhau nhưng kiểu hình biểu hiện lại khác nhau (Expressivity).
Quá trình biểu hiện gen rất phức tạp với nhiều giai đoạn khác nhau. Nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Trong đó, có tác động của các gen khác, môi trường trong (nội môi) và ngoài (ngoại cảnh). Tuy nhiên, ở mức độ đơn giản nhất, biểu hiện gen bao gồm 3 giai đoạn chính ở cả sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn (Campbell và cộng sự: “Sinh học” – Nhà xuất bản Giáo dục, 2010): Phiên mã; Dịch mã; Tạo thành và hoạt động của protein chức năng.
2. Các giai đoạn chính
Dưới đây là một số giai đoạn cơ bản trong tế bào nhân thực. Ngoài ra, còn nhiều giai đoạn khác (điều hoà gen, tái tổ hợp,…) hoặc ở cơ thể đa bào (xuất – nhập khẩu sản phẩm gen, tương tác gen…) và một số tác động khác.
2.1 Phiên mã
Đây là quá trình tổng hợp RNA. Nó chỉ được tiến hành khi có tối thiểu một số nhân tố sau cùng tham gia:
2.2 Xử lý RNA
Xử lý RNA chỉ xảy ra ở sinh vật nhân chuẩn. Các sự kiện gồm: gắn mũ (capping), ghép mảnh (splicing) và bổ sung đuôi polyA.
-
Gắn mũ
Các mRNA của sinh vật nhân thật và virus có cấu trúc đặc biệt ở đầu 5´. Nó được gọi là “mũ” – Phân tử 7-metyl-guanosin. Quá trình này diễn ra trong phiên mã và đảm bảo độ đặc hiệu trong 5´ mRNA. Cấu trúc đặc biệt này giúp bảo vệ RNA mới tạo thành khỏi enzym exonucleaza 5’-3’. Vị trí gắn trực tiếp phức hợp gắn với mũ. Đây là tiền đề cho quá trình tiền mRNA kế tiếp. Đây cũng là nơi gắn các nhân tố trong tế bào chất cần thiết ở giai đoạn dịch mã.
-
Ghép mảnh
Ở sinh vật nhân chuẩn, gen vừa chứa đoạn mang mã, vừa xen kẽ bởi các đoạn không chứa mã. Chúng lần lượt có tên là exon và intron. Quá trình chế biến tiền mRNA có nhiệm vụ loại bỏ intron và nối các đoạn exon. Từ đó, hình thành nên mRNA trưởng thành. Đây mới là khuôn chính xác và trực tiếp cho quá trình dịch mã hình thành protein. Nó được gọi là cắt nối RNA (RNA splicing). Quá trình này được tiến hành sau phiên mã nhờ phức hợp lớn gồm snRNP (thể cắt nối – spliceosome).
Với một số loại gen, bản phiên mã sơ khai (mRNA sơ khai) giúp nối êxôn có chủ đích. Hoặc được biến đổi theo kiểu “lập trình lại” được gọi là chỉnh sửa RNA. Bởi vậy, từ một gen mã hoá gốc có thể tạo thành nhiều mRNA trưởng thành và protein khác nhau. Điều này giúp tăng cường độ đa dạng và phức tạp của bộ gen sinh vật nhân chuẩn.
-
Thêm đuôi polyA
Thêm đuôi polyA liên quan trực tiếp đến việc kết thúc phiên mã. Quá trình này có nhiệm vụ hình thành mRNA không bị thủy phân bởi enzyme khi đến tế bào chất từ nhân. Đây là tiền đề cho quá trình dịch mã tổng hợp protein tiếp theo.
2.3 Dịch mã
Đây là quá trình tổng hợp 1 polypeptide sử dụng thông tin trong mRNA.
Xem thêm:
- Giải trình tự gen – Cách mạng di truyền, đột phá y học
- Gen di truyền- Nguyên lý hoạt động và ứng dụng xét nghiệm
3. Các kiểu biểu hiện gen
Một số thuật ngữ miêu tả các kiểu biểu hiện gen bao gồm:
- Gen cấu trúc là gen được phiên mã liên tục khi so sánh với gen chỉ được dịch mã khi cần.
- Gen giữ nhà có cấu trúc điển hình và được phiên mã tương đối liên tục. Kết quả của quá trình phiên mã các gen này cần thiết cho hoạt động duy trì sự sống. Biểu hiện của chúng không bị ảnh hưởng trong môi trường thí nghiệm. Chẳng hạn như actin, GAPDH và ubiquitin.
