BÀI 3. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

PHẦN I. HỆ THỐNG BÀI TẬP, BÀI GIẢI CUỐI SGK

Mở đầu: 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?

I. THÍ NGHIỆM PHÁT HIỆN RA OPERON LAC Ở VI KHUẨN E.COLI

Câu 1: Quan sát các hình 3.1 và 3.2, hãy giải thích cơ chế điều hòa biểu hiện gen của operon lac.

Câu 2: Tại sao môi trường có lactose thì protein ức chế lại không liên kết với operator?

II. Ý NGHĨA VÀ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA ĐIỀU HÒA BIỂN 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. 

Câu 2: Hãy tìm thêm một số ứng dụng của điều hòa biểu hiện gen trong nông nghiệp và trong y học.

LUYỆN TẬP VÀ VẬN DỤNG

Câu 1: Nêu ý nghĩa của điều hoà biểu hiện đồng thời nhiều gene cùng lúc kiểu operon lac.

Câu 2: Nếu môi trường nuôi cấy vi khuẩn E.coli không có lactose nhưng operon lac vẫn hoạt động thì có thể dự đoán vi khuẩn bị hỏng ở bộ phận nào của operon lac? Giải thích.

Câu 3: Các nhà khoa học nhận thấy loài vi khuẩn Streptococcus pneumoniae khi gặp môi trường bất lợi (có thuốc kháng sinh) thì một trong số các gene được kích hoạt là gene CSP, sản sinh ra protein CSP. Protein này làm cho tế bào dễ dàng nhận được các gene từ môi trường bên ngoài. Các nhà khoa học cho rằng gene CSP hoạt động khi mỗi trường có thuốc kháng sinh làm cho vi khuẩn nhanh chóng trở nên kháng thuốc kháng sinh. Hãy giải thích.

PHẦN 2. 5 PHÚT TRẢ LỜI CÂU HỎI, BÀI TẬP TRONG SGK

Đáp án MĐ: Điều hòa biểu hiện gene là quá trình đóng/mở gene, chủ yếu diễn ra ở khâu điều hòa phiên mã. Gene được phiên mã khi tế bào nhận tín hiệu cần thiết; ngược lại, khi sản phẩm gene dư thừa, tín hiệu sẽ ngừng phiên mã.

I. THÍ NGHIỆM PHÁT HIỆN RA OPERON LAC Ở VI KHUẨN E.COLI

Đáp án câu 1:

- Khi không có lactose, protein ức chế lacI liên kết với operator, ngăn RNA polymerase trượt qua, nên các gene cấu trúc không được phiên mã.

- Khi có lactose, allolactose liên kết với protein ức chế lacI, khiến nó không thể liên kết với operator. RNA polymerase có thể liên kết với promoter và phiên mã các gene cấu trúc. Vi khuẩn không có màng nhân và gene không phân mảnh, nên gene được phiên mã và dịch mã đồng thời, tạo ra enzyme phân giải lactose.

Đáp án câu 2: Khi có lactose, một phần chuyển thành allolactose, liên kết với protein ức chế lacI, làm thay đổi cấu hình protein này và ngăn nó liên kết với operator.

II. Ý NGHĨA VÀ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA ĐIỀU HÒA BIỂN HIỆN GENE

Đáp án câu 1:

- Điều hòa biểu hiện gene giúp tế bào tổng hợp sản phẩm gene khi cần thiết, tiết kiệm năng lượng và thích nghi với môi trường.

- Ở sinh vật đa bào nhân thực, quá trình này quan trọng cho sự phát triển, từ hợp tử đến cơ thể hoàn chỉnh với các mô chuyên hóa khác nhau.

- Sự điều hòa chính xác của gene tạo nên các tế bào chuyên hóa, và nếu quá trình này trục trặc, phôi thai có thể chết hoặc sinh ra dị dạng.

Đáp án câu 2:

- Trong y học, điều chỉnh biểu hiện gen quan trọng trong điều trị ung thư bằng cách nhắm vào các gen liên quan đến sự phát triển và lan truyền của khối u, sử dụng các phân tử ức chế, kháng thể đơn dòng hoặc công nghệ chỉnh sửa gen để ức chế sự phát triển hoặc kích thích sự chết của tế bào ung thư.

- Trong nông nghiệp, điều hòa biểu hiện gen có thể tăng cường đặc điểm mong muốn như năng suất, dinh dưỡng và kháng sâu bệnh. Ví dụ, điều chỉnh gen chịu hạn hoặc kháng sâu bệnh bằng CRISPR/Cas9 giúp phát triển giống cây chống chịu tốt và năng suất cao.

LUYỆN TẬP VÀ VẬN DỤNG

Đáp án câu 1: Điều hoà biểu hiện gene đảm bảo cho tế bào không bị lãng phí năng lượng.

Đáp án câu 2:

- Gen điều hòa (R) bị đột biến hoặc bất hoạt không tạo ra protein ức chế lacI.

- Vùng vận hành (O) bị đột biến hoặc bất hoạt nên không thể liên kết với protein ức chế lacI.

Cả hai trường hợp trên đều cho phép RNA polymerase liên kết với vùng khởi động (P) và phiên mã, nên operon lac vẫn hoạt động.

Đáp án câu 3: Khi gặp môi trường bất lợi, vi khuẩn Streptococcus pneumoniae kích hoạt gene CSP, sản xuất protein CSP. Protein này giúp vi khuẩn dễ dàng nhận gene mới từ môi trường bên ngoài, trong đó có gene kháng kháng sinh. Trong môi trường kháng sinh, vi khuẩn có gene kháng sẽ phát triển mạnh, gây ra tình trạng kháng kháng sinh.