1. Điều hoà biểu hiện gene là gì?
Điều hoà biểu hiện gene là kiểm soát việc một gene được "bật" hay "tắt" tại một thời điểm nhất định. Nhờ đó, tế bào chỉ tổng hợp những sản phẩm thực sự cần thiết.
Ý nghĩa:
- Giúp tế bào thích nghi với môi trường: chỉ sản xuất enzyme khi có đúng nguồn nguyên liệu phù hợp.
- Tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu: tránh tạo ra các enzyme mà tế bào không dùng đến.
Ví dụ: vi khuẩn E. coli có gene tổng hợp enzyme thủy phân lactose. Khi nuôi trong môi trường chỉ có glucose, các gene này bị tắt; khi chuyển sang môi trường có lactose, chúng được bật ngay.
2. Operon và các thành phần
- Operon: nhóm gene cấu trúc phân bố liền nhau, có chung một vùng điều hoà (promoter, operator) nên được phiên mã cùng lúc; phổ biến ở sinh vật nhân sơ. Mô hình operon lac do F. Jacob và J. Monod đề xuất năm 1961.
- Gene điều hoà (lacI, kí hiệu R): nằm trước operon, không thuộc operon; mã hoá protein ức chế.
- Promoter (P): vị trí RNA polymerase bám để khởi đầu phiên mã.
- Operator (O): vị trí bám của protein ức chế, nằm giữa promoter và các gene cấu trúc.
- Gene cấu trúc: các gene mã hoá enzyme, được phiên mã thành cùng một phân tử mRNA.
Ba gene cấu trúc trong operon lactose của E. coli:
- : mã hoá β-galactosidase, thủy phân lactose thành glucose và galactose.
- : mã hoá permease, vận chuyển lactose qua màng vào tế bào.
- : mã hoá transacetylase, tham gia chuyển hoá nhóm acetyl.
Ba gene z, y, a được phiên mã đồng thời thành một mRNA chung. Vì vậy, điều hoà tại vùng operator sẽ tác động đến cả ba gene cùng lúc, gọi là điều hoà phối hợp.
3. Cơ chế điều hoà operon lac
3.1 Trạng thái tắt: môi trường không có lactose
- 1.Gene điều hoà R tổng hợp protein ức chế (gene R hoạt động cả khi có và không có lactose).
- 2.Protein ức chế gắn vào vùng operator.
- 3.Protein ức chế cản trở RNA polymerase, nên RNA polymerase không phiên mã được ba gene cấu trúc.
- 4.Gene z, y, a bị tắt; tế bào không tổng hợp enzyme thủy phân lactose.
3.2 Trạng thái bật: môi trường có lactose
- 1.Một lượng nhỏ lactose được chuyển thành allolactose (chất cảm ứng); allolactose liên kết với protein ức chế, làm thay đổi cấu hình không gian của protein.
- 2.Protein ức chế mất khả năng gắn vào operator và rời khỏi vùng operator.
- 3.Operator được mở; RNA polymerase bám vào promoter, phiên mã ba gene z, y, a thành một mRNA chung.
- 4.mRNA được dịch mã tạo ra các enzyme β-galactosidase, permease và transacetylase, giúp đưa lactose vào tế bào và thủy phân lactose thành glucose cùng galactose.
Như vậy, đây là hình thức điều hoà âm: khi protein ức chế hiện diện thì gene cấu trúc bị tắt. Lactose (thông qua allolactose) đóng vai trò chất cảm ứng, gỡ bỏ sự ức chế để gene được bật. Khi lactose bị phân giải hết, protein ức chế lại gắn vào operator và operon trở lại trạng thái tắt.
| Điểm so sánh | Không có lactose | Có lactose |
|---|---|---|
| Protein ức chế | Gắn vào operator | Đổi cấu hình, rời operator |
| Trạng thái vùng operator | Bị chiếm chỗ, luôn đóng | Mở cho RNA polymerase |
| Phiên mã gene z, y, a | Không xảy ra | Xảy ra bình thường |
| Sản phẩm protein | Không có enzyme thủy phân lactose | Có β-galactosidase, permease, transacetylase |
| Kết luận | Gene cấu trúc bị tắt | Gene cấu trúc được bật |
4. Điều hoà gene ở sinh vật nhân thực
Ở sinh vật nhân sơ như E. coli, điều hoà gene chủ yếu diễn ra ở giai đoạn phiên mã. Ở sinh vật nhân thực, cơ chế điều hoà phức tạp hơn nhiều:
- Biểu hiện gene được điều chỉnh ở nhiều giai đoạn: phiên mã, xử lí mRNA sau phiên mã, dịch mã và sau dịch mã.
- Gene chịu sự chi phối của các yếu tố phiên mã, gồm cả yếu tố tăng cường và yếu tố ức chế, kết hợp với các vùng điều hoà như enhancer, silencer.
- Mức độ đóng mở của nhiễm sắc thể, biến đổi hoá học trên histone và DNA (ví dụ gắn nhóm methyl) cũng quyết định gene "bật" hay "tắt".
5. Ý nghĩa và ứng dụng
- Giải thích vì sao các tế bào trong cùng một cơ thể (thần kinh, cơ, gan) tuy mang cùng hệ gene nhưng lại khác nhau về hình thái, chức năng: do mỗi loại tế bào biểu hiện một tập hợp gene khác nhau.
- Trong công nghệ sinh học, hiểu biết về promoter và operator giúp chọn đúng bộ điều hoà để đảm bảo gene ngoại được biểu hiện ở vi khuẩn đúng thời điểm cần thiết.
- Trong y học, rối loạn điều hoà gene (bật quá mức hoặc tắt nhầm) gắn với nhiều bệnh lý, mở hướng điều trị bằng cách tinh chỉnh biểu hiện gene.
6. Vận dụng
Giả sử có đột biến làm protein ức chế mất khả năng gắn vào operator. Hãy dự đoán hệ quả đối với việc biểu hiện gene cấu trúc của operon lac khi môi trường không có lactose.
Gợi ý trả lời
Khi protein ức chế không gắn được vào operator, vùng operator luôn ở trạng thái mở. RNA polymerase có thể bám vào promoter và phiên mã gene z, y, a liên tục dù không có lactose. Hệ quả là tế bào tiêu hao năng lượng và nguyên liệu để sản xuất các enzyme không cần dùng, gây lãng phí.
Vì sao operon lac được xem là mẫu của điều hoà âm? Vai trò của lactose trong mô hình này là gì?
Gợi ý trả lời
Vì sản phẩm của gene điều hoà là protein ức chế: khi protein này hiện diện thì gene cấu trúc bị tắt. Lactose (dạng allolactose) đóng vai trò chất cảm ứng; nó kết hợp với protein ức chế, làm thay đổi cấu hình protein và khiến protein rời operator, từ đó các gene cấu trúc được bật.
Ở sinh vật nhân thực, tại sao điều hoà gene ở giai đoạn sau phiên mã, như cắt chỉnh mRNA, lại quan trọng?
Gợi ý trả lời
Vì mRNA sơ khai phải qua cắt bỏ intron, nối exon mới trở thành mRNA trưởng thành; quá trình này quyết định lượng và dạng protein được tạo ra. Nhờ vậy, từ một gene có thể cho nhiều dạng protein khác nhau, giúp tế bào tinh chỉnh biểu hiện gene rất linh hoạt.