BÀI 3. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

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?

Giải nhanh:

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.

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.

Giải nhanh:

• Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế lacI liên kết với operator khiến enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter nhưng không trượt qua được nên các gene cấu trúc không được phiên mã.

• 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, do vậy enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc. Vì vi khuẩn không có màng nhân và gene không phân mảnh nên các gene cấu trúc phiên mã đến đâu được dịch mã đến đó tạo ra các loại enzyme tham gia vào quá trình phân giải lactose trong môi trường.

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

Giải nhanh:

Vì khi môi trường có lactose thì 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.

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. 

Giải nhanh:

• Nhờ có sự điều hoà biểu hiện gene, 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. Ngoài ra, điều hoà biểu hiện gene còn đảm bảo cho tế bào thích nghi được với sự thay đổi của môi trường. 

• Điều hoà biểu hiện gene còn có vai trò quan trọng 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.

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

Giải nhanh:

• 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

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

Giải nhanh:

- Điều hoà biểu hiện gene đảm bảo cho tế bào không bị lãng phí năng lượng. 

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.

Giải nhanh:

• 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 khiến enzyme RNA polymerase có thể liên kết được với vùng khởi động (P) để tiến hành phiên mã, đồng nghĩa với việc operon lac vẫn hoạt động.

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.

Giải nhanh:

Loài vi khuẩn Streptococcus pneumoniae khi gặp môi trường bất lợi (có thuốc kháng sinh) sẽ kích hoạt gene CSP, sản sinh ra protein CSP. Protein này làm cho tế bào dễ dàng nhận được các gene mới từ môi trường bên ngoài, trong số đó sẽ có gene kháng kháng sinh. Trong môi trường kháng sinh, những vi khuẩn có gene kháng kháng sinh sẽ nhanh chóng thích nghi và phát triển mạnh, tạo nên tình trạng kháng kháng sinh.