Bài 3: Điều hoà biểu hiện gene | Sinh Học 12 | Phần bốn. Di truyền học - Chương I. Di truyền phân tử - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 18)

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

• Trình bày được thí nghiệm trên operon lac của E.coli.

• Phân tích được ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong tế bào và trong quá trình phát triển cá thể.

• Nêu được ứng dụng của điều hòa biểu hiện gene.

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

Người đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu điều hòa hoạt động gene là Monod và Jacob. Vào những năm 1950, họ đã nghiên cứu phát hiện ra cơ chế điều hòa hoạt động của operon lac ở vi khuẩn E.coli.

1. Thí nghiệm

Monod và Jacob đã tiến hành thí nghiệm tìm hiểu cơ chế lactose có thể gây cảm ứng khiến tế bào tổng hợp các enzyme phân giải lactose. Hai ông đã sử dụng các dòng đột biến gene ở vi khuẩn E.coli và nuôi cấy chúng trong điều kiện môi trường có lactose và không có lactose. Sau đó, xác định lượng các loại enzyme tham gia quá trình phân giải lactose trong tế bào (gồm enzyme β–galatosidase có chức năng phân giải lactose, permease có chức năng vận chuyển lactose vào tế bào và transacetylase sau này được biết là có chức năng khử các chất độc vào tế bào). Một trong số các thí nghiệm của hai ông được tiến hành như sau:

Lô đối chứng: Nuôi vi khuẩn E.coli trong môi trường không có lactose và có amino acid đánh dấu phóng xạ.

Lô thí nghiệm: Nuôi vi khuẩn E.coli trong môi trường có lactose và các amino acid đánh dấu phóng xạ.

Kết quả: Ở lô đối chứng, các enzyme β–galactosidase, permease và transacetylase đánh dấu phóng xạ xuất hiện với lượng không đáng kể, trong khi ở lô thí nghiệm, lượng các enzyme đánh dấu phóng xạ trong tế bào tăng mạnh so với lô đối chứng.

Kết luận: Lactose đã kích hoạt tế bào tổng hợp đồng thời cả ba enzyme β–galactosidase, permease và transacetylase.

(Trang 19)

Sử dụng nhiều dòng đột biến khác nhau trong nhiều thí nghiệm di truyền khác, Monod và Jacob đã xác định được trình tự ba gene quy định các enzyme β–galactosidase, permease và transacetylase nằm liền nhau trong một vùng của phân tử DNA và đã đề xuất thuyết operon giải thích cơ chế điều hòa biểu hiện của các gene ở vi khuẩn E.coli.

2. Cấu trúc và cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac

a) Cấu trúc operon lac 

Operon lac gồm vùng điều hoà và ba gene cấu trúc. Vùng điều hoà gồm trình tự P (promoter), là nơi enzyme RNA polymerase khởi động quá trình phiên mã các gene cấu trúc và trình tự O (operator), nơi liên kết với protein ức chế ngăn cản quá trình phiên mã. Tiếp đến là ba gene cấu trúc: lacZ quy định enzyme β-galactosidase, lacY quy định enzyme permease và gene lacA quy định enzyme transacetylase. Operon lac được điều hoà bởi gene điều hoà lacl quy định protein ức chế (lacl). Tuy nhiên, gene lacl không thuộc operon lac. Các nhà di truyền học thống nhất viết tên gene in nghiêng, còn sản phẩm của gene là protein thì được kí hiệu bằng tên gene nhưng không in nghiêng.

b) Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac

Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế lacl 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 (H3.1).

DNA; lacl; RNA polymerase; Operon lac (O; lac Z; lac Y; lac A); mRNA; Polypeptide; Protein ức chế

Hình 3.1^(*). Sơ đồ hoạt động của operon lac khi môi trường không có lactose

Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose) và liên kết với protein ức chế lacl 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 vk 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 (H3.2).

——————————————

(*) Nguồn hình: Phạm Minh Kiên

(Trang 20)

DNA; lacl; RNA polymerase; Operon lac (O; lac Z; lac Y; lac A); mRNA; Polypeptide; Protein ức chế; Lactose; Các tiểu phần của ribosome;  β–galactosidase; Permease; Transacetylase

Hình 3.2^(*). Sơ đồ hoạt động của operon lac khi môi trường có lactose

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

1. Ý nghĩa

Tế bào phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng cho việc tổng hợp protein. Ví dụ: Tế bào vi khuẩn E.coli phải dùng tới 90% số ATP mà tế bào tạo ra để tổng hợp protein. 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. Ví dụ: Khi tế bào gặp điều kiện nhiệt độ môi trường cao bất thường, một số gene được kích hoạt để tạo ra các protein chống sốc nhiệt; hay các tế bào miễn dịch chỉ kích hoạt các gene tổng hợp kháng thể khi tiếp xúc với các tác nhân gây bệnh.

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 hóa khác nhau là nhờ có sự điều hòa hoạt động 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 tính hiệu điều hòa khác nhau từ tế bào chất của hợp tử và trong quá trình phát triển lại những tính hiệu điều hòa 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 hóa. Nếu quá trình điều hòa hoạt động gene trong quá trình phát triển bị trục trặc, phôi thai có thể bị chết hoặc cá thể sinh ra sẽ bị dị dạng. Ví dụ: Ở người, một gene được gọi là proto-oncogene thường tạo ra một

——————————————

(*) Nguồn hình: Phạm Minh Kiên

(Trang 21)

lượng sản phẩm vừa đủ nhưng khi gene hoạt động quá mức sẽ trở thành gene gây ung thư (oncogene). Sự dư thừa sản phẩm của gene ung thư kích hoạt một loại tế bào cơ thể phân chia không kiểm soát dẫn đến bệnh ung thư.

2. Ứng dụng thực tiễn

Trong ngành y dược, khi biết được cơ chế hoạt động của gene gây bệnh, người ta có thể sản xuất ra các thuốc ức chế sản phẩm của gene gây bệnh. Ví dụ: Các nhà khoa học đã xác định được bốn nhóm ung thư vú chính gây nên bởi ba gene khác nhau là: (1) gene quy định thụ thể estrogen alpha (ERa), (2) gene quy định thụ thể progesterone (PR) và (3) gene quy định thụ thể tyrosine kinase (RTK). Nhờ vậy, người ta đã sản xuất ra được thuốc tamoxifen, một loại chất ức chế đặc hiệu thụ thể ERa để chữa trị cho những bệnh nhân bị ung thư vú do gene ERa biểu hiện quá mức. Tế bào gốc ở người và động vật cũng được nuôi cấy và xử lí để biệt hóa thành các loại tế bào khác nhau, dùng cho mục đích chữa bệnh hoặc để thử thuốc tác động đến các loại tế bào khác nhau.

Trong y học, những người bị lùn bẩm sinh do gene không tạo đủ hormone sinh trưởng có thể được chữa trị để có chiều cao gần như người bình thường.

Trong trồng trọt, các nhà khoa học có thể chủ động đóng mở một số gene nhất định ở cây trồng phù hợp với nhu cầu sản xuất. Ví dụ: Nuôi cấy tế bào thực vật trong môi trường có chứa các chất hoạt hoá gene để tế bào phân chia và tái sinh thành cây con hoàn chỉnh; sử dụng các chế độ chiếu sáng khác nhau điều khiển các gene để cây ra hoa vào mùa thích hợp.

Trong chăn nuôi, người ta có thể sử dụng các hormