CĐ3 - Điều hòa biểu hiện gene

CĐ3. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN CỦA GENE

Điều gì xảy khi sản phẩm của gene không tạo ra
được, trong khi nhu cầu cơ thể cần? Tại sao sản

phẩm của gene không tạo ra được?

KHỞI ĐỘNG

GV lấy 1 số ví dụ:
- Gen hoạt động thường xuyên → tạo sản phẩm liên tục
VD: gen quy định tổng hợp enzim tham gia trao đổi chất, tiêu hóa...
- Gen hoạt động tùy lúc, theo giai đoạn tùy nhu cầu của cơ thể
VD: gen tổng hợp hoocmon sinh dục, gen tổng hợp protein trong sữa mẹ khi mang thai và cho con bú,…
Như vậy, trong mỗi tế bào có hàng chục nghìn gene nhưng tại mỗi thời điểm chỉ một số gene hoạt động. Làm thế nào tế bào có thể đóng/mở các gene nhất định đúng thời điểm, tạo ra đúng lượng sản phẩm tế bào cần?

KHỞI ĐỘNG

Tế bào chỉ cần sản phẩm của một gene nhất định vào thời điểm nhất định.

Dovậy, các gene cần được điều khiển để có thể tạo ra đủ lượng sản phẩm vào đúngthời điểm khi tế bào cần đến.

Điều hoà biểu hiện gene hay điều hoà hoạt động gene được xem như là quá trình đóng/mở hay bật/tắt gene.

Quá trình điều hoà biểu hiện gene chủ yếu xảy ra ở khâu điều hoà phiên mã (gene có được phiên mã hay không phiên mã).

Một gene chỉ được phiên mã khi tế bào nhận được tín hiệu cho biết gene đó cần được phiên mã; ngược lại, khi lượng sản phẩm của gene tạo ra vượt quá nhu cầu của tế bào thì sẽ có tín hiệu để gene ngừng hoạt động phiên mã.

4

TÌM HIỂU

I. THÍ NGHIỆM
XÁC ĐỊNH CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA OPERON LAC Ở VI KHUẨN E.COLI

Thí nghiệm của
Monod - Jacob

1. Thí nghiệm

Trình bày nội dung thí nghiệm của Monod và Jacob:
- Ba gene khác nhau gồm lacZ, lacY và lacA mã hóa cho sản phẩm chức

năng gì?

- 3 gene lacZ, lacY và lacA phân bố và được điều khiển như thế nào?
- Hoạt động của operon Lac chịu sự điều khiển của một gene/ yếu tố nào?

Qua thí nghiệm nhận thấy:

(1) Khi môi trường không có lactose, trong mỗi tế bào E. coli.

(2) Khi lactose được bổ sung

vào môi trường nuôi cấy

(không chứa glucose)

Ba

loại

enzyme

tham

gia

chuyển

hoá đường lactose

2. Cấu trúc của operon lac

Quan sát hình và trình bày cấu trúc của operon lac

- Vùng điều hòa: vị trí và chứa thành phần nào?

+ Trình tự P (promoter): cấu trúc và chức năng gì?
+ Trình tự O (operator): cấu trúc và chức năng gì?

- Ba gene cấu trúc:

+ Gene lacZ có cấu trúc và chức năng gì?
+ Gene lacY có cấu trúc và chức năng gì?
+ Gene lacA có cấu trúc và chức năng gì?

3. Cơ chế điều hòa biểu hiện

của Open lac

Trình bày cơ chế điều hòa biểu
hiện gene của operon lac
Cơ chế 1:
- Khi môi trường có/không có
lactose?

+ Protein ức chế (lacI) sẽ như

thế nào?

+ enzyme RNA polymerase sẽ

như thế nào?

+ Các nhóm gene cấu trúc sẽ

hoạt động ra sao khi có/hay không
có enzyme polymerase bám vào
P?
Chú thích sơ đồ

3. Cơ chế điều hòa biểu hiện của
Open lac
Cơ chế 2:
- Khi môi trường có/không có
lactose?

+ Protein ức chế (lacI) sẽ như thế

nào?

+ enzyme RNA polymerase sẽ như

thế nào?

+ Các nhóm gene cấu trúc sẽ hoạt

động ra sao khi có/hay không có
enzyme polymerase bám vào P?

Chú thích sơ đồ

1. Thí nghiệm
- Ba gene khác nhau gồm lacZ, lacY và lacA mã hóa cho 3 loại enzyme tham gia
chuyển hoá đường lactose.
- 3 gene lacZ, lacY và lacA nằm thành cụm (thuộc cùng một đơn vị phiên mã), được điều
khiển bởi một vùng promoter (P) và một vùng operator (O) → Operon Lactose (Lac).
- Hoạt động của operon Lac chịu sự điều khiển của một gene điều hòa (lacl) nằm trước operon, gene này mã hoá cho một loại protein ức chế có khả năng liên kết với vùng operator để điều hòa hoạt động của operon Lac.
Qua thí nghiệm nhận thấy:

(1) Khi môi trường không có

lactose, trong tế bào E. coli

(2) Khi lactose được bổ sung vào môi trường nuôi cấy (không chứa glucose)

Ba

loại

enzyme

tham

gia

chuyển

hoá đường lactose

Chỉ có một vài phân tử enzyme;

Ba loại enzyme tăng lên khoảng 1000 lần chỉ trong vòng 2-3 phút.

2. Cấu trúc của operon lac
Operon lac bao gồm: vùng điều hòa và ba gene cấu trúc.
- Vùng điều hòa: chứa

+ Trình tự P (promoter): là nơi enzyme RNA polymerase khởi động phiên mã
các gene cấu trúc.

+ Trình tự O (operator): là nơi liên kết với protein ức chế ngăn cản phiên mã

- Ba gene cấu trúc:

+ Gene lacZ quy định enzyme β-galatosidase (có chức năng phân giải lactose).
+ Gene lacY quy định enzyme permease (chức năng vận chuyển lactose vào tế bào).
+ Gene lacA quy định enzyme transacetylase (chức năng khử chất độc vào tế bào).

Operon lac được điều hòa bởi gene điều hòa lacI quy định protein ức chế (lacI).

3. Cơ chế điều hòa biểu hiện của Open lac
Cơ chế 1: Khi môi trường không có lactose:

Protein ức chế (lacI) liên kết với operator

(O) làm cho enzyme RNA polymerase không
thể liên kết được với promoter (P) nên các
gene cấu trúc không được phiên mã.

Chú thích:
[1] = Allolactose,
[2] = Protein ức chế/điều hòa,
[4] = RNA polymerase,

3. Cơ chế điều hòa biểu hiện của Open lac
Cơ chế 2: Khi môi trường có lactose:

Một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng

phân của lactose và liên kết với protein ức
chế khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với operator (O), do vậy enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter (P) và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.
Chú thích:
[1] = Allolactose,
[2] = Protein ức chế/điều hòa,
[3] = Protein ức chế bị bất hoạt,
[4] = RNA polymerase,
[5] = enzyme β-galatosidase,
[6] = enzyme permease,
[7] = enzyme transacetylase.

14

TÌM HIỂU

Ý NGHĨA & ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU
HÒA BIỂU HIỆN GENE

Ý NGHĨA CỦA ĐIỀU

HÒA BIỂU HIỆN GENE

Câu 1. Phân tích ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong tế bào và quá trình phát triển cá thể.
Giải thích.
a - Ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong tế bào:
Ví dụ: Khi môi trường có tryptophan, vi khuẩn E. coli sẽ ngưng sản xuất các enzyme xúc tác cho quá
trình tổng hợp tryptophan.
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;
Ví dụ: Khi tế bào chịu tác động của bức xạ tia tử ngoại (UV), các gene mã hoá protein sửa chữa DNA
được cảm ứng biểu hiện giúp tế bào sống sót.

b - Ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong quá trình phát triển của các sinh vật đa bào nhân
thực:
Ví dụ: Ở người, gene tham gia quy định hình thái của cơ thể chỉ biểu hiện ở giai đoạn phôi, sau đó
dừng hẳn;
Ví dụ: Trong quá trình biến thái ở bướm, các gene biểu hiện khác nhau ở giai đoạn sâu bướm và bướm
trưởng thành
Ví dụ: ở người, gene mã hoá epsilon-2 globin (HBE2) chỉ biểu hiện ở giai đoạn phôi, gene mã hoá
beta-globin (HBB) chỉ biểu hiện ở giai đoạn trưởng thành.

a - Ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong tế bào:

+ 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.

+ Đảm bảo cho tế bào thích nghi được với sự thay đổi của môi trường.

b - Ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong quá trình phát triển của các sinh vật đa
bào nhân thực:

+ Từ hợp tử tạo ra được cơ thể sinh vật hoàn chỉnh với các tế bào và các mô chuyên hoá

khác nhau là nhờ có sự điều hoà biểu hiện gene một cách chính xác.

+ Các tế bào sinh ra từ một hợp tử mặc dù có cùng hệ gene, nhưng các tế bào con nhận

được các tín hiệu điều hoà khác nhau từ tế bào chất của hợp tử và trong quá trình phát
triển lại nhận tín hiệu điều hoà từ các tế bào xung quanh nên các tế bào khác nhau
đóng, mở các nhóm gene khác nhau, tạo nên các tế bào chuyên hoá.

+ Nếu quá trình điều hoà biểu hiện gene trong quá trình phát triển bị trục trặc, phôi
thai có thể bị chết hoặc cá thể sinh ra sẽ bị dị dạng.

ỨNG DỤNG ĐIỀU HÒA

BIỂU HIỆN GENE

1. Ứng dụng điều hoà biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ
3,3'-diindolylmethane (DIM) gây ức chế hình thành màng sinh học ở
vi khuẩn Streptococcus mutans gây bệnh sâu răng ở người có khả năng
tạo màng sinh học (hình thành mảng bám răng). Vi khuẩn này có khả
năng tạo màng sinh học nhờ cơ chế điều hoà biểu hiện gene cảm ứng mật độ tế bào.

Những nghiên cứu này có ý

nghĩa như thế nào?

- 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,...

- Kiểm soát tốc độ phân chia tế bào, điều hoà hoạt tính enzyme

→ 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
Ví dụ: Để cải tiến khả năng chịu hạn của lúa Oryza sativa, các nhà khoa học Việt Nam
đã thiết kế vector chuyển gene mã hoá protein điều hoà và promoter vào giống lúa
Chành Trụi giúp tăng cường biểu hiện các gene liên quan với đáp.
Ví dụ: Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo được chủng vi khuẩn S.
gordonii chuyển gene và mang trình tự điều hoà giúp tăng cường biểu hiện kháng thể
và kháng nguyên, cung cấp nguyên liệu sản xuất vaccine đường uống

Những nghiên cứu này có ý nghĩa như thế nào?

Chủ động điều chính 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 đỏ điều chỉnh lượng sản phẩm của gene đích.
Cải tiến hiệu quả sản xuất protein tái tổ hợp: 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 bào nhận; chuyển gene mã hoá tRNA vận chuyển amino acid phù hợp tế
bào nhận

Câu hỏi 1:

<TNNLC> Trong mô hình cấu trúc của operon

Lac, vùng vận

hành là nơi có chức năng gì?

A. Chứa thông tin mã hoá các amino acid trong phân tử protein
cấu trúc.

B. RNA polimerase bám vào và khởi đầu phiên mã.

C. Protein ức chế có thể liên kết làmngăn cản sựphiênmã.

D. Mang thông tin quy định cấu trúc protein ức chế.

Câu hỏi 2:

<TNNLC> Trong cơ chế điều hoà hoạt động của operon Lac ở vi

khuẩn E.coli, vùng khởi động (promoter) có chức năng gì?

A. Nơi mà chất cảm ứng có thể liên kết để khởi đầu phiên mã.

B. Những trình tự nucleotide đặc biệt, tại đó protein ức chế có
thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã.

C. Những trình tự nucleotide mang thông tin mã hoá cho phân
tử protein ức chế.

D. Nơi mà RNA polimerase bám vào và khởi đầu phiên mã.

Câu hỏi 3:

TNĐS> Hình mô tả các thành phần của operon lac, nhận định nào sau đây đúng?

A. Mô hình này thể hiện cơ chế đóng, nghĩa là sản phẩm gene cấu trúc không được tạo ra.

B. Gene điều hoà R tổng hợp protein ức chế, dù có hay không có lactose thì gene R luôn

tổng hợp protein ức chế.

C. Các gene cấu trúc Z, Y, A phiên mã tạo ra các phân tử mRNA khi ngoài môi trường tế

bào có lactose.

D. Nếu gene R đột biến hoặc vùng O đột biến hoặc môi có lactose thì có thể dẫn đến operon

liên tục hoạt động và liên tục tạo ra sản phẩm sinh học của các gene cấu trúc thuộc
operon.

Câu hỏi 4:

<TNĐS> Hình mô tả các thành phần của operon lac, mỗi nhận định sau đây là Đúng hay Sai về

hình này?

A. Các gene cấu trúc không tạo ra được sản phẩm sinh học.

B. Khi môi trường không có lactose thì protein ức chế ức chế vùng O làm cho enzyme phiên mã

RNA polymerase không bám được vùng P nên làm cho toàn bộ các gene trong operon không
hoạt động được.

C. Nếu vùng O đột biến thì dẫn đến operon liên tục hoạt động và liên tục tạo ra sản phẩm sinh học

của các gene cấu trúc thuộc operon.

D. Nếu người ta tiêm vào tế bào chất allolactose thì sản phẩm gene cấu trúc lacZ, lacI, lacA được

tạo ra.

The End