hiểu hơn về biểu hiện của gene

1. CƠ CHẾ SINH UNG NGOÀI GEN
CƠ CHẾ BIỂU SINH
(EPIGENETICS)
Trình bày: Bs Nguyễn Thị Đại Đồng
Ngày 28/3/2016

2. Nội dung
• Giới thiệu.
• Định nghĩa thế nào là biểu sinh (epigenetics).
• Nhắc lại cấu trúc phân tử của nhiễm sắc thể.
• Cơ chế của sự biểu sinh
- Sự methyl-hóa DNA (DNA Methylation)
- Sự biến đổi phân tử Histone (Histone
Modifications)
• Sự sinh ung qua cơ chế biểu sinh
• Ứng dụng

3. Giới thiệu
Nhiều câu hỏi được đặt ra :
• Vì sao trẻ song sinh giống nhau
về kiểu gen nhưng có màu tóc
khác nhau hoặc trẻ này bị hen
phế quản trẻ kia thì lại không?
• Vì sao bé trai lại mắc bệnh tự kỷ
gấp 4 lần bé gái?

4. Giới thiệu (tt)
Sự biệt hóa của tế bào mầm
• Vì sao các TB có cùng trình tự sắp xếp DNA nhưng
lại được biệt hóa thành hơn 200 loại TB khác
nhau trong cơ thể chúng ta như TB da, gan,
máu...?
• TB da, não giống nhau về kiểu gen nhưng khác
nhau về chức năng và hình dạng, như vậy điều gì
đã xảy ra trong quá trình biệt hóa TB?
Còn có yếu tố nào bên ngoài bộ gen chi phối
kiểu hình?

5. ĐỊNH NGHĨA
Thế nào Là biểu sinh?
(Epigenetics)

6. Định nghĩa biểu sinh
(epigenetics)
• Năm 1942 C.H Waddington đưa ra khái
niệm Epigenetics.
• ‘Epi-’ là ở trên hay ở ngoài vốn liếng
di truyền cho thấy toàn bộ tiến trình
diễn ra ở ngoài chuỗi DNA.
• Waddington đã khảo sát các hiện
tượng sau:
- Sự biểu hiện của gen
- Sự biến đổi biểu hiện của gen
- Những thay đổi hóa học của chuỗi DNA mà
không thay đổi trật tự trên chuỗi DNA.
Epigenetic biểu sinh

7. Định nghĩa (tt)
Những thay đổi không liên quan đến di
truyền (epigenetics) có được truyền cho thế
hệ sau?
• Thế kỷ XIX, sự dồi dào thực phẩm ở một mùa
bội thu, thế hệ sau đó béo phì mặc dù không
có mùa bội thu khác.
• Những người suy dinh dưỡng, thế hệ sau của
họ dễ mắc bệnh tim mạch, đái tháo đường…
• Người mẹ khi mang thai lo âu nhiều -> con
của họ dễ mắc bệnh suyễn.

8. Thí nghiệm về biểu sinh
• Thí nghiệm với chuột: cho
chuột mang thai tiếp xúc với
hóa chất sẽ làm hormones
sinh sản thay đổi sinh ra
chuột con dễ bị bệnh.
• Thí nghiệm với ruồi giấm:
cho ruồi thế hệ thứ 12 tiếp
xúc với hóa chất, thì ruồi thế
hệ thứ 13 mắt chúng to, xù
xì.
• Quá trình này được quan sát
in vitro, in vivo

9. Thay đổi biểu sinh là gì?
• Gắn thêm gốc (–CH3,-COCH3)
vào các vị trí trên chuỗi DNA sẽ
làm gen bị “tắt” (câm nín) hay
“bật” (biểu hiện)
Sự thay đổi hóa học này trên chuỗi
DNA có được nhờ:
 Kế thừa từ thế hệ trước
 Thu được trong quá trình sống do tác
động yếu tố môi trường.
 Xảy ra ở tế bào mầm, phôi thai và sinh
vật trưởng thành
Thêm gốc –CH3
Thêm gốc –
COCH3

10. Định nghĩa (tt)
Quan điểm hiện nay về biểu sinh là:
• Thay đổi biểu sinh là thay đổi thông qua cơ
chế hóa học trên chuỗi DNA, giúp điều hòa
biểu hiện gen.
• Có ít nhất 2 dạng thông tin trong tế bào
A- Thông tin di truyền: cung cấp các vật liệu
để tổng hợp các protein cho tế bào.
B- Thông tin biểu sinh: thông tin hướng dẫn
gen nên được biểu hiện, sử dụng ở đâu, khi nào
và như thế nào.

