BÀI 3. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

Mở đầu: Các tế bào soma của một cơ thể người đều có số lượng gene giống nhau với khoảng gần 20 000 gene mã hoá protein. Trong số đó, một số gene chỉ biểu hiện ở giai đoạn phôi, các gene khác chỉ biểu hiện ở giai đoạn trưởng thành. Trong cùng một giai đoạn phát triển, có nhiều gene biểu hiện khác nhau ở các loại mô. Cơ chế phân tử nào dẫn đến hiện tượng này? Điều đó có ý nghĩa như thế nào đối với cơ thể?

Giải nhanh:

- Cơ chế điều hòa biểu hiện gen dẫn đến hiện tượng này.

- Ý nghĩa đối với cơ thể là điều hòa hoạt động của gene theo trạng thái của cơ thể, giúp cơ thể sinh trưởng và phát triển ổn định.

I. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA VI KHUẨN OPERON LAC Ở VI KHUẨN E. coli

Câu 1: Tại sao khi tăng nồng độ lactose trong môi trường nuôi cấy vi khuẩn E. coli, nồng độ các protein và enzyme phân giải đường này cũng tăng và ngược lại?

Giải nhanh:

Do một tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện đồng thời một cụm nhiều gene mã hoá các enzyme tham gia chuyển hoá lactose. Các gene này được phiên mã thành một mRNA (mRNA polycistronic) và dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide.

Câu 2: Quan sát hình 3.1 và dự đoán gene điều hoà chi phối sự phiên mã các gene cấu trúc của operon lạc bằng cách nào?

Giải nhanh:

Gene điều hòa sẽ quy định tổng hợp nên protein ức chế liên kết với vùng vận hành (O) và ngăn cản quá trình phiên mã xảy ra.

Câu 3: Quan sát hình 3.2 và cho biết:

a) Khi môi trường không có lactose, tại sao các gene cấu trúc của operon lac không được phiên mã?

b) Khi môi trường có lactose, tại sao các gene cấu trúc của operon lac được phiên mã?

Giải nhanh:

a) Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế liên kết với operator khiến RNA polymerase không thể liên kết được với promoter nên các gene cấu trúc không được phiên mã. 

b) Khi môi trường có lactose: một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose) và liên kết với protein ức chế lacI khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với operator, enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.

Luyện tập: Hãy trình bày tóm tắt cơ chế điều hoà biểu hiện gene ở operon lac của E. coli.

Giải nhanh:

- Khi không có lactose trong môi trường: Protein ức chế LacI liên kết với operator, ngăn RNA polymerase kết nối với promoter, làm cho các gene cấu trúc không được phiên mã.

- Khi có lactose trong môi trường: Lactose chuyển thành allolactose và kết hợp với protein ức chế LacI, làm thay đổi cấu trúc protein này, không còn liên kết với operator. RNA polymerase có thể kết nối với promoter và phiên mã các gene cấu trúc. Quá trình này sản sinh enzyme phân giải lactose trong môi trường.

II. KHÁI NIỆM, CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI GENE

III. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

Câu 1: Hãy nêu các ứng dụng thực tế liên quan đến cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong kiểm soát mật độ tế bào ở vi khuẩn hoặc tăng hiệu quả sản xuất protein tái tổ hợp.

Giải nhanh:

Ứng dụng: Vi khuẩn Streptococcus mutans gây bệnh sâu răng ở người có khả năng tạo 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. Vì vậy, nghiên cứu xác định các chất là phân tử tín hiệu ảnh hưởng tới sự điều hoà cảm ứng mật độ ở vi khuẩn giúp phát triển thuốc điều trị bệnh do vi khuẩn này gây nên. Ví dụ: 3,3'-diindolylmethane (DIM) được xác định là có khả năng ức chế hình thành màng sinh học ở vi khuẩn S. mutans.

Vận dụng: Tại sao các thuốc có đích tác động là cơ chế cảm ứng mật độ có nhiều triển vọng ứng dụng trong điều trị bệnh do vi khuẩn kháng kháng sinh?

Giải nhanh:

Vi khuẩn kháng kháng sinh phát triển nhanh và có mật độ cao, làm cho cơ chế cảm ứng mật độ trở thành phương pháp triển vọng trong điều trị các bệnh do chúng gây ra.