Bài 3. Điều hòa hoạt động gen

I. KHÁI NIỆM

- Điều hòa hoạt động gen tức là điều hòa lượng sản phẩm của gen đó

- Sự hoạt động khác nhau của các gen trong hệ gen là do quá trình điều hòa

II. CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ

1. Cấu tạo Lactose Operon theo Jacob và Monode

a. Trong tế bào có rất nhiều gen, ở mỗi thời điểm chỉ có 1 số gen hoạt động, phần lớn các gen còn lại ở trạng thái ức chế, tức là tế bào chỉ tổng hợp prôtêin khi cần thiết.

Ví dụ: gen qui định việc tạo ra kháng thể chống 1 loại bệnh nào đó chỉ hoạt động khi trong cơ thể xuất hiện mầm bệnh đó, còn phần lớn thời gian còn lại gen tồn tại ở trạng thái bị ức chế - không hoạt động

b. Một hệ thống gồm nhiều gen cấu trúc có liên quan về chức năng cùng phối hợp hoạt động điều hoà tổng hợp prôtêin gọi là Operon. Một Operon gồm:

+ Z,Y,A: cụm các gen cấu trúc: kiểm soát các polipeptit có liên quan về chức năng.

+ O: gen chỉ huy chi phối hoạt động của cụm gen cấu trúc

+ P: vùng khởi động (nơi ARN – polimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã)

c. R: gen điều hòa kiểm soát tổng hợp prôtêin ức chế (R không phải là thành phần của Opêron)

Gen điều hòa

Lac ôperon

2. Cơ chế hoạt động của Lactose Operon ở E.coli

Vi khuẩn E.coli mẫn cảm với đường lactose do đó khi sống trong môi trường có đường lactose E.coli sẽ tiết ra enzyme lactaza để phân giải đường lactose

a. Khi môi trường không có lactose

- Bình thường, gen điều hòa (R) tổng hợp một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy (O), do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Z,Y,A sẽ không thực hiện được phiên mã và dịch mã. Vì vậy, sản phẩm của cụm gen là lactaza không được tạo thành.

b. Khi môi trường có lactose

- Lactose đóng vai trò là chất cảm ứng. Chất cảm ứng sẽ liên kết với prôtêin ức chế làm prôtêin ức chế thay đổi cấu hình không gian và trở nên bất hoạt (không hoạt động). Prôtêin ức chế không thể bám vào gen chỉ huy O, gen chỉ huy hoạt động bình thường điều khiển Z,Y,A thực hiện phiên mã và dịch mã tổng hợp nên sản phẩm của cụm gen là lactaza.

- Lactaza được tiết ra sẽ làm nhiệm vụ phân giải lactose trong môi trường.

3. Các cấp độ điều hòa hoạt động gen

- Điều hòa trước phiên mã: là điều hòa số lượng gen qui định tính trạng nào đó trong tế bào

- Điều hòa phiên mã: là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN (vd: điều hòa hoạt động của cụm gen Z,Y,A trong lactose Operon)

- Điều hòa dịch mã: là điều hòa lượng prôtêin được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gia dịch mã

- Điều hòa sau dịch mã: là điều hòa chức năng của prôtêin sau khi đã dịch mã hoặc loại bỏ prôtêin chưa cần thiết (ví dụ: điều hòa hoạt động gen R trong mô hình điều hòa lactose Operon)

CÂU HỎI THAM KHẢO:

Bình thường người ta thấy loài vi sinh vật nọ không sản xuất ra enzim D, nhưng khi đưa thêm vào môi trường nuôi cấy của chúng một chất dinh dưỡng E thì sau 15 phút người ta thấy enzim D xuất hiện. Hãy giải thích hiện tượng trên về mặt cơ chế di truyền.

* Dữ kiện đề bài cho ta nhận định sự điều hoà tổng hợp enzim D ở VSV nọ có thể xảy ra theo cơ chế điều hoà hoạt động gen ở vi khuẩn của F.Jacôp và J.mônô.

- Trong tế bào của VSV, các gen cấu trúc có liên quan về chức năng được phân bố liền nhau thành từng cụm có chung một cơ chế điều hoà được gọi là một opêron.

- 1 Opêrôn gồm các thành phần cơ bản sau:

+1 nhóm gen cấu trúc có liên quan về chức năng.

+ Vùng vận hành (O): là nơi prôtêin ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã, khi không có prôtêin ức chế thì vùng vận hành hoạt động.

+ Vùng khởi động: Nơi ARN polimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã.

Sự hoạt động của Opêrôn phụ thuộc vào sự điều khiển của gen điều hoà Opêrôn (R), gen điều hoà không nằm trong thành phần của Opêrôn mà nằm trước Opêrôn.

Bình thường gen điều hoà tổng hợp prôtêin ức chế liên kết với vùng vận hành (O) ngăn cản quá trình phiên mã (không cho Opêrôn hoạt động).

* Trong đề bài thấy bình thường gen điều hoà phiên mã tạo mARN, tổng hợp prôtêin ức chế, chất ức chế bám vào vùng vận hành, do đó các gen cấu trúc không được phiên mã nên enzim D không được tổng hợp.

- Khi đưa thêm chất dinh dưỡng E vào môi trường nuôi cấy VSV nọ thì chính chất này với vai trò là chất cảm ứng gắn với prôtêin ức chế nên nó không gắn vào vùng vận hành được nữa, vùng vận hành được tự do điều khiển quá trình phiên mã của Opêrôn, mARN của các gen cấu trúc được tổng hợp và quá trình dịch mã xảy ra enzim D được tổng hợp.

Bài 3. Điều hòa hoạt động gen