11. CẤU TRÚC PHÂN TỬ NHIỄM SẮC THỂ

12. Nhiễm sắc thể
• Năm 1882 Walther
Flemming đầu tiên dùng
thuật ngữ chromatin là
DNA ở dạng nén chặt trong
nhân tế bào.
• Chức năng NST:
Lưu giữ,bảo quản,truyền đạt
thông tin di truyền.
Điều hòa hoạt động gen.
Đảm bảo phân chia đều vật
chất di truyền cho các tế bào
con

13. Nhiễm sắc thể
• Sợi cơ bản xoắn cuộn nhiều bậc để trở
thành NST đơn, từ đó hình thành nên NST
kép.
• Mục đích:
Rút ngắn DNA trên NST, cho phép NST xếp gọn
vào trong nhân tế bào
Thuận lợi cho sự phân ly, tổ hợp tự do của NST
trong các quá trình nguyên phân, giảm phân và
thụ tinh.

14. Nhiễm sắc thể
• NST được cấu tạo từ sợi nhiễm
sắc (chromatin) là phức hợp của
DNA và protein.
• Protein gồm: histone và
nonhistone
• Histone: tham gia vào cấu trúc
chuỗi nucleosome.
• Nonhistone: tham gia đóng xoắn
DNA, sao chép DNA, phân chia
NST, quá trình sao mã và điều hòa
biểu hiện gen.
NST có 2 dạng: dạng đóng, dạng
mở

15. Nucleosome
• Đơn vị cấu trúc cơ bản
của NST.
• Do 1 chuỗi DNA khoảng
146nucleotid quấn quanh
một lõi protein:
2H2A,2H2B,2H3,2H4.
• Hai nucleosome kế tiếp
nhau bởi một đoạn DNA
và 1 phân tử Histone H1
gọi là sợi cơ bản
(polinucleosome)

16. CƠ CHẾ CỦA SỰ BIỂU SINH

17. Cơ chế của biểu sinh (epigenetics)
• Thuyết sinh học phân tử
DNA sao mã RNA dịch mã Protein
• Cơ chế sửa đổi biểu sinh: sự thay
đổi cấu trúc của bộ gen thông qua
phản ứng hóa học, không xáo trộn
trật tự chuỗi DNA.
 Quy định gen nào được biểu hiện.
 3 cơ chế chính là:
- Sự methyl-hóa DNA(DNA
methylation)
- Sự biến đổi histone (Histone
modification)
- Micro RNA.
DNA
methyl
hóa
Biến đổi
Histone

18. Sự methyl hóa DNA (DNA methylation)
• Làm thế nào để “bật” gen cần
thiết và kích hoạt gen đó biểu
hiện?
• Protein sẽ gắn vào vị trí 5’ của
Cytosine trên DNA ở vùng khởi
động giúp gen đó được biểu hiện.
• Methyl hóa DNA là gắn cạnh tranh
gốc(-CH3) vào vị trí của protein
làm câm nín gen gen không
được biểu hiện.
Methyl hóa DNA làm gen không
biểu hiện

19. Sự methyl hóa DNA (DNA methylation)
 Chất xúc tác quá trình methyl hóa
DNA là men DNMTs (DNA
methyltransferase)
• Quá trình methyl hóa Cytosine trên
DNA làm thiết lập và duy trì các
men DNMTs làm genes bị câm nín.
 DNA methyl hóa không cho phép
men RNA Polymerase II tiếp xúc với
chuỗi DNA -> quá trình sao mã
không xảy ra được.
Methyl hóa DNA làm gen không biểu
hiện và ức chế sao mã

20. Sự methyl hóa DNA
•Vùng khởi
động(promoter): đoạn
DNA nằm trước gen cần
được mã hóa
Đoạn DNA đó chứa nhiều
Cytosine(C) và Guanine(G)
gọi là đảo CpG
Hầu hết vùng khởi động
chứa 40-50% đảo CpG ở
động vật có vú
Hầu hết đảo CpG ít được
DNA methyl hóa trong tế
bào bình thường

21. Biến đổi phân tử histone (Histone
modification)
• NST được tồn tại dưới hai dạng:
Dạng đóng (Heterochromatin): còn gọi dạng NST đông
đặc ít hoạt động chứa nhiều DNA methyl-hóa, ítbiến
đổi phân tử Histone làm gen ít được biểu hiện.
Dạng mở ( Euchromatin): còn gọi là dạng hoạt động,
chứa nhiều biến đổi phân tử Histone và ít DNA methyl-
hóa, giúp gen được được biệu hiện nhiều hơn.
NST chuyễn từ dạng đóng sang dạng mở là do quá trình
sau dịch mã của Histone.

22. Biến đổi phân tử histone
• Quá trình biến đổi Histone:
 Xảy ra tại vị trí đuôi Histone
 Acetyl hóa lysine là cộng thêm
nhóm acetyl (-COCH3) vào vị trí
NH3+ của Lysine làm loại bỏ điện
tích dương -> giảm ái lực giữa
Histone và DNA.
 Giảm ái lực giữa Histone và
DNA làm chuỗi DNA lỏng lẻo ->
NST dạng mở nên các gen được
biểu hiện.
Quá trình sửa đổi đuôi Histone giúp
gen biểu hiện

23. Biến đổi phân tử histone
•Sự biến đổi histone luôn có 2 quá
trình song hành nhau:
Deacetyl hóa histone: cắt bỏ nhóm
acetyl trên Histone bởi men HDAC
(Histone Deacetylase) làm NST ở
dạng đóng-> gen câm nín.
Acetyl là sự cộng thêm gốc (-COCH3)
vào đuội Histone bởi men HAT
(Histone Acetyltransferase) làm NST
dạng mở, giúp gen biểu hiện

24. Hai quá trình của sự biểu sinh luôn song hành
Methyl-hóa DNA : làm gen bị
“tắt”- gen không được biểu hiện
hay còn gọi “Làm câm nín gen”
Biến đổi phân tử histone: làm
gen “bật”, gen được biểu hiện

25. Quá trình biểu sinh là cần thiết?
• Quá trình biểu sinh là cần thiết cho cuộc sống:
- Biểu hiện gen
- Lưu lại di truyền
- Quyết định biệt hóa TB
- Bất hoạt NST X
- Lão hóa.
- Sinh ung thư

26. Quá trình biểu sinh là cần thiết?
• Quyết định biệt hóa TB:
 Từ hợp tử biệt hóa thành nhiều
dòng TB ở người trưởng thành.
 Từ TB mầm đa năng ở trạng thái
sẵn sàng biệt hóa cho ra những
dòng TB khác nhau.
 Và khi thành dòng TB trưởng
thành thì chúng giữ trạng thái
bền vững (không có sự biệt hóa
ngược lai).

27. Quá trình biểu sinh là cần thiết?
• Quyết định biệt hóa TB (tt).
 Quá trình biến đổi histone làm
“bật” các gen ở giai đoạn sớm (giai
đoạn túi phôi)
 Tiếp theo là quá trình methyl-hóa
DNA xảy ra làm “tắt” các gen.
 Hai quá trình “bật” và “tắt” các gen
tại các thời điểm khác nhau giúp
cho quá trình biệt hóa TB được diễn
ra.
Tạo nên các dòng TB trưởng thành
chứa gen có chức năng chuyên biệt methyl
hóa DNA

28. Quá trình biểu sinh là cần thiết?
• Câm nín gen trên NST X
Ở nữ chứa cặp NST XX,
methyl-hóa DNA là câm
nín gen trên 1 NST X bất
kỳ (chỉ gen trên 1 NST X
còn lại được biểu hiện)

