Bài 3: Điều hoà biểu hiện gene

I. ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GENE CỦA OPERON LẠC Ở VI KHUẨN E. coli

1. Thí nghiệm

Trong những năm 1960, Jacques Monod, Francois Jacob và cộng sự đã nghiên cứu sự biểu hiện của các gene liên quan đến chuyển hoá lactose ở vi khuẩn E. coli. Lactose là một trong những nguồn năng lượng của vi khuẩn. Thí nghiệm nuôi cấy vi khuẩn E. coli trong môi trường không có lactose cho thấy nồng độ permease (protein vận chuyển ở mảng) và b-galactosidase (enzyme phân giải lactose) trong tế bào rất thấp. Tuy nhiên, nếu bổ sung lactose vào môi trường nuôi vi khuẩn, nồng độ các enzyme này tăng lên 1.000 lần. Giả thuyết đặt ra là, một tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện đồng thời một cụm nhiều gene mã hoá các enzyme tham gia chuyển hoá lactose. Các gene này được phiên mã thành một mRNA (mRNA polycistronic) và dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide. Từ các thí nghiệm với nhiều chủng E. coli khác nhau, cơ chế điều hoà phiên mã của operon lac ở vi khuẩn E. coli đã được làm sáng tỏ. Thuyết operon do Jacob và Monod để xuất đã giành được giải Nobel về Sinh lí học và Y học (1965).

2. Cơ chế điều hoà biểu hiện gene ở operon lac

- Operon là cụm các gene cấu trúc có chung một cơ chế điều hoà phiên mã và được phiên mã tạo thành một mRNA.

- Các gene trong một operon thường mã hoá protein là các enzyme xúc tác trong một con đường chuyển hoá hoặc cùng tham gia cấu trúc tế bào.

- Operon chỉ có ở hệ gene của sinh vật nhân sơ. 

- Sự phiên mã đồng thời của các gene cấu trúc ở operon lac nhờ RNA polymerase xúc tác được điều hòa bởi lactose (được biến đổi thành allolactose khi vào tế bào, có vai trò là chất cảm ứng), protein ức chế do gene điều hoà mã hoá và các trình tự DNA điều hoà gồm P và O.

- Như vậy, điều hoà biểu hiện gene là sự điều chỉnh lượng sản phẩm của gene trong tế bào.

- Điều hoà biểu hiện gene có thể xảy ra ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình biểu hiện gene ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

II. Ý NGHĨA CỦA SỰ ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GENE

- Điều hoà biểu hiện gene là cơ chế góp phần làm cho sản phẩm của các gene được tạo thành đúng thời điểm, có lượng phù hợp với tế bào và cơ thể. Nhờ đó, sinh vật có thể tối ưu các hoạt động sống và thích ứng với sự thay đổi thường xuyên của môi trường về nhiệt độ, dinh dưỡng,... Ví dụ: Khi vi khuẩn ở môi trường nhiệt độ cao, protein sốc nhiệt được tổng hợp, nhờ đó vi khuẩn chống chịu được điều kiện bất lợi này,....

- Điều hoà biểu hiện gene giúp tế bào tránh lãng phí năng lượng, không bị gây độc, tăng khả năng sống sót và cạnh tranh của sinh vật khi nguồn sống bị hạn chế.

- Bên cạnh đó, ở sinh vật nhân thực đa bào, sự điều hoà biểu hiện gene còn có vai trò quyết định tính đặc thù mô, cơ quan và giai đoạn phát triển cơ thể. Ví dụ: Ở người, gene mã hoá epsilon-2 globin (HBE2) chỉ biểu hiện ở giai đoạn phôi,...

III. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GENE

1. Ứng dụng điều hoà biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ

- Sự điều hoà biểu hiện gene liên quan tới khả năng đáp ứng của vi khuẩn với môi trường sống được ứng dụng trong kiểm soát mật độ tế bào vi khuẩn, phát triển thuốc điều trị các bệnh nhiễm khuẩn, xử lí vi khuẩn gây ô nhiễm môi trường,...

- Điều hoà biểu hiện các protein cần cho sự phân bào là một hướng ứng dụng để kiểm soát tốc độ phân chia tế bào, điều hoà hoạt tính enzyme, từ đó ức chế vi khuẩn gây hại hoặc kích thích sự sinh trưởng của vi khuẩn có lợi.

2. Ứng dụng điều hoà biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực

- Dựa trên hiểu biết về điều hoà biểu hiện gene, có thể chủ động điều chỉnh sự biểu hiện gene ở cây trồng và sản xuất protein tái tổ hợp.

- Các kĩ thuật chuyển vector mang trình tự điều hoà (tăng cường hoặc tắt biểu hiện gene) vào tế bào nhận, từ đó điều chỉnh lượng sản phẩm của gene đích.

- Điều hoà biểu hiện gene được ứng dụng để cải tiến hiệu quả sản xuất protein tái tổ hợp. Để thực hiện điều đó, điều hoà biểu hiện gene theo các hướng: tạo vector tái tổ hợp mang các vùng điều hoà được biến đổi để tăng cường phiên mã, dịch mã; tổng hợp lại gene chứa các bộ ba mã hoá được dịch mã hiệu quả trong tế bảo nhận, chuyển gene mã hoá tRNA vận chuyển amino acid phù hợp tế bào nhận.