BÀI 3. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

Mở đầu: Hiện nay, việc sử dụng tế bào gốc trong y học là một trong những thành tựu có vai trò quan trọng trong điều trị các bệnh di truyền ở người. Tế bào gốc được sử dụng để thay thế cho các tế bào, mô bị tổn thương trong cơ thể bệnh nhân. Bằng cách nào mà tế bào gốc có thể trở thành các loại tế bào khác nhau trong cơ thể?

Đáp án chuẩn:

Tế bào gốc là tế bào đặc biệt trong cơ thể con người có khả năng phát triển thành nhiều loại tế bào khác nhau để thay thế hoặc sửa chữa các tế bào bị tổn thương. Chúng có khả năng phân chia để tạo ra các tế bào con có khả năng tái tạo (tự đổi mới) hoặc có thể biến thành các loại tế bào trưởng thành khác (biệt hóa). Điều này giúp tế bào gốc có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tái tạo và duy trì các chức năng của cơ thể.

I. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA OPERON LAC 

Câu 1: Tại sao hai nhà khoa học Jacob và Monod có thể kết luận ba gene lacZ, lacY và lacA cùng nằm trên một phân tử DNA?

Đáp án chuẩn:

Jacob và Monod nuôi cấy vi khuẩn E. coli trong hai môi trường khác nhau và quan sát sự gia tăng số lượng enzyme trong tế bào. Họ phát hiện rằng các gene lacZ, lacY và lacA nằm liền kề nhau trên phân tử DNA, thuộc cùng một đơn vị phiên mã. Các gene này được điều khiển bởi một vùng promoter và một vùng operator.

Câu 2: Quan sát Hình 3.2 và 3.3, hãy:

a) Mô tả cơ chế điều hoà hoạt động của operon Lac khi mỗi trường không có và có đường lactose.

b) Cho biết điều gì sẽ xảy ra khi đường lactose được sử dụng hết.

Đáp án chuẩn:

- Khi không có lactose trong môi trường, operon Lac bị ức chế, dẫn đến việc tế bào vi khuẩn chỉ chứa ít enzyme chuyển hoá đường lactose (Hình 3.2).

- Khi lactose được bổ sung vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn, nó được chuyển hóa thành allolactose, một chất cảm ứng gây bất hoạt protein điều hoà. Kết quả là các gene trong operon Lac được biểu hiện, dẫn đến tăng sản xuất enzyme chuyển hoá đường lactose trong tế bào (Hình 3.3).

Luyện tập: Trong cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon Lac, tại sao lactose được xem là chất giúp cho gene được biểu hiện?

Đáp án chuẩn:

- Khi môi trường có lactose, một lượng nhỏ lactose được chuyển hóa thành đồng phân allolactose. Allolactose kết hợp với protein ức chế LacI, làm thay đổi cấu hình của protein này, khiến nó không còn liên kết với operator. Nhờ đó, enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và bắt đầu phiên mã các gene cấu trúc, từ đó gene được biểu hiện.

II. Ý NGHĨA CỦA ĐIỀU HÒA BIỂN HIỆN GENE

Câu 3: Dựa vào cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon Lac, hãy cho biết ý nghĩa của điều hoà biểu hiện gene đối với quá trình trao đổi chất ở sinh vật.

Đáp án chuẩn:

Điều hoà biểu hiện gen giúp sinh vật tự điều chỉnh quá trình trao đổi chất trong tế bào. Chỉ những sản phẩm cần thiết cho hoạt động sống của tế bào được sản xuất với hàm lượng phù hợp. Điều này cho phép sinh vật thích ứng với biến đổi của môi trường.

Câu 4: Quan sát Hình 3.5, hãy cho biết sự điều hoà biểu hiện gene có ý nghĩa như thế nào đối với sự phát triển cá thể ở sinh vật đa bào. 

Đáp án chuẩn:

- Điều hòa biểu hiện gen giúp tế bào đi vào con đường biệt hoá, hình thành các mô, cơ quan và hệ cơ quan chuyên hoá, từ đó hình thành cơ thể hoàn chỉnh.

- Đảm bảo sự phát triển bình thường của cơ thể.

Luyện tập: Nếu cơ chế điều hoà biểu hiện gene bị rối loạn sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển ở sinh vật đa bào?

Đáp án chuẩn:

- Tế bào không đi vào con đường biệt hoá đặc trưng, gây khó khăn trong hình thành các mô và cơ quan.

- Cơ thể bị rối loạn và phát triển bất thường.

III. ỨNG DỤNG ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

Câu 5: Cho biết vai trò của một số ứng dụng điều hoà biểu hiện gene trong Bảng 3.2. Kể thêm ví dụ về ứng dụng điều hoà biểu hiện gene.

Đáp án chuẩn:

• Vai trò của một số ứng dụng điều hoà biểu hiện gene:

- Ví dụ về ứng dụng điều hoà biểu hiện gene:

  + Trong y học, những người bị lùn bẩm sinh do thiếu hormone sinh trưởng có thể được điều trị để đạt chiều cao gần như người bình thường.

  + Trong nông nghiệp, các nhà khoa học có thể điều chỉnh biểu hiện một số gene ở cây trồng để phù hợp với nhu cầu sản xuất. Ví dụ: Sử dụng kỹ thuật nuôi cấy mô thực vật trong môi trường có chứa hoocmon để tế bào phân chia và tái sinh thành cây con hoàn chỉnh; điều khiển biểu hiện của các gene thông qua các chế độ chiếu sáng để cây ra hoa vào mùa thích hợp.

Vận dụng: Ở người, gene BRCA mã hoá cho các protein có vai trò ngăn cản sự phân chia bất thường của các tế bào tuyến vú và buồng trứng. Nếu sự biểu hiện của gene này bị rối loạn sẽ gây nên hậu quả gì? Giải thích.

Đáp án chuẩn:

- Biểu hiện bất thường của gene BRCA có thể khiến các tế bào tuyến vú và buồng trứng phân chia không đều, nghiêm trọng có thể dẫn tới ung thư.

- Khi gene BRCA bị biểu hiện bất thường, không thể ngăn chặn sự phân chia không đều của các tế bào tuyến vú và buồng trứng, dẫn đến sự phát triển không kiểm soát của các tế bào này và có thể dẫn tới ung thư.