29. Qúa trình biểu sinh và môi trường
• Môi trường ảnh hưởng đến sự
thay đổi biểu sinh.
 Chế độ dinh dưỡng thường có
nhiều gốc –CH3, -COCH3, -SH
nên có thể gây ra biến đổi biểu
hiện gen -> dễ bị béo phì.
 Lo âu kéo dài làm vùng hạ đồi,
tuyến yên và thượng thận tiết
các hormone CRH, ACTH,
cortisol gây ra biến đổi biểu
hiện gen.
Tuy nhiên các biến đổi biểu hiện gen do
môi trường có thể phai dần và mất đi khi
không tiếp xúc với yếu tố bất lợi nữa.

30. SỰ SINH UNG QUA CƠ CHẾ
BIỂU SINH

31. Sự sinh ung qua cơ chế biểu sinh
• Trước đây người ta cho rằng: sự sinh ung thư và biểu
sinh là không liên quan, biểu sinh xảy ra ngẩu nhiên và
sau sinh ung thư.
• Trong 3 thập niên gần đây được hiểu rõ ràng hơn về cơ
chế biểu sinh liên quan đến ung thư.
• Các yếu tố then chốt dẫn đến ung thư: gen kiểm soát
tính toàn vẹn của bộ gen, gen đè nén bướu,chất kết dính
TB,quá trình phân chia TB và chết TB theo lập trình.
• Sửa đổi biểu sinh thông qua sự điều hòa thông tin di
truyền: giúp tăng sinh TB, phát triển TB, các “trạm kiểm
soát” sự sống và chết của TB

32. Sự sinh ung qua cơ chế biểu sinh
•Sửa đổi biểu sinh liên quan với ung thư:
Làm câm nín gen đè nén bướu thông qua
cơ chế methyl hóa DNA.
Tham gia điều biến đoạn Telomeres làm
cho tế bào không chết theo lập trình
32

33. Sự sinh ung qua cơ chế biểu sinh
• Sự hoạt động của
men DNMTs (DNA
methyltransferase) là
thiết lập và duy trì->
methyl hóa DNA luôn
diễn ra làm câm nín
gen đè nén bướu
Cơ chế biểu sinh góp
phần vào quá trình
sinh ung

34. Sự sinh ung qua cơ chế biểu sinh
• Telomere là phần tận cùng của NST,
nó được bào mòn dần qua các lần
phân bào, đẩy TB chết theo lập trình.
• Tolemerase là men sao chép ngược
giúp gắn lại đầu tận của
NST(Telomere).
• Sự bào mòn Telomere + khiếm
khuyết biểu sinh -> kích hoạt men
Telomerase để nối dài đoạn Telomere
dẫn đến TB không chết theo lập
trình.
Sửa đổi biểu sinh làm TB không chết theo
lập trình

35. Ứng dụng cơ chế biểu sinh

36. Ứng dụng cơ chế biểu sinh
• Chẩn đoán sớm, tiên lượng bệnh
• Điều trị
• Quá trình biểu sinh (methyl hóa đảo CpG) xảy ra ở
giai đọan rất sớm của UT. Tăng methyl hóa các
vùng khởi động của gen đè nén bướu làm các gen
này giảm hoặc không biểu hiện -> câm nín gen
đèn nén bướu.
• Hiện nay: phát hiện mẫu DNA bị methyl hóa trong
máu ngoại vi có thể sẽ là dấu ấn sinh học quan
trọng để chẩn đoán, tiên lượng bệnh UT

37. Chẩn đoán
Cell-Free-Circulating Plasma DNA (circDNA)
Tìm DNA tự do lưu hành trong máu
• Tìm DNA tự do lưu hành
trong huyết tương.
• Cơ thể khỏe mạnh: DNA rất
ít lưu thông trong hệ tuần
hoàn vì sẽ bị thực bào.
• Trong bệnh UT, nồng độ
DNA, DNA methyl hóa hiện
diện nhiều, tăng cao khi
bệnh tiến triển, di căn.

38. Chẩn đoán sớm
Cell-free- Circulating Plasma DNA (circDNA)
• Tầm soát bệnh ung thư đại trực tràng:
 Là loại bệnh mà việc tầm soát có ý nghĩa.
 Phương pháp thường làm: nội soi và tìm máu trong
phân.
• Gần đây: xét nghiệm circDNA để phát hiện DNA SEPT 9 bị
methyl hóa (gene Septin9 methyl hóa ở vùng promoter bn UT
đại trực tràng) lưu hành trong huyết tương.
• Nghiên cứu PRESEPT ( công bố tháng 2/2013)
Độ nhạy 70%, độ chuyên 90%.
Đang đợi FDA cấp phép
Vẫn chưa phải là xét nghiệm tầm soát bệnh ung thư đại
trực tràng

39. Chẩn đoán
cell-Free-Circulating Plasma DNA (circDNA)
 NC PRESEPT
 Mục tiêu: giúp tầm soát cho đối tượng không tuân
thủ, không dung nạp biện pháp cũ và làm tăng độ
nhạy những bn không triệu chứng mà có yếu tố
nguy cơ trung bình cao.
 NC hồi cứu, cỡ mẫu lớn (6874), đa trung tâm.
 Bn được lấy huyết tương trước soi ĐTT để so sánh
độ tương hợp của kết quả nội soi và DNA SEPT 9 bị
methyl hóa.
 Kết quả: độ nhạy, độ đặc hiệu tập trung vào dân số có
yếu tố nguy cơ trung bình.

40. Ứng dụng biểu sinh
Điều trị
• Ngày nay sự hiểu biết càng nhiều về biểu sinh
liên quan đến quá trình sinh ung thư.
 Làm câm nín gen đè nén bướu thông qua cơ chế
methyl hóa DNA.
 Thông qua điều biến đoạn telomeres làm cho tế
bào không chết theo lập trình.
• Thuốc đầu tiên thành công là ức chế men
DNA methyltransferase (Azacitidine AZA) làm
quá trình methyl hóa DNA không xảy ra

41. Ứng dụng Epigenetics
Điều trị
• Azacitidine (AZA; Vidaza)
 Nc phase III thành công
trên bệnh lý loạn sinh tủy.
 FDA cấp phép 2004.
 Chỉ định: bạch cầu tủy
mạn, loạn sinh tủy
 Cơ chế: AZA giữ chặt men
DNA
methyltransferase(DNMTs
) và vị trí gắn của
(DNMTs), làm cho chúng
thoái triển.

42. Azacitidine (AZA)
 AZA ít tác dụng phụ
so với hóa trị.
 Các độc tính giảm
dần theo các chu kỳ
điều trị.
 Tăng dung nạp, thích
hợp điều trị cho bệnh
lý mạn tính.

43. Kết luận
• Biểu sinh là quá trình không thay đổi trật tự chuỗi
DNA, mà chỉ là sửa đổi cấu trúc hóa học của chuỗi
DNA thông qua sự thêm các gốc (-CH3, -COCH3).
• Biểu sinh có thể thừa kế hoặc có được trong quá
trình tác động của yếu tố môi trường.
• Có 3 cơ chế chính: Methyl-hóa DNA. Biến đổi
histone, Micro RNA.
• Biểu sinh là cơ chế cần thiết cho đời sống sinh vật
: biểu hiện gen, biệt hóa tế bào, bất hoạt gen trên
NST X..

44. Kết luận (tt)
• Biểu sinh được hiểu rõ hơn trong 3 thập niên
gần đây: liên quan đến cơ chế sinh ung thư,
các bệnh lý nội khoa.
• Cơ chế sinh ung của sự biểu sinh là làm câm
nín gen đè nén bướu, điều biến đoạn
telomere.
• Trong tương lai có thể áp dụng hiện tượng
biểu sinh vào việc chẩn đoán sớm, tiên lượng
và điều trị bệnh UT

45. CHÂN THÀNH CẢM ƠN