Lý thuyết trọng tâm

Điều hòa biểu hiện gene là gì?

• 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.
• Quá trình điều hòa chủ yếu xảy ra ở khâu phiên mã (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.

I. Thí nghiệm phát hiện operon lac ở vi khuẩn E. coli

1. Thí nghiệm (Monod và Jacob, những năm 1950)

• Hai ông 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:
  • 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.

2. Cấu trúc và cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon lac

a) Cấu trúc operon lac

Operon lac gồm vùng điều hòa và ba gene cấu trúc:

• Operon lac được điều hòa bởi gene điều hòa lacI, quy định protein ức chế (lacI).
• Lưu ý: gene lacI KHÔNG thuộc operon lac (nó nằm riêng, có promoter riêng).
• Quy ước: tên gene viết in nghiêng (lacZ), sản phẩm protein viết không in nghiêng (lacI).

b) Cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon lac

• Khi môi trường KHÔNG có lactose: protein ức chế (lacI) bám vào operator (O) → ngăn cản RNA polymerase phiên mã → các gene cấu trúc không được phiên mã (operon TẮT).
• Khi môi trường CÓ lactose: một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân allolactose → allolactose liên kết với protein ức chế làm protein đổi cấu hình, không bám được operator → RNA polymerase bám được promoter (P) và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc (operon BẬT). Vì vi khuẩn không có màng nhân và gene không phân mảnh nên các gene cấu trúc phiên mã đến đâu được dịch mã đến đó.

II. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn của điều hòa biểu hiện gene

1. Ý nghĩa

• Tiết kiệm năng lượng: tế bào tiêu tốn rất nhiều năng lượng để tổng hợp protein (E. coli dùng tới 90% số ATP cho việc này). Nhờ điều hòa, tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm khi cần, với lượng phù hợp.
• Giúp tế bào thích nghi với môi trường: ví dụ khi nhiệt độ cao bất thường, một số gene được bật để tạo protein chống sốc nhiệt; tế bào miễn dịch chỉ bật gene tổng hợp kháng thể khi gặp tác nhân gây bệnh.
• Vai trò trong phát triển cá thể (sinh vật đa bào): các tế bào sinh ra từ một hợp tử có cùng hệ gene nhưng nhận tín hiệu điều hòa khác nhau nên đóng/mở các nhóm gene khác nhau → biệt hóa thành các tế bào, mô chuyên hóa. Nếu điều hòa bị trục trặc → phôi chết hoặc dị dạng. Ví dụ: proto-oncogene hoạt động quá mức trở thành oncogene (gene gây ung thư) khiến tế bào phân chia không kiểm soát.

2. Ứng dụng thực tiễn

• Y dược: sản xuất thuốc ức chế sản phẩm của gene gây bệnh. Ví dụ thuốc tamoxifen ức chế đặc hiệu thụ thể ERα để chữa ung thư vú do gene ERα biểu hiện quá mức; nuôi cấy tế bào gốc biệt hóa thành các loại tế bào để chữa bệnh, thử thuốc.
• Trồng trọt: chủ động đóng/mở gene ở cây trồng (nuôi cấy mô bằng chất hoạt hóa gene; dùng chế độ chiếu sáng điều khiển gene để cây ra hoa đúng mùa).
• Chăn nuôi: dùng hormone điều khiển giới tính. Ví dụ xử lý trứng cá rô phi đã thụ tinh bằng testosterone để tạo 100% cá đực (lớn nhanh, nhiều thịt), đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Đọc sơ đồ và xác định các thành phần của operon lac

Cách làm: Ghi nhớ thứ tự trên sơ đồ: [gene điều hòa lacI – có promoter riêng] … [Operon lac: P (promoter) – O (operator) – lacZ – lacY – lacA]. Nhận diện theo chức năng: nơi RNA polymerase bám là P; nơi protein ức chế bám là O; ba gene mã hóa enzyme là lacZ, lacY, lacA; chất cảm ứng là allolactose.

Ví dụ 1. Trên sơ đồ operon lac, vị trí mà enzyme RNA polymerase bám vào để khởi động phiên mã nhóm gene cấu trúc là thành phần nào? → Là vùng khởi động – promoter (P).

Ví dụ 2. Khi môi trường không có lactose, protein ức chế bám vào thành phần nào để ngăn cản phiên mã? → Bám vào vùng vận hành – operator (O).

Ví dụ 3. Trên sơ đồ, các enzyme giúp vi khuẩn chuyển hóa lactose là sản phẩm dịch mã của những gene nào? → Của ba gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA (lần lượt tạo β-galactosidase, permease, transacetylase).

Dạng 2: Xác định trạng thái phiên mã của operon lac theo môi trường

Cách làm: Nhớ hai tình huống:

• Không có lactose → protein ức chế bám O → RNA polymerase bị chặn → KHÔNG phiên mã (operon TẮT).
• Có lactose → allolactose bám protein ức chế → protein rời O → RNA polymerase bám P → CÓ phiên mã (operon BẬT).

Lưu ý: protein ức chế luôn được tạo ra (gene điều hòa hoạt động trong cả hai môi trường); điều khác nhau chỉ là protein ức chế có bám được operator hay không.

Ví dụ 1. Một sơ đồ cho thấy protein ức chế đang bám vào operator và RNA polymerase không di chuyển được. Đây là môi trường nào? Các gene cấu trúc có được phiên mã không? → Môi trường không có lactose; các gene cấu trúc không được phiên mã.

Ví dụ 2. Một sơ đồ cho thấy allolactose bám vào protein ức chế, RNA polymerase liên kết vào P và tổng hợp mRNA. Đây là môi trường nào? Kết quả thu được là gì? → Môi trường có lactose; các gene cấu trúc được phiên mã và dịch mã, tạo ra ba enzyme β-galactosidase, permease, transacetylase.

Ví dụ 3. Trong môi trường không có lactose, protein ức chế có được tạo ra hay không? → Có. Gene điều hòa lacI luôn biểu hiện, nên protein ức chế luôn được tạo ra (và lúc này nó bám vào operator).

Dạng 3: Phân tích hậu quả khi đột biến các thành phần của operon lac

Cách làm: Dựa vào vai trò của từng thành phần để suy ra hậu quả:

Ví dụ 1. Cho 4 chủng E. coli đột biến:

• Chủng A: đột biến gene điều hòa làm protein ức chế mất chức năng.
• Chủng B: đột biến vùng vận hành (operator) làm vùng này mất chức năng.
• Chủng C: đột biến vùng khởi động (promoter) của operon lac làm vùng này mất chức năng.
• Chủng D: đột biến gene cấu trúc lacY làm permease mất chức năng.

Có bao nhiêu chủng có operon lac luôn hoạt động (cả khi có và không có lactose)?

→ Chủng A (không có protein ức chế chức năng → luôn bật) và Chủng B (operator hỏng, protein ức chế không bám được → luôn bật). Chủng C luôn tắt (RNA polymerase không bám được P), chủng D chỉ hỏng permease nên điều hòa vẫn bình thường. Vậy có 2 chủng (A và B).

Ví dụ 2. Một chủng E. coli bị đột biến ở promoter của operon lac khiến RNA polymerase không bám được. Trong môi trường có lactose, các enzyme phân giải lactose có được tạo ra không? Vì sao?

→ Không. Dù có lactose làm protein ức chế bị bất hoạt và rời khỏi operator, nhưng RNA polymerase vẫn không bám được promoter nên không phiên mã được → operon luôn tắt.

Sai lầm thường gặp

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