Điều hòa biểu hiện gene & operon Lac
Khái niệm điều hòa biểu hiện gene, thí nghiệm Monod – Jacob, cấu trúc và cơ chế hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E. coli, phân tích đột biến và ứng dụng thực tiễn
Biểu hiện gene là việc gene được phiên mã và dịch mã tạo ra sản phẩm.
Điều hòa biểu hiện gene (điều hòa hoạt động gene) là quá trình đóng/mở (bật/tắt) gene, giúp tế bào tạo ra đúng sản phẩm – đúng lượng – đúng thời điểm khi cần.
(gene có được phiên mã hay không)
Gene chỉ phiên mã khi tế bào cần; khi sản phẩm vượt nhu cầu thì có tín hiệu ngừng phiên mã.
Trong những năm 1950, Monod và Jacob dùng các dòng đột biến gene của E. coli, nuôi trong môi trường có và không có lactose, rồi đo lượng ba enzyme phân giải lactose:
| Enzyme | Vai trò |
|---|---|
| β-galactosidase | Phân giải lactose |
| Permease | Vận chuyển lactose vào tế bào |
| Transacetylase | Khử chất độc vào tế bào |
• Lô đối chứng: môi trường không có lactose + amino acid đánh dấu phóng xạ.
• Lô thí nghiệm: môi trường có lactose + amino acid đánh dấu phóng xạ.
Kết quả: lô đối chứng có lượng ba enzyme đánh dấu phóng xạ không đáng kể; lô thí nghiệm có lượng ba enzyme tăng mạnh.
Kết luận: lactose đã kích hoạt tế bào tổng hợp đồng thời cả ba enzyme. Từ đó hai ông đề xuất thuyết operon.
Operon Lac gồm vùng điều hòa và ba gene cấu trúc:
| Thành phần | Vai trò |
|---|---|
| P (promoter – vùng khởi động) | Nơi enzyme RNA polymerase bám vào để khởi động phiên mã |
| O (operator – vùng vận hành) | Nơi protein ức chế bám vào để ngăn cản phiên mã |
| lacZ | Quy định enzyme β-galactosidase |
| lacY | Quy định enzyme permease |
| lacA | Quy định enzyme transacetylase |
Operon Lac được điều hòa bởi gene điều hòa lacI, quy định protein ức chế.
▸ Khi môi trường KHÔNG có lactose
▸ Khi môi trường CÓ lactose
Dựa vào vai trò từng thành phần để suy ra hậu quả khi đột biến (đây là trọng tâm dạng bài phân tích):
| Đột biến ở | Hậu quả với operon |
|---|---|
| Gene điều hòa (mất chức năng protein ức chế) hoặc promoter của gene điều hòa | Không có protein ức chế hoạt động → operon LUÔN BẬT (phiên mã cả khi không có lactose) |
| Vùng vận hành – operator (protein ức chế không bám được) | operon LUÔN BẬT |
| Vùng khởi động – promoter của operon (RNA polymerase không bám được) | operon LUÔN TẮT |
| Gene cấu trúc (lacZ, lacY, lacA) | Chỉ hỏng enzyme tương ứng, không ảnh hưởng điều hòa và phiên mã của operon |
▸ Ý nghĩa
• Tiết kiệm năng lượng: tế bào tốn rất nhiều năng lượng để tổng hợp protein (E. coli dùng tới 90% số ATP cho việc này); nhờ điều hòa, chỉ tổng hợp sản phẩm khi cần với lượng phù hợp.
• Thích nghi với môi trường: ví dụ khi nhiệt độ cao bất thường, bật gene tạo protein chống sốc nhiệt; tế bào miễn dịch chỉ bật gene tổng hợp kháng thể khi gặp tác nhân gây bệnh.
• Phát triển cá thể (sinh vật đa bào): các tế bào cùng hệ gene nhận tín hiệu điều hòa khác nhau → đóng/mở nhóm gene khác nhau → biệt hóa thành tế bào, mô chuyên hóa. Nếu trục trặc → phôi chết hoặc dị dạng (vd proto-oncogene hoạt động quá mức thành oncogene gây ung thư).
▸ Ứng dụng thực tiễn
| Lĩnh vực | Ví dụ |
|---|---|
| Y dược | Thuốc tamoxifen ức chế thụ thể ERα chữa ung thư vú; nuôi cấy tế bào gốc biệt hóa để chữa bệnh, thử thuốc |
| Trồng trọt | Chủ động đóng/mở gene ở cây (dùng chế độ chiếu sáng điều khiển gene để cây ra hoa đúng mùa) |
| Chăn nuôi | Dùng hormone điều khiển giới tính: xử lý trứng cá rô phi đã thụ tinh bằng testosterone tạo 100% cá đực (lớn nhanh, nhiều thịt) |
Có lactose → allolactose bám protein ức chế → rời O → operon BẬT
Protein ức chế LUÔN được tạo ra ở cả hai môi trường
▸ Một số sai lầm thường gặp
| Sai | Đính chính |
|---|---|
| Nhầm promoter (P) và operator (O) | P là nơi RNA polymerase bám; O là nơi protein ức chế bám |
| Gene điều hòa lacI thuộc operon Lac | Gene điều hòa nằm ngoài operon (có promoter riêng) |
| Lactose trực tiếp bám protein ức chế | Chất bám là allolactose (đồng phân của lactose) – chất cảm ứng |
| Khi không có lactose thì protein ức chế không được tạo ra | Protein ức chế luôn được tạo ra; khác nhau ở chỗ có bám được operator hay không |
| Đột biến gene cấu trúc lacZ làm operon ngừng hoạt động | Chỉ hỏng enzyme β-galactosidase; operon vẫn phiên mã & điều hòa bình thường |
| Đột biến operator/gene điều hòa làm operon TẮT | Ngược lại, làm operon LUÔN BẬT |
| Đột biến promoter của operon làm operon luôn bật | Làm operon LUÔN TẮT vì RNA polymerase không bám được |
Cùng luyện Bài 3 – Điều hòa biểu hiện gene & operon Lac!
27 câu: 22 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 3 tự luận
Tuyệt vời!
Cô Nguyễn Ngọc Châu
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú