Nouvelle page 4

Mỗi tế bào trong cơ thể của một sinh vật đa bào đều nhận trọn vẹn một bộ nhiễm sắc thể, một bản sao của ADN trong tế bào ban đầu mà từ đó sinh vật phát triển. Các trình tự nucleotid của ADN nầy chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền, đó chính là cơ sở của tiến hóa tế bào. Dù cho mỗi tế bào trong cơ thể nhận được một bộ thông tin giống nhau nhưng tế bào nầy khác với các tế bào kia và mỗi tế bào hoạt động theo những phương thức hoàn toàn khác nhau. Thật vậy, chỉ có một số gen trong bộ gen của tế bào là sản xuất protein và ở từng thời điểm chỉ có vài phần trăm ADN nầy hoạt động. Chúng ta đã thấy nhiều sự điều chỉnh nhỏ hóa học của tế bào bằng sự thay đổi trong hoạt động của các enzim, nhưng những điều chỉnh lớn đòi hỏi sự thay đổi biểu hiện của gen trong tế bào.

Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát tính logic và cơ chế của sự kiểm soát gen, một quá trình mà ngày nay chúng ta đã biết có những chất hóa học liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với ADN hoặc mARN.

Trước đây các nhà nghiên cứu về sự biểu hiện của gen ở vi khuẩn đã đưa ra nhiều giả định về quá trình mà họ tìm hiểu. Thứ nhất, chỉ những gen mà sản phẩm của chúng cần thiết ở thời điểm đó mới được biểu hiện. Thứ hai, vì hầu hết các gen mã hóa cho một enzim mà enzim kiểm soát chỉ một bước trong quá trình sinh hóa, nên các gen mã hóa cho nhiều enzim trong cùng quá trình phải được kiểm soát thành một nhóm.

Những giả định này đã được chứng minh là đúng trong nhiều trường hợp phiên mã ở vi khuẩn. Mô hình đầu tiên về sự kiểm soát gen được hình thành từ các nghiên cứu trên vi khuẩn đường ruột E. coli.

Trong một công trình nghiên cứu kéo dài về sự tổng hợp protein ở E. coli, từ cuối những năm 1940, hai nhà sinh hóa người Pháp là François Jacob và Jacques Monod đã xây dựng một mô hình gen điều hòa trong tế bào vi khuẩn. Họ tập trung vào (-galactosidaz là loại enzim xúc tác sự phân giải lactoz thành glucoz và galactoz.

Lactoz không phải lúc nào cũng có sẵn cho E. coli. Vì vậy gen qui định (-galactosidaz thường được phiên mã với một tỉ lệ rất thấp. Jacob và Monod nhận thấy rằng sự sản xuất thêm loại enzim tiêu hóa này thường được mở đầu bởi sự có mặt của một chất gọi là chất cảm ứng (inducer), trong trường hợp này là allolactoz, một dẫn xuất của lactoz, được sản xuất tự động trong tế bào khi có lactoz. Như vậy (-galactosidaz là một enzim cảm ứng (inducible enzim).

Jacob và Monod đã chứng minh được sự tham gia của 4 gen trong việc sản xuất (- galactosidaz và 2 enzim khác tham gia vào sự phân giải lactoz: có 3 gen gọi là gen cấu trúc (structure gen), mỗi gen chuyên biệt cho trình tự acid amin của một loại enzim, và một gen điều hòa (regulator gen) kiểm soát hoạt động của các gen cấu trúc. Họ giả định rằng gen điều hòa nằm ngoài các gen cấu trúc, điều khiển tổng hợp chất ức chế (repressor) là một loại protein ngăn cản sự phiên mã của các gen cấu trúc.

Jacob và Monod cũng khám phá ra rằng có một vùng đặc biệt của ADN, nằm giữa vùng khởi động (promotor) và các gen cấu trúc của (- galactosidaz xác định khi nào sự phiên mã của gen được tiến hành. Họ gọi vùng đặc biệt này là vùng chỉ huy (operator) và tập hợp của vùng chỉ huy và ba gen cấu trúc được gọi là operon. Khi chất ức chế gắn vào vùng chỉ huy, ARN polymeraz không bám được vào vùng khởi động của ADN và sự phiên mã bị ngừng lại (Hình 1 A).

Nếu có mặt chất cảm ứng, nó sẽ liên kết với chất ức chế gây ra một sự thay đổi hình thể của chất ức chế làm chúng không thể gắn vào vùng chỉ huy. Nói cách khác, chất cảm ứng làm bất hoạt chất ức chế (Hình 1 B). Lúc này khi được tự do liên kết với vùng khởi động, ARN polymeraz có thể mở đầu sự phiên mã của các gen cấu trúc để tổng hợp mARN (Hình 1C). Phân tử mARN có mang thông tin của cả ba gen cấu trúc, chúng bám vào các ribô thể trong tế bào chất, tại đây thông tin của chúng được giải mã và ba enzim cần thiết cho sự biến dưỡng lactoz được tổng hợp.

Không phải tất cả các operon đều được điều hòa theo cách thức giống như lac operon (một loại operon cảm ứng), nghĩa là nó bất hoạt cho đến khi được bật lên bởi một chất cảm ứng. Nhiều operon hoạt động liên tục trừ phi bị đóng lại bởi một chất đồng ức chế (corepressor). Một thí dụ là operon mà 5 gen cấu trúc của nó mã hóa cho các enzim cần thiết để tổng hợp acid amin tryptophan. Bình thường operon này hoạt động nhưng khi E. coli được nuôi cấy trong môi trường có tryptophan thì operon đóng lại. Các enzim được mã hóa bởi các gen mà bình thường thì hoạt động nhưng có thể bị ức chế được gọi là enzim ức chế (repressible enzim). Trong trường hợp này, protein ức chế được mã hóa bởi gen điều hòa sẽ không hoạt động lúc mới được tổng hợp. Chỉ khi có một chất đồng ức chế gắn vào và hoạt hóa nó làm nó có thể gắn vào operon, do đó cản trở sự bám của ARN polymeraz (Hình 2). Không giống các enzim cảm ứng chỉ được tổng hợp nếu operon của chúng được kích hoạt bởi một chất cảm ứng, các enzim ức chế được tổng hợp tự động trừ phi operon của chúng bị đóng bởi một chất đồng ức chế. Trong sự tổng hợp tryptophan, chính tryptophan hoạt hóa protein ức chế, làm cho nó có thể gắn vào vùng chỉ huy.

Một chất cảm ứng thường hoặc là cơ chất đầu tiên trong quá trình sinh hóa hoặc là một số chất có quan hệ mật thiết với cơ chất đó. Ngược lại một chất đồng ức chế thường là sản phẩm cuối cùng của quá trình sinh hóa hoặc là một chất có quan hệ mật thiết với quá trình đó.

Cả hai trường hợp chúng ta vừa thảo luận là những thí dụ của sự kiểm soát âm tính: một chất ức chế gắn vào vùng chỉ huy làm đóng sự phiên mã. Trong một trường hợp thì sự kiểm soát do sự khử hoạt tính của chất ức chế bởi một chất cảm ứng và trong một trường hợp khác là do sự hoạt hóa nó bởi một chất đồng ức chế. Sự kiểm soát âm tính dù loại này hoặc một loại kia là cách phổ biến nhất về sự điều hòa biểu hiện của gen ở nhóm sơ hạch. Tuy nhiên, một vài hệ thống được điều hòa bởi sự kiểm soát dương tính: một protein kiểm soát gắn trực tiếp vào ADN để hoạt hóa operon.

Bây giờ chúng ta hãy xem hệ thống kiểm soát dương tính làm việc như thế nào?

Chúng ta đã thấy rằng ARN polymeraz nhận biết và gắn vào trình tự của vùng khởi động kế cận vùng chỉ huy. Vùng khởi động của nhiều gen thường có các trình tự nucleotid giống hệt nhau (trình tự phổ biến). Các gen mà vùng khởi động có trình tự khác với trình tự phổ biến thường ít được phiên mã vì ARN polymeraz sẽ gắn vào chúng một cách lỏng lẽo. Trong sự kiểm soát dương tính của những gen như vậy, một protein kiểm soát được gọi là yếu tố phiên mã (transcription factor-TF) gắn vào vùng hoạt hóa (activator) ở phía trước vùng khởi động củng cố trình tự của vùng nầy, giúp cho polymeraz gắn vào và làm cho sự phiên mã thuận lợi hơn.

Trong kiểu thứ nhất, một chất hóa học gắn vào TF, gây biến dạng và hoạt hóa TF, giúp nó có thể gắn vào ADN và làm thuận lợi cho sự phiên mã. Thí dụ một TF thường gặp là CAP (catabolic gene activator protein: protein kích động gen biến dưỡng) của E. coli. Khi glucoz, một thức ăn được (ưa thích( của vi khuẩn (nghĩa là được biến dưỡng nhanh chóng và hiệu quả nhất), trở nên khan hiếm, một chất liên lạc là AMP vòng được sản xuất. AMP vòng gắn vào và hoạt hóa CAP, sự phiên mã của các operon biến dưỡng các chất dinh dưỡng tăng lên nhanh chóng (Hình 3).

Trong kiểu thứ hai, một protein kiểm soát bình thường thì hoạt động nhưng bị bất hoạt khi có một phân tử nhỏ gắn vào. Khi bị bất hoạt, protein này không thể giúp ARN polymeraz gắn vào trình tự của vùng khởi động và vì vậy sự phiên mã bị giảm đến tối thiểu . Thí dụ tín hiệu AMP vòng, thông qua CAP, hoạt hóa các operon của những gen tiêu hóa các chất dinh dưỡng, đồng thời làm bất hoạt protein TF. Lúc này hệ thống biến dưỡng các nguồn thực phẩm được hoạt hóa và hệ thống biến dưỡng glucoz tạm thời bị ngưng hoạt động.

Như ta đã biết ở chương 6, nhiễm sắc thể bao gồm ADN và protein. Protein của nhiễm sắc thể gồm hai loại: histon và phi histon.

Một số bằng chứng cho thấy histon thành phần chủ yếu của thể nhân có thể tham gia vào sự biểu hiện gen nhưng vai trò của chúng có vẻ thụ động : với lõi là thể nhân, sự phiên mã không thể tiến hành vì sự duỗi xoắn là cần thiết để ARN polymeraz gắn vào ADN.

Những bằng chứng gần đây nhất cho thấy rằng các protein phi histon giữ vai trò quan trọng hơn nhiều, như là các tác nhân chọn lọc trong sự điều hòa gen. Một số protein này được gắn trực tiếp vào ADN trong khi một số khác được liên kết với lõi của thể nhân. Chúng biểu hiện rất đa dạng vì vậy chúng có tính chuyên biệt cần thiết của các yếu tố kiểm soát. Hơn nữa, các protein phi histon dường như tham gia rất ít trong cấu trúc của chất nhiễm sắc, nên có lẽ vai trò của chúng là điều hòa. Ít nhất một vài protein phi histon liên kết với những vùng kiểm soát chuyên biệt trong ADN làm nới lỏng các vòng (loop) của nhiễm sắc thể.

Tổ chức của nhiễm sắc thể ở tế bào chân hạch đã được phát hiện phần lớn nhờ vào kỹ thuật lai ADN (ADN hybridization). Các kỹ thuật lai ADN đã cho thấy rằng lịch sử tiến hóa của nhiễm sắc thể nhóm sơ hạch và ở nhóm chân hạch rất khác nhau. Có lẽ sự tương phản rõ nhất là bộ gen (genome) của nhóm chân hạch có các trình tự không bao giờ phiên mã, các trình tự này có nhiều bản sao. Chẳng hạn khoảng 10% của phần lớn ADN trong tế bào chân hạch chứa các trình tự baz được tìm thấy không phải chỉ một mà là hàng ngàn lần trong bộ gen, nên được gọi là ADN có trình tự lặp lại cao.

Có ít nhất 4 loại ADN kiểu nầy. Loại thứ nhất bao gồm các bản sao của loại trình tự ngắn nằm ở tâm động (centromere) và ở nhánh nhiễm sắc thể (chromosome arm), đặc biệt là ở đầu tận cùng (telomere) (Hình 4A). Các ADN nầy không bao giờ phiên mã, chức năng của chúng là làm thuận lợi hơn các bước đặc biệt trong quá trình phân chia tế bào và duy trì sự bền vững của nhiễm sắc thể.

Loại thứ hai có các đơn vị lặp lại dài, nối tiếp nhau. Những vùng này có mang gen mã hóa cho rARN nhỏ nhất là 5S ARN (Hình 4B). Trong một công trình nghiên cứu ở các loài ếch, mỗi gen 5S được kết hợp với một vùng phi chức năng gọi là gen giả (pseudogene) và một đoạn đệm (spacer) rất dài. Gen giả và đoạn đệm cũng không bao giờ được phiên mã (phần lớn các vùng này trên nhiễm sắc thể dường như không giữ nhiệm vụ gì). Phần lớn tế bào chân hạch có khoảng 25.000 bản sao của trình tự này.

Loại thứ ba có các trình tự của vài ngàn baz và được tìm thấy hàng chục ngàn lần trong các nhiễm sắc thể của tế bào chân hạch. Chức năng của chúng đến nay vẫn chưa rõ (Hình 4C).

Loại thứ tư tương đối ngắn (300 cặp baz) rãi rác suốt bộ gen. Loài người có khoảng 500.000 bản sao của trình tự này, đó là một gen nhảy (transposon) được sinh sản và lan rộng, hầu như không thể kiểm soát ở một số giai đoạn trong quá trình tiến hóa, dường như không có chức năng.

Khoảng 20% bộ gen của nhóm chân hạch có chứa ADN có trình tự lặp lại trung bình. Mỗi trình tự này được tìm thấy hàng trăm lần và gồm 2 loại. Loại thứ nhất là một trình tự lặp lại nối tiếp của một số gen; đặc biệt là các gen qui định 3 loại rARN được lặp lại nối tiếp theo thứ tự rARN 18S, rARN 6S, rARN 28S, một đoạn đệm dài, 18S, 6S, 28S, đoạn đệm dài ... (Hình 4D ). Vì mỗi ribô thể phải có một trong bốn loại rARN nên khi các ribô thể được cần đến, đoạn nhiễm sắc thể có trình tự nầy được sao chép lặp lại (không phụ thuộc vào các phần còn lại của nhiễm sắc thể) tạo ra một vùng polyten gồm 25-250 bản sao của vùng lặp lại. Quá trình này dẫn đến kết quả là làm tăng tổng số 25.000 bản sao của mỗi gen trong các tế bào hoạt động. Ðoạn nhiễm sắc thể được sao chép lặp lại tạo thành một cấu trúc là hạch nhân.

Loại thứ hai lạ hơn, khác biệt rất lớn về kích thước và tần số giữa các loài. Những trình tự này (khoảng 5.000 loại khác nhau) chỉ dài từ 300-3.000 baz, bằng 1/10 chiều dài của gen chức năng. Mỗi loại nằm rãi rác trên nhiễm sắc thể giữa các gen chức năng ở 30-500 vị trí khác nhau ( Hình 4E ).

Mặc dù 70% của một bộ gen nhóm chân hạch chứa các trình tự sao chép đơn (Hình 4F ), phần lớn ADN nầy không bao giờ được phiên mã; hầu hết là các gen giả. Khi các nhà nghiên cứu tính toán số lượng các intron được cắt bỏ sau khi phiên mã, họ đặc biệt thấy rằng chỉ khoảng 1% của ADN ở nhóm chân hạch mã hóa cho mARN chức năng.

a. Các kiểu hoạt động của nhiễm sắc thể ở nhóm chân hạch

Những nghiên cứu tế bào học cho thấy cấu trúc bên trong của một nhiễm sắc thể không đồng nhất và sự khác biệt nầy phản ánh hoạt động của gen. Thí dụ một số vùng của nhiễm sắc thể bắt màu rất nhạt với phẩm nhuộm kiềm, trong khi những vùng khác bắt màu đậm. Những vùng không bắt màu được gọi là vùng đồng nhiễm sắc chất (euchromatin) và các vùng bắt màu là vùng dị nhiễm sắc chất (heterochromatin). Trong vài năm qua, bản đồ nhiễm sắc thể đã cho thấy vùng đồng nhiễm sắc chất mang các gen hoạt động trong khi vùng dị nhiễm sắc chất không hoạt động.

Lúc đầu một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng các vùng dị nhiễm sắc chất không mang gen, chỉ giữ vai trò đơn giản là thành phần cấu trúc của nhiễm sắc thể. Ðiều nầy có lẽ đúng đối với vùng dị nhiễm sắc chất có trình tự các baz lặp lại cao nằm chung quanh tâm động. Nhưng phần lớn các vùng dị nhiễm sắc chất không thiếu gen, mà đơn giản là các gen (thường là một dãy nhiều gen) không hoạt động. Thí dụ: nhiều vùng dị nhiễm sắc chất ở sinh vật trưởng thành là vùng đồng nhiễm sắc chất ở những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển.

Ngay cả trong vùng đồng nhiễm sắc chất, chỉ vài gen cách xa nhau có thể hoạt động; còn sự tập hợp các gen gần nhau thành operon như ở vi khuẩn thì hiếm có ở nhóm chân hạch. Thật vậy, trong nhiều trường hợp các enzim có chức năng tương tự được mã hóa bởi các gen cách xa nhau. Các gen qui định hai chuỗi polypetid của một protein (chẳng hạn như chuỗi ( và ( của hemoglobin) thường nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau.

b. Nhiễm sắc thể chổi đèn và các chỗ phình trên nhiễm sắc thể

Ở nhiều động vật có xương sống các tế bào trứng đang phát triển tổng hợp một lượng lớn mARN để sử dụng về sau và hoạt động nầy có thể quan sát được với một kính hiển vi tương phản pha. Ðoạn nhiễm sắc thể có mang các gen được phiên mã lặp lại (các vùng đồng nhiễm sắc) tạo thành các vòng (loop) ở hai bên trục chính của nhiễm sắc thể trong khi những vùng khác thắt chặc. nhiễm sắc thể với nhiều vòng được gọi là nhiễm sắc thể chổi đèn (lampbrush chromosome).

Các nhiễm sắc thể đa sợi (nhiễm sắc thể không lồ) ở tế bào tuyến nước bọt của ấu trùng ruồi (Diptera) được xem như là sự sắp xếp của các nhiễm sắc thể được sao chép và dính vào nhau. Ðể tạo ra một nhiễm sắc thể đa sợi cần có khoảng 10 chu kỳ

sao chép, tạo ra 1.024 bản sao của mỗi gen. Kết quả là khả năng tổng hợp nhanh một lượng lớn ARN. Khi các vùng trên nhiễm sắc thể nầy hoạt động, tất cả các phân tử ADN tương tự thành lập các vòng ở những vùng nầy, làm nhiễm sắc thể phình lên, có thể quan sát rõ dưới kính hiển vi. Vị trí của các chỗ phình trên nhiễm sắc thể khác nhau tùy loại mô, tùy giai đoạn phát triển. Tuy vậy ở mỗi thời điểm, các tế bào của cùng một mô có cùng một kiểu phình của nhiễm sắc thể.

Chỗ phình là vị trí của các gen hoạt động và là nơi tổng hợp ARN tích cực. Như vậy, các chỗ phình cho thấy tác động của môi trường ngoài nhân tác động đến cách thức hoạt động của gen. Thí dụ, nếu ecdyson (loại hormon gây ra sự lột xác ở côn trùng) được tiêm vào ấu trùng của ruồi, các nhiễm sắc thể sẽ nhanh chóng biến đổi kiểu phình của chúng, giống như kiểu tiêu biểu ở thời điểm lột xác của những cá thể bình thường không xử lý hormon. Nếu việc xử lý bị ngừng, đặc điểm của các chỗ phình nầy biến mất. Nếu được xử lý lại chúng sẽ tái xuất hiện. Sự phình có thể bị ngăn cản hoàn toàn bằng cách xử lý với actinomycin (chất ức chế sự tổng hợp acid nhân).

Tế bào phân chia nhanh trong một cơ thể đang phát triển phải có cách để duy trì kiểu nới lỏng các vòng và hoạt động của gen tạo cho chúng hóa tính thích hợp với loại mô của chúng. Có những bằng chứng chắc chắn rằng kiểu mẫu của đồng nhiễm sắc chất và dị nhiễm sắc chất có thể được truyền trực tiếp từ một tế bào mẹ đến hai tế bào con bằng một quá trình gọi là sự in dấu (imprinting). Một thành phần của hệ thống in dấu nầy ở động vật có xương sống là sự methyl hóa cytosin trong trình tự C-G ở những gen không hoạt động. Sự methyl hóa có thể chuyển các kiểu hoạt động đến các tế bào con : vì chỉ có trình tự C-G có thể bị methyl hóa bởi enzim và vì C-G luôn luôn bắt cặp với G-C trên một sợi khác nên kiểu methyl hóa tồn tại trên cả hai sợi của ADN: m

(Chữ m để chỉ cytosin đã bị methyl hóa bằng cách thêm vào một nhóm (CH3).

Sự sao chép tạo ra một cấu trúc lai ở những nơi ADN bố mẹ bị methyl hóa

Một loại enzim đặc biệt là methylaz tác dụng vào ADN có cytosin bị methyl hóa trong trình tự C-G và methyl hóa cytosin tương ứng trên sợi mới. Như vậy, cách thức của sự methyl hóa (sự bất hoạt của gen) được truyền lại nguyên vẹn. Tuy nhiên, nếu cả hai nhóm methyl tại một vị trí tình cờ bị mất, hoạt động của gen bị biến đổi ở tế bào con. Có bằng chứng chắc chắn rằng một số vấn đề có liên quan đến sự lão hóa là do sự methyl hóa mất dần theo thời gian và từ đó dẫn tới sự hoạt hóa của những gen không thích hợp trong tế bào. Sự khử methyl hóa trong các giao tử có thể truyền kiểu hoạt hóa gen sai đến thế hệ con và ngày nay nhiều bệnh được xem là do các sai sót trong sự in dấu nầy.

Sự nới lỏng các vòng của nhiễm sắc thể (yếu tố đầu tiên cần thiết cho sự phiên mã) được hiểu biết rất ít. Vài chất hóa học như ecdyson có thể tạo ra những thay đổi chính trong sự tạo vòng nhưng chúng hoạt động như thế nào vẫn còn là một bí mật. Tuy nhiên những kiến thức về cơ sở của sự điều hòa gen trong sự nới lỏng các vòng đang phát triển nhanh chóng.

Như chúng ta đã nói, nhóm chân hạch phụ thuộc chủ yếu vào sự kiểm soát dương tính: sự phiên mã chỉ xảy ra khi có sự giúp đỡ tích cực của yếu tố phiên mã để giúp polymeraz gắn vào vùng khởi động. Ngoài ra, nhóm chân hạch kiểm soát sự gắn TF bằng sự chuyên biệt gen từ hai vùng khác nhau trên nhiễm sắc thể.

Vùng kiểm soát thứ nhất là một vùng cảm ứng (inducer region) nằm ngay phía trên trình tự của TF (Hình 5A). Nó bao gồm một hoặc nhiều điểm cá biệt mà protein kiểm soát chuyên biệt có thể gắn vào. Một vài phân tử kiểm soát nầy giúp cho protein TF gắn vào (Hình 5B), trong khi một số khác ngăn cản lại.

Một vùng khác cách xa vài ngàn nucleotid nằm trên cùng vòng. Nó là tập hợp của các điểm gọi là vùng tăng cường (enhancer region). Những điểm nầy biểu hiện ảnh hưởng của chúng khi vòng cuộn lại làm cho cả vùng nầy tiếp xúc với vùng khởi động và các điểm cảm ứng. Một số gen tăng cường giúp gắn các protein TF, do đó giúp cho sự gắn polymeraz, một số trực tiếp giúp polymeraz gắn vào. Còn một số khác thêm 1 protein gọi là yếu tố mở đầu (initiation factor) vào phức hệ polymeraz. (Hình 5C). Yếu tố mở đầu tăng cường mạnh mẽ hiệu quả của polymeraz trong sự phiên mã (Hình 5D, E). Các chất điều hòa khác có thể gắn vào vùng tăng cường làm kìm hãm 1 trong các bước nầy.

Những thảo luận của chúng ta về các cơ chế kiểm soát ở mức tế bào đã tập trung phần lớn vào sự điều hòa số lượng mARN được tổng hợp. Nhưng còn nhiều điểm khác trong dòng thông tin của tế bào, nơi sự kiểm soát có thể được thực hiện. Thí dụ: một số phiên bản sơ cấp có thể được xử lý theo nhiều cách, tạo ra các sản phẩm hơi khác nhau, tùy theo nhu cầu của tế bào. Chẳng hạn ở ruồi giấm Drosophila, cách thức nối của một mARN kiểm soát sự biểu hiện của một nhóm gen giúp cho sự phát triển thành ruồi đực hoặc ruồi cái. Hiện tượng nầy xảy ra khi phức hệ chuẩn bị để nối đầu tận cùng của exon 3 với chỗ bắt đầu của exon kế tiếp. Nếu một gen đặc biệt (transformer hay là tra) được biểu hiện đầy đủ, nó làm cho exon 4 được thêm vào nhưng lại đình chỉ sự kết hợp sau đó. Nếu sản phẩm của gen Tra không sẵn sàng, exon 4 bị bỏ qua và tất cả các exon còn lại nối lại bình thường. Chính sản phẩm tra được tạo

ra để đáp ứng các tín hiệu trong nhân, phản ánh sự phát triển của sinh vật là con đực hay con cái (Hình 6).

Ngay cả sau khi nối lại, hầu như phân nửa số mARN trưởng thành được sản xuất trong nhân của phần lớn các tế bào không bao giờ đến tế bào chất để giải mã. Phải có một hệ thống có thể ngăn chận một cách chọn lọc sự chuyển các phân tử mARN chuyên biệt từ nhân vào tế bào chất, có thể để đáp ứng với những dấu hiệu hóa học phản ánh các nhu cầu của tế bào. Ngay cả khi mARN đến tế bào chất, nó có thể không được giải mã. Những chất kìm hãm gắn vào mARN trong tế bào chất và ngăn cản chúng gắn vào ribô thể hoặc ngăn cản sự giải mã hoàn toàn. Cách nầy có thể làm giảm đáp ứng của tế bào khi điều kiện thay đổi bằng cách duy trì một số mARN sẵn sàng để bắt đầu hoặc hoàn tất sự giải mã khi có một tín hiệu hóa học thích hợp gắn vào chất ức chế và làm cho nó tách rời mARN. Trong đa số trường hợp, chất ức chế giải mã là một protein, nhưng trong một ít trường hợp, nó là một đoạn của ARN có trình tự bổ sung cho mARN.

Cuối cùng, sự biểu hiện của mARN có thể được điều hòa bởi tốc độ làm chất truyền tin bị phá vỡ: một số loại mARN có thời gian tồn tại lâu trong khi một số khác bị phá hủy chỉ trong vài phút. Ðộ đề kháng của mARN đối với tác dụng của ARN polymeraz được mã hóa ở phần cuối của mARN: một trình tự với phần lớn là adenin và uracil của mARN bị phá hủy trước, trong khi đó trình tự thiếu những nucleotid nầy không bị tiêu hóa. Sự kiểm soát cũng có thể được tiến hành sau khi giải mã: sự tồn tại của protein (nghĩa là kháng được proteaz), được ghi trong trình tự của bán đơn vị và thay đổi từ vài phút đến vài ngày, hay vài năm đối với một số protein cấu trúc. Như chúng ta đã thấy nhiều lần, hoạt động của các enzim được tạo ra bởi sự giải mã thường được điều hòa bởi các chất hoạt hóa hoặc các chất ức chế. Ngay cả tập hợp của một số protein cấu trúc (như collagen chẳng hạn) được điều hòa bởi các tín hiệu hóa học. Vì vậy, sự biểu hiện của một gen trong một số trường hợp có thể được kiểm soát từng bước từ trước khi phiên mã đến sau khi giải mã. Sự thất bại của hệ thống điều khiển nầy có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng, gây ra nhiều thứ bệnh mà quan trọng nhất là ung thư (cancer).

Các nhà sinh học hy vọng học được nhiều về cách hoạt động của hệ thống kiểm soát ở tế bào bình thường bằng việc nghiên cứu xem làm thế nào các hệ thống kiểm soát trong tế bào bình thường trở nên xáo trộn dến mức cho phép các tế bào ung thư phát triển. Ðặc điểm nổi bật nhất của các tế bào ung thư là sự tăng sinh không kìm hãm, kết quả là sự hình thành các khối u ác tính và sự lan rộng của các tế bào nầy từ vùng ban đầu đến các phần khác nhau của cơ thể, một quá trình được gọi là sự di căn (metastasis). Những nghiên cứu các tế bào nầy dẫn đến cách thức ngăn ngừa hoặc xử lý ung thư tốt hơn.

Một trong những cách thích hợp nhất trong việc nghiên cứu tính chất của các loại tế bào đặc biệt là nuôi cấy chúng trong phòng thí nghiệm. Phần lớn các dòng tế bào động vật được nuôi cấy ngừng phân chia khi chúng trở nên đông đúc, hoặc sau một số thế hệ sự đông đúc bị chặn lại (số thế hệ thiì chuyên biệt cho loài và mô). Sự phát triển của các tế bào nuôi cấy cho thấy có hai cơ chế ngăn cản sự phát triển không giới hạn của tế bào trong cơ thể.

Một là phản ứng của tế bào đối với ảnh hưởng của sự đông đúc, được gọi là sự ức chế tiếp xúc (contact inhibition). Khi các thụ thể trong màng tế bào nhận ra các dấu hiệu trong các lớp vỏ tế bào của các tế bào kế cận cùng loại, các thụ thể truyền tín hiệu cho nhân và sự phân bào bị đình chỉ. Tuy nhiên, sự ức chế nầy không tuyệt đối: chẳng hạn khi thêm vào các yếu tố tăng trưởng với nồng độ cao có thể kích thích tiếp sự phân bào ngay cả trong mẻ cấy quá đông.

Cơ chế thứ hai: sự tự ngừngû phân bào sau một số lần phân chia, là một hệ thống độc lập giới hạn sự tăng sinh của tế bào; trong phần lớn các mô hệ thống này hoạt động khi sự ức chế tiếp xúc không hoạt động bình thường. Các tế bào được nuôi cấy tiếp tục phân chia mãi, rơi vào một trong hai trường hợp: hoặc bị mất hệ thống kiểm soát số lần phân chia và tiếp tục phát triển khi số lượng chúng còn ít, hoặc bị mất cả hai hệ thống kiểm soát. Các loại tế bào nầy trở nên bất tử trong môi trường nuôi cấy, trở thành các khối u lành tính (benign tumor) hoặc trở thành ung thư: chúng sẽ phân cắt không ngừng để tạo ra khối mô.

Một đặc tính của tế bào ung thư được nuôi cấy là hầu như luôn luôn có một bộ nhiễm sắc thể không bình thường. Thí dụ các tế bào của một dòng ung thư ở người gọi là HeLa có 70-80 nhiễm sắc thể thay vì bình thường là 46. Ðiều thú vị là các dòng tế bào không ung thư trải qua giai đoạn khủng hoảng trong môi trường và trở nên bất tử cũng có số nhiễm sắc thể phụ trội, và dường như số nhiễm sắc thể này giải phóng các tế bào nuôi cấy vượt qua sự kìm hãm phát triển. Tuy nhiên, trong các mô ung thư của cơ thể, sự gia tăng số lượng nhiễm sắc thể như thế là không điển hình. Thay vào đó, thường có sự sắp xếp lại của các nhiễm sắc thể bình thường. Thí dụ khoảng 90% bệnh nhân Burkitt(s lymphoma (ung thư của tế bào trong hệ thống miễn dịch) đầu của nhiễm sắc thể 8 đã được chuyển đến phần cuối của nhiễm sắc thể 14. Ðiểm gắn trên nhiễm sắc thể 14 gần một gen mã hóa cho một polypeptid của hệ thống miễn dịch, trong khi vùng chuyển vị chứa một gen thường có trong các tế bào ung thư. 10% bệnh nhân của bệnh nầy có các vùng chuyển vị khác trên nhiễm sắc thể 8. Ðiều nầy có nghĩa là vị trí này ở nhiễm sắc thể 8 có một vùng kiểm soát có thể gây ung thư bằng cách kích thích sự phiên mã của các gen đặc biệt nầy.

Bên cạnh những sự khác biệt trong nhân, các tế bào ung thư và các tế bào bình thường còn khác biệt có ý nghĩa về hình dạng tế bào và bản chất của bề mặt tế bào. Thí dụ: các tế bào ung thư nuôi cấy thường có dạng hình cầu, hình dạng này chỉ gặp ở các tế bào bình thường trong một giai đoạn ngắn ngay khi tế bào phân cắt. Ðặc điểm hình dạng nầy có thể là do số vi sợi (microfilament) quá ít, do đó làm cho các tế bào linh động hơn các tế bào bình thường. Thật vậy, phần lớn các tế bào bình thường phải bám vào một bề mặt để phát triển vì chúng cần giá đỡ để thực hiện những chức năng thích hợp. Các tế bào ung thư không bị hạn chế bởi điều kiện nầy và vì vậy chúng có thể phát triển trong các chất dịch hoặc trên bề mặt mềm.

Các tế bào ung thư, với bề mặt khác thường của chúng, không có khả năng phản ứng thích hợp với những thay đổi của môi trường. Ðặc biệt các tế bào ung thư có glycolipid và glycoprotein khác nhau và ít hơn trong lớp vỏ tế bào. Những khác biệt nầy có lẽ có quan hệ với việc thiếu ức chế tiếp xúc bình thường trong sự phân bào và sự mất khả năng nhận biết những tế bào trong cùng loại mô. Sự vắng mặt ái lực tế bào bình thường có thể là một trong những lý do vì sao các tế bào ác tính của nhiều loại ung thư có thể lan rộng (Hình 7).

Ðể di căn trong một cơ thể và cũng để thoát khỏi mô hay cơ quan ban đầu của nó, tế bào ung thư thường phải có khả năng sản xuất và chuyển đến màng của nó một thụ thể gọi là laminin, làm cho tế bào ung thư gắn vào một lớp màng nền cứng nằm dưới hoặc bao quanh mô, cơ quan và mạch máu trong hệ tuần hoàn. Sau đó nó phải tiết ra collagenaz để tiêu hóa lớp màng nầy và làm cho tế bào xuyên qua ranh giới để tạo khối u. Ðặc biệt, khả năng phá vỡ lớp màng bao quanh các mao mạch cho phép các tế bào ung thư lan khắp cơ thể. Vì phần lớn các tế bào bình thường không thể tạo ra laminin cũng như không tiết collagenaz nên các khối u nằm ở vị trí ban đầu và vì vậy chúng lành tính.

Những hiểu biết về ung thư hiện nay cho rằng sự biến đổi một tế bào bình thường thành một tế bào ung thư bao gồm nhiều sự thay đổi: mất đi hệ thống kiểm soát số lần phân bào, mất hoặc giảm sự ức chế tiếp xúc, mất khả năng bám và đôi khi, thay đổi bề mặt tế bào. Nhưng trong nhiều mô, những thay đổi nầy cũng chỉ tạo ra các u lành tính phát triển chậm và rồi ngừng hẳn vì các tế bào không sản xuất tín hiệu hóa học hoặc các tín hiệu tạo mao mạch. Ngay cả khi có mao mạch, khối u cũng không thể di căn nếu không có khả năng gắn và phá hủy lớp màng nền. Tất cả các thay đổi nầy xảy ra là kết quả của một sự kiện di truyền hay mỗi thay đổi là kết quả của một hoặc nhiều sự kiện riêng rẽ?

A. Knudson (Viện nghiên cứu ung thư ở Philadelphia) đã chỉ rõ, nếu sự phát triển của 1 khối u ác tính chỉ do một sự kiện di truyền đơn độc, xác suất một cá thể bị ung thư phải tăng tỉ lệ với tuổi. Thí dụ nếu xác suất bị ung thư da là 1% mỗi năm thì cơ hội mắc bệnh phải là 2% cho người 2 tuổi, 3% cho người 3 tuổi ....

Tuy nhiên, trong thực tế tỉ lệ bị ung thư trong quần thể không tăng theo kiểu tuyến tính nầy. Thay vào đó, ung thư thường là một bệnh của tuổi già. Knudson đã kết luận rằng bệnh ung thư do nhiều sự kiện di truyền độc lập. Ðường cong sẽ là sản phẩm của các xác suất của các sự kiện riêng rẽ. Chắc chắn rằng một số trường hợp ung thư (như ung thư máu, ung thư hệ thống miễn nhiễm) chỉ đòi hỏi 2 hoặc 3 sự kiện di truyền, trong khi một số khác cần từ 4 đến 7. Có sự nhất trí cao là cần 2 đến 7 mức độ kiểm soát tham gia: số lần phân bào nhất định, ức chế tiếp xúc, sự bám, ái lực loại mô, nhu cầu cho các protein gắn màng, enzim tiêu hóa collagen, và sự tạo mao mạch.

Tuy nhiên, chỉ những nghiên cứu thống kê không thể cho chúng ta biết về thành phần của sự kiện di truyền dẫn đến bệnh ung thư, cũng không có nghiên cứu nào cho ta biết hiệu quả chính xác của các sự kiện. Những nghiên cứu gần đây cho thấy phần lớn các bước có dính líu trực tiếp đến sự mất hoặc thiếu mức độ sự kiểm soát. Những dữ liệu tốt nhất của việc nầy đến từ các nghiên cứu trên các gen gây ung thư.

Sự khám phá ra gen gây ung thư có một lịch sử phức tạp. Năm 1910 Peyton Rous (Viện Rockefeller, New York) đã tìm ra siêu khuẩn Rous sarcoma, có thể gây ung thư ở gà. Kết luận của Rous không được công nhận rộng rãi trong nhiều thập kỷ. Ngày nay chúng ta biết rằng tác nhân gây bệnh trong trường hợp nầy là một siêu khuẩn phiên mã ngược (siêu khuẩn phiên mã ngược), chúng sản sinh ra một bản sao cADN từ ARN của nó, rồi tổ hợp vào nhiễm sắc thể của vật chủ. Một vài chủng siêu khuẩn Rous gây ra ung thư nhanh chóng, với tỉ lệ cao vì cADN có mang oncogen (gọi là v-src - v là gen của siêu khuẩn). Sự biểu hiện của gen nầy trong nhiễm sắc thể chủ tạo ra tế bào ung thư. Các siêu khuẩn phiên mã ngược thông thường (những loại không có oncogen) cũng có thể gây ung thư, nhưng chỉ với một tỉ lệ độ thấp và sau một giai đoạn tiềm ẩn dài. Sự phối hợp của cADN vào bộ gen chủ rất ngẫu nhiên và ung thư từ siêu khuẩn phiên mã ngược bình thường chỉ xuất hiện khi sự phối hợp xảy ra gần một trong một số gen đặc biệt ở nhiễm sắc thể chủ, gọi là gen tiền ung thư (proto-oncogene). Có lẽ vùng kiểm soát tích cực trên cADN biến đổi sự biểu hiện của một hoặc nhiều gen nầy. Oncogen là những gen chắc chắn gây ra ung thư; ngược lại, protooncogen có khả năng gây ung thư nhưng cần một vài thay đổi để biến chúng thành oncogen.

Có lẽ khám phá đáng ngạc nhiên nhất về gen gây ung thư v-src là nó đặc biệt giống với một gen bình thường ở gà. Thật vậy, gen bình thường nầy (ký hiệu là c-src để chỉ rằng nó là của tế bào ban đầu) là một gen tiền ung thư, phối hợp của cADN bình thường ở gần c-src có thể gây ung thư. Từ năm 1970 người ta đã khám phá hơn 20 loại siêu khuẩn phiên mã ngược gây ung thư, lây nhiễm ở chim và hữu nhủ, mỗi loại mang một gen gây ung thư gần giống hệt với gen tiền ung thư ở vật chủ bình thường.

Những nghiên cứu các khối u của người được nuôi cấy và các khối u ở động vật không do siêu khuẩn gây nên đã cho thấy những điểm rất giống với các tập tính được quan sát của siêu khuẩn phiên mã ngược: một số thay đổi di truyền làm các tế bào nuôi cấy thành các tế bào ung thư mang các gen gây ung thư như đã tìm thấy trong siêu khuẩn phiên mã ngược gây ung thư. Một số gen gây ung thư không do siêu khuẩn dường như do đột biến ở gen tiền ung thư làm biến đổi, làm mất hoặc thêm vào trình tự của một baz. Một số khác có lẽ là gen tiền ung thư đã được di chuyển khỏi vị trí bình thường và do đó không còn các kiểm soát bình thường của chúng và trở thành các gen gây ung thư. Ngược lại, đột biến lẫn sự chuyển vị xảy ra ở một vùng kiểm soát gần một gen tiền ung thư có thể biến đổi một gen tiền ung thư thành một gen gây ung thư. Sự chuyển vị dường như bao gồm sự di chuyển một gen cấu trúc và vùng kiểm soát của nó đến một bên gen tiền ung thư hoặc sự di chuyển gen tiền ung thư đến bên gen cấu trúc và vùng kiểm soát của nó. Cuối cùng, có các gen kháng ung thư (anti-oncogen) là các gen mã hóa cho các protein khử hoạt tính các sản phẩm của gen gây ung thư. Sự bất hoạt của một gen ưcï chế thì tương đương với sự hoạt hóa một gen tiền ung thư.