- Gen tuỳ ý chỉ được phiên mã khi cần so sánh với gen cấu thành.
- Gen cảm ứng có biểu hiện nhằm đáp ứng với sự thay đổi của môi trường. Đồng thời, phụ thuộc vào từng trạng thái trong chu kỳ tế bào.
4. Cơ chế biểu hiện gen
Mỗi tế bào chỉ cho phép biểu hiện hoặc kích hoạt hoạt động một số ít gen. Phần gen còn lại bị ức chế biểu hiện hoặc bất hoạt. Quá trình kích hoạt hoặc bất hoạt gen gọi là cơ chế điều hòa hoạt động gen. Quá trình điều hòa có vai trò quan trọng trong quá trình cơ thể phát triển. Kích hoạt hoặc bất hoạt phụ thuộc vào các dạng tế bào, vị trí của gen. Ví dụ như nó dẫn đến sự phân hóa khiến tế bào não có hình dạng, hoạt động và chức năng khác với tế bào gan hoặc cơ,… Điều hòa biểu hiện gen giúp đẩy nhanh tốc độ thích ứng với những thay đổi của môi trường.
Điều hòa biểu hiện gen có thể xảy ra ở bất kỳ thời điểm nào trong giai đoạn biểu hiện. Tuy nhiên, phần lớn chúng thường xuất hiện ở quá trình phiên mã. Tín hiệu từ môi trường hoặc các tế bào khác kích hoạt protein gọi là nhân tố phiên mã. Các protein này bám vào vùng điều hòa trên gen và biến đổi mức độ phiên mã gen. Thông qua điều khiển mức độ phiên mã, nó giúp xác định số lượng sản phẩm protein do gen tạo ra ở bất kỳ thời điểm nào.
5. Đo đạc định lượng
Biểu hiện của một gen cụ thể có thể được ước định gián tiếp bằng công nghệ vi mảng DNA. Nó thể hiện số liệu thô về độ tập trung của tế bào tùy theo loại RNA thông tin. Thông thường là vài ngàn tế bào trong cùng một thời điểm. Các biểu hiện gen thường ổn định sau giai đoạn sao mã. Do đó, tăng độ tập trung mRNA không đồng nghĩa với việc tăng độ biểu hiện.
Một phương pháp khác đo độ biểu hiện gen nhạy và chính xác hơn là phản ứng chuỗi polymeraza thời gian thực. Đường cong được tạo ra cho phép đo tuyệt đối số lượng bản sao mRNA trên mỗi nanolitre của homogenized tissue. Hoặc số lượng bản sao mRNA trên tổng số poly-adenosin RNA. Mức độ biểu hiện gen được đo bằng cách kết hợp protein mong muốn với protein thông báo khác. Ví dụ như protein lân quang lục hay enzyme beta-galactosidaza. Nhờ đó, mức độ biểu hiện của protein thông báo được định lượng trực tiếp nhờ kĩ thuật chuẩn hóa có sẵn.
6. Điều tiết biểu hiện gen
Quá trình điều khiển biểu hiện gen là khả năng điều chỉnh số lượng và thời gian xuất hiện của các hàm chức năng trong một gen. Điều này có thể xảy ra ở bất kỳ giai đoạn nào. Từ sao mã DNA-RNA đến biến đổi hậu phiên dịch protein. Việc điều hòa gen định hình cấu trúc và chức năng của tế bào là cơ sở cho phân dị tế bào, đồng hình di truyền và sự thích nghi của sinh vật. Không phải mọi gen đều có biểu hiện liên tục. Mức độ biểu hiện gen thay đổi theo tế bào và giai đoạn chu trình tế bào. Điều này phụ thuộc vào chức năng của tế bào và cấu trúc gen đang hoạt động.
Hoạt tính của gen khác nhau theo chức năng tế bào. Động vật có xương sống như chuột có tới 200 loại tế bào được phân hóa với đa dạng chức năng. Mọi tế bào đều chứa thông tin di truyền. Đa số hoạt tính của gen đều được điều hòa ở mức độ phiên mã. Bao gồm cả những tín hiệu bên trong và phản ứng với các tác động từ bên ngoài. Tuy nhiên, các thông tin được điều hòa bằng nhiều cách khác nhau. Các bước điều khiển hoạt động gen bao gồm:
- Cấu trúc lại DNA với các biểu hiện gen thay đổi phụ thuộc vào vị trí trình tự DNA trong genome.
- Điều hòa phiên mã trong tổng hợp bản phiên mã RNA nhờ khả năng điều khiển mở đầu và kết thúc.
- Chế biến RNA hoặc điều hòa nhờ quá trình cắt – nối trên RNA (RNA splicing).
- Điều hòa dịch mã quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid.
- mRNA bền vững
Sự khác nhau trong điều khiển gen được biểu hiện điển hình ở Eukaryote và Prokaryote.
Prokaryote
Prokaryote là các cơ thể đơn bào sống tự do, sinh trưởng và phân chia trong môi trường phù hợp. Đồng thời, cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng. Các hoạt động điều hòa của gen được thực hiện nhằm thích nghi với môi trường hiện tại và duy trì hoạt động sống cần thiết.
Eukaryote
Eukaryote là các cơ thể đa bào. Không chỉ sinh trưởng và phân chia, tế bào thế hệ sau còn có những thay đổi về hình thái và hóa sinh. Từ đó, eukaryote có thể duy trì tính đặc thù trong môi trường biến đổi hơn và phát triển nhờ phân hóa tế bào. Trong quá trình phát triển phôi, tế bào eukaryote ít chịu tác động của môi trường hơn so với vi khuẩn. Cuối cùng, ở cơ thể trưởng thành, phần lớn quá trình sinh trưởng và phân chia tế bào đều bị ngừng. Mỗi tế bào chỉ duy trì các tính chất riêng biệt của nó.
7. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biểu hiện gen, hình thành nên kiểu hình. Dưới đây là một số yếu tố tác động đã được BCC tổng hợp.
7.1 Mức ngoại hiện và độ biểu hiện
-
Khả năng xâm nhập
Khả năng xâm nhập là tỷ lệ phần trăm người mang alen và phát triển kiểu hình tương ứng. Alen có mức độ xâm nhập không hoàn toàn có thể không biểu hiện tính trạng ngay lập tức. Dù nó chiếm ưu thế hoặc là tính trạng lặn với kiểu gen quy định trên cả hai nhiễm sắc thể. Trong cùng một gen có mức ngoại hiện có thể biến đổi giữa các cá thể và chịu ảnh hưởng bởi độ tuổi cá thể. Kể cả khi alen bất thường không được biểu hiện, người mang nó không bị ảnh hưởng vẫn có thể truyền cho con cái. Những người gặp bất thường trên lâm sàng. Khi đó, tính trạng sẽ cách một thế hệ không xuất hiện.
Tuy nhiên, có các trường hợp không biểu hiện. Chúng có thể xuất phát từ những đánh giá chủ quan từ nhà nghiên cứu hoặc đột biến nhỏ đến mức không nhận ra. Những biểu hiện nhỏ đó là bất thường không điển hình.
-
Độ biểu hiện
Độ biểu hiện biểu hiện tính trạng gen tại một cá thể cụ thể. Chẳng hạn như nếu độ biểu hiện gen là 50%. Tức là chỉ có một nửa đặc trưng liên quan sẽ xuất hiện. Hoặc mức độ của chúng chỉ đạt một nửa so với biểu hiện đầy đủ. Nó cho thấy mức độ biểu hiện có thể biến đổi, tùy thuộc vào môi trường và các gen khác. Bởi vậy, ngay cả những người có gen cơ bản cũng có các biểu hiện khác nhau liên quan đến tính trạng gen. Nó còn được thể hiện thông qua những biểu hiện gen khác biệt giữa các thành viên trong một gia đình.
Kiểu hình của gen là cách gen được biểu hiện. Nó phụ thuộc vào mức ngoại hiện, độ biểu hiện của gen và cá thể đang xem xét. Mức ngoại hiện đánh giá khả năng biểu hiện gen. Tức là số người mang gen đó có thể biểu hiện tính trạng liên quan. Mức độ biểu hiện xác định mức độ tác động của tính trạng hoặc số lượng đặc điểm liên quan đến gen xuất hiện. Mức độ biến đổi từ đầy đủ đến không đáng kể, thậm chí không biểu hiện. Một số yếu tố khác ảnh hưởng đến biểu hiện như: hiệu chỉnh gen, tiếp xúc với chất độc hại, môi trường và độ tuổi.
Cả mức ngoại hiện và độ biểu hiện có thể biến đổi trên người mang gen có tính trạng và không có tính trạng liên quan. Điều này khiến biểu hiện gen trở nên đa dạng và phức tạp.
7.2 Sự di truyền chịu ảnh hưởng của giới tính
Một tính trạng chỉ biểu hiện trong một giới tính gọi là tính trạng di truyền chịu ảnh hưởng của giới tính. Nó có nhiều điểm khác biệt với di truyền trên nhiễm sắc thể X. Sự di truyền chịu ảnh hưởng của giới tính đề cập đến các trường hợp đặc biệt. Trong đó, sự khác biệt về hoóc môn và sinh lý giữa nam và nữ khiến độ biểu hiện và mức ngoại hiện thay đổi. Chẳng hạn bệnh hói đầu sớm là tính trạng trội di truyền trên nhiễm sắc thể thường. Tuy nhiên, nó hiếm gặp ở nữ giới và thường chỉ xuất hiện thời kỳ sau mãn kinh.
7.3 Dấu ấn gen
Dấu ấn gen biểu hiện sự khác biệt giữa các vật liệu di truyền. Nó phụ thuộc vào các tính trạng di truyền từ cha hay mẹ. Đa phần nhiễm sắc thể thường, các alleles từ cha hay mẹ đều có biểu hiện gen giống nhau. Tuy nhiên, trong dưới 1% của allele, biểu hiện chỉ có được từ alen của ngưBài viếtời mẹ hoặc mẹ. Chẳng hạn như biểu hiện gen IGF2 mã hóa cho insulin với allele từ bố. Dấu ấn gen thường tác động trong quá trình phát triển của giao tử.
Biến đổi điển hình là methyl hóa ADN. Nó khiến alen từ mẹ hoặc bố có mức độ biểu hiện khác nhau. Những bất thường có thể cách thế hệ khi dấu ấn gen ngăn allele gây bệnh biểu hiện tính trạng. Thiếu hụt dấu ấn gen như hoạt động bất thường hoặc bất hoạt allele gây bệnh. Ví dụ như hội chứng Prader-Willi, Angelman,…
7.4 Hiện tượng đồng trội
Các allele trội có thể quan sát được. Bởi vậy, kiểu hình của dị hợp tử khác với đồng hợp tử của riêng allele. Chẳng hạn, một người có allele mã hóa cho nhóm máu A và allele mã hóa cho nhóm máu B. Khi đó, nhóm máu của họ là nhóm máu AB. Bởi allele đồng trội quy định nhóm máu.
Xem thêm:
- Công nghệ Gen: Kỹ thuật mũi nhọn cho mọi đột phá
- Đột biến gen là gì? Ý nghĩa và ứng dụng trong cuộc sống
7.5 Sự bất hoạt của nhiễm sắc thể
Phụ nữ có 2 (hoặc, với bất thường nhiễm sắc thể giới tính,> 2) nhiễm sắc thể X (trừ trứng). Tất cả trừ một nhiễm sắc thể X bị bất hoạt. Điều này có nghĩa là đa phần alen trên nhiễm sắc thể đó không biểu hiện tính trạng. Nhiễm sắc thể bất hoạt được xác định ngẫu nhiên và riêng lẻ từ giai đoạn đầu của bào thai. Đôi khi, nhiễm sắc thể X bị bất hoạt từ mẹ. Hoặc có thể là nhiễm sắc thể X từ cha. Hoặc phần lớn quá trình bất hoạt nhiễm sắc thể X từ cha mẹ. Nó được gọi là bất hoạt lệch nhiễm sắc thể X. Một khi bất hoạt diễn ra trong tế bào, tất cả thế hệ kế tiếp đều có cùng một X bất hoạt.
Thế nhưng, một số allele trên X bất hoạt vẫn được biểu hiện. Đa phần alen này nằm trên vùng nhiễm sắc thể tương đồng giữa X và Y. Bởi vậy, nó được gọi là vùng giả nhiễm sắc thể thường, có được ở cả nam và nữ.
8. Tạm kết
Biểu hiện gen là quá trình quyết định cách thông tin di truyền trong DNA được “đọc” và thể hiện ra ngoài. Nó có tác động lớn đến đặc điểm và chức năng của sinh vật. Biểu hiện gen còn đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y học. Nhờ đó, nhà nghiên cứu có thể hiểu hơn về các bệnh di truyền và phát triển phương pháp điều trị hiện đại. Ngoài ra, biểu hiện gen cũng hỗ trợ quá trình phát triển và thích nghi của các loài trong quá trình tiến hóa. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Tế bào trong mọi lĩnh vực.
