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 rút gọn:

Điều hoà biểu hiện gene là quá trình đóng/mở hay bật/tắt gene, chủ yếu xảy ra ở khâu điều hoà phiên mã. Một gene chỉ được phiên mã khi tế bào nhận được tín hiệu cho phép gene đó được phiên mã; ngược lại, khi lượng sản phẩm của gene tạo ra vượt mức 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 rút gọn:

• Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế lacI liên kết với operator khiến RNA polymerase 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 allolactose và liên kết với protein ức chế lacI làm thay đổi cấu hình nên không liên kết với operator, do vậy RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc. 

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

Giải rút gọn:

Vì khi môi trường có lactose thì lactose chuyển thành allolactose liên kết với protein ức chế lacI khiến protein này thay đổi cấu hình 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 rút gọn:

• Nhờ có sự điều hoà biểu hiện gene, tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm của gene khi cần thiết, với lượng phù hợp nên tiết kiệm được năng lượng., đảm bảo tế bào thích nghi với sự thay đổi của môi trường. 

• Sự phân hóa các mô và cơ quan chuyên biệt chính xác: Các tế bào sinh ra từ một hợp tử có cùng hệ gene, nhưng các tế bào con nhận được các tín hiệu điều hoà khác nhau nên đóng, mở các nhóm gene khác nhau, tạo nên các tế bào chuyên hoá. 

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

Giải rút gọn:

Ứng dụng:

• Trong y học: điều trị ung thư bằng cách nhắm vào các gen liên quan đến sự phát triển, tồn tại và lan truyền của khối u. 

• Trong nông nghiệp: tăng cường các đặc điểm mong muốn trong cây trồng như năng suất, dinh dưỡng và khả năng chống lại sâu bệnh.

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 rút gọn:

Ý nghĩa: đảm bảo cho tế bào không bị lãng phí năng lượng. Ở sinh vật đa bào, điều hoà biểu hiện gene giúp các tế bào được biệt hoá thực hiện các chức năng khác nhau trong quá trình phát triển cá thể.

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 rút gọn:

Có hai trường hợp xảy ra:

• 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 rút gọn:

Vi khuẩn khi gặp môi trường có thuốc kháng sinh sẽ kích hoạt gene CSP, sản sinh ra protein CSP. Protein này làm cho tế bào nhận được gene kháng kháng sinh từ môi trường bên ngoài. 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.