Các cơ chế khác nhau có thể dẫn đến sự xuất hiện của một gen gây ung thư trong bộ gen được tóm tắt như sau:

I. Gen bị biến đổi dẫn đến sự biến đổi của sản phẩm

1. Sự phốiø hợp của gen gây ung thư ở siêu khuẩn phiên mã ngược

2. Sự đột biến của gen tiền ung thư bình thường tạo ra gen gây ung thư

II. Sự biểu hiện của gen bị biến đổi, trong đó một gen được phiên mã ở một thời điểm sai hoặc với một tỉ lệ quá cao

1. cADN của siêu khuẩn phiên mã ngược có một vùng kiểm soát tích cực được

gắn vào gần bên một gen tiền ung thư

2. Sự chuyển vị gen tiền ung thư đến một vị trí gần bên vùng kiểm soát tích cực.

3. Sự chuyển vị của một vùng kiểm soát tích cực đến một vùng gần một gen

tiền ung thư

4. Sự đột biến của một vùng kiểm soát gần bên gen tiền ung thư

III. Sự mất hoạt động của gen kháng ung thư

Nghiên cứu hiện nay cho thấy phần lớn các gen gây ung thư mã hóa cho các sản phẩm thuộc một trong bốn loại : (1) các yếu tố phát triển (các phân tử tín hiệu ngoại bào để kích thích sự tăng sinh của tế bào), (2) các thụ thể (cho các yếu tố phát triển, ức chế tiếp xúc, hoặc bám trên bề mặt), (3) các hệ thống tín hiệu trong tế bào (truyền thông tin từ thụ thể đến các enzim nội bào hoặc các protein gắn), (4) các phân tử ADN gắn (điều hòa sự phiên mã của các gen đặc biệt hoặc sự sao chép trọn bộ gen).

Bằng chứng đầu tiên liên quan đến hoạt động của gen gây ung thư là công trình của Raymon Erikson và Marc Collett (Ðại học Colorado) trên gen gây ung thư src. Họ đã phát hiện rằng enzim được mã hóa bởi src là một loại phân tử tín hiệu nội bào gọi là một protein kinaz. Enzim này phosphoryl hóa tyrosin. Tyrosin được phosphoryl hóa cũng được tìm thấy trong các tế bào bình thường. Tuy nhiên trong các tế bào có gen src, sự phosphoryl hóa tyrosin tăng ít nhất 10 lần hơn mức bình thường. Ngày nay người ta đã biết một số gen gây ung thư khác mã hóa cho các tyrosin- kinaz, trong khi một vài loại khác mã hóa cho các serin kinaz.

Một số gen gây ung thư dường như mã hóa cho các sản phẩm làm cầu nối hai bước từ các tín hiệu ngoại bào đến gắn ADN. Thí dụ thụ thể EGF (Epidrmal Growth Factor-yếu tố tăng sinh biểu bì) có một thành phần ngoại bào gắn vào EGF, và một phần nội bào hoạt động như một kinaz. Ít nhất có một gen gây ung thư để mã hóa cho một enzim rất giống với phần kinaz của thụ thể EGF được hoạt hóa nhưng thiếu phần ngoại bào gắn vào EGF. Sản phẩm của gen gây ung thư nầy có thể hoạt động bằng cách tạo tín hiệu cho tế bào phân chia liên tục, dù EGF có hiện diện hay không.

Như chúng ta đã thấy, đột biến, chuyển vị và siêu khuẩn phiên mã ngược đều có vai trò trong việc khởi phát ung thư. Chúng ta cũng biết rằng nhiều đột biến và chuyển vị được tạo ra do các tác nhân bên ngoài - bức xạ và hóa chất gây đột biến. Nhưng liên kết các hóa chất hoặc nguồn bức xạ với ung thư ở người và đánh giá sự nguy hiểm tương đối của mỗi yếu tố rất khó khăn. Không phải mỗi đột biến đều xảy ra ở vị trí gây ung thư, và một đột biến ở một vị trí như thế sẽ chỉ khởi phát một trong những bước cần thiết để phát triển ung thư. Chúng ta đã thấy rằng cần có từ 2 đến 7 sự kiện di truyền độc lập; bước cuối cùng có thể xảy ra nhiều năm sau khi có sự tiếp xúc đầu tiên với một bức xạ hoặc một hóa chất gây đột biến.

Sự thiếu của các mối liên hệ nhân quả chặc chẽ giữa tác nhân gây đột biến và ung thư đã làm cho sự nhận diện và sự đánh giá của các tác nhân có khó khăn, ngay cả trong những trường hợp rõ nhất.

Một cách để đánh giá khả năng gây ung thư của các hóa chất và bức xạ là dùng các động vật (thường là chuột) để đo liều lượng của các tác nhân nầy. Cách nầy đắc tiền và tốn thời gian, thêm vào đó ta phải giả định rằng những gì gây ung thư trên chuột cũng tác động tương tự trên người. Một phương pháp khác nữa là xét nghiệm Ames: dùng vi khuẩn và những chất có khả năng gây ung thư để xem có sự đột biến hay không, với giả định là một chất gây đột biến trên E. coli là chất gây ung thư trên người. Xét nghiệm Ames đã phát hiện ra nhiều chất có khả năng gây ung thư. Các thành phần của nhựa than trong các thuốc nhuộm tóc và các mỹ phẩm, xà phòng hexachlorophen, các hóa chất chống cháy trong quần áo ngủ của trẻ em, protein trong thịt nướng, khói cháy rừng, và vài hóa chất trong một số rau cải và gia vị là một số trong các chất được xác định có thể gây ung thư bằng xét nghiệm Ames.

Kiểm soát sự biểu hiện của gen

CHƯƠNG V

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN

	Kiểm soát sự biểu hiện của gen
	Gs. Bùi Tấn Anh - Phạm Thị Nga