Bài 3: Điều hoà biểu hiện gene

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

1. Thí nghiệm

- Monod và Jacob đã sử dụng các dòng đột biến gene ở vi khuẩn E.coli và nuôi cấy chúng trong điều kiện môi trường có lactose và không có lactose. Sau đó, xác định lượng các loại enzyme tham gia quá trình phân giải lactose trong tế bào.

- Lô đối chứng: nuôi vi khuẩn trong môi trường không có lactose và có amino acid đánh dấu phóng xạ.

- Lô thí nghiệm: nuôi vi khuẩn trong môi trường có lactose và các amino acid đánh dấu phóng xạ.

- Kết quả: Ở lô đối chứng, các enzyme β-galactosidase, permease và transacetylase đánh dấu phóng xạ xuất hiện với lượng không đáng kể, trong khi ở lô thí nghiệm, lượng các enzyme đánh dấu phóng xạ trong tế bào tăng mạnh so với lô đối chứng.

- Kết luận: Lactose đã kích hoạt tế bào tổng hợp đồng thời cả ba enzyme β-galactosidase, permease và transacetylase.

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

a) Cấu trúc operon lac 

- Gồm vùng điều hoà và ba gene cấu trúc.

+ Vùng điều hoà gồm trình tự P, là nơi enzyme RNA polymerase khởi động quá trình phiên mã các gene cấu trúc và trình tự O, nơi liên kết với protein ức chế ngăn cản quá trình phiên mã.

+ Tiếp đến là ba gene cấu trúc: lacZ quy định enzyme β-galactosidase, lacY quy định enzyme permease và gene lacA quy định enzyme transacetylase.

+ Operon lac được điều hoà bởi gene điều hoà lacl quy định protein ức chế. Tuy nhiên, gene lacl không thuộc operon lac.

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

- Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế lacl liên kết với operator khiến enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter nhưng không trượt qua được nên các gene cấu trúc không được phiên mã.

- Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose) và liên kết với protein ức chế lacl khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với operator, do vậy enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc. Vì vk không có màng nhân và gene không phân mảnh nên các gene cấu trúc phiên mã đến đâu được dịch mã đến đó tạo ra các loại enzyme tham gia vào quá trình phân giải lactose trong môi trường.

II. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn của điều hoà

1. Ý nghĩa

- Nhờ có sự điều hoà biểu hiện gene, tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm của gene khi cần thiết, với lượng phù hợp với nhu cầu nên tiết kiệm được năng lượng.

- Điều hoà biểu hiện gene còn đảm bảo cho tế bào thích nghi được với sự thay đổi của môi trường.

- Điều hoà biểu hiện gene còn có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của các sinh vật đa bào nhân thực.

2. Ứng dụng thực tiễn

- Trong ngành y dược, khi biết được cơ chế hoạt động của gene gây bệnh, người ta có thể sản xuất ra các thuốc ức chế sản phẩm của gene gây bệnh.

- Trong trồng trọt, các nhà khoa học có thể chủ động đóng, mở một số gene nhất định ở cây trồng phù hợp với nhu cầu sản xuất.

Ví dụ: Nuôi cấy tế bào thực vật trong môi trường có chứa các chất hoạt hoá gene để tế bào phân chia và tái sinh thành cây con hoàn chỉnh.

- Trong chăn nuôi, người ta có thể sử dụng các hormone sinh dục để điều khiển tỉ lệ giới tính ở động vật.

Ví dụ: sử dụng hormone sinh dục đực xử lí trứng cá rô phi đã thụ tinh, hormone này đi vào các hợp tử và hoạt hoá các gene làm cho các hợp tử phát triển thành 100% cá đực thay vì cá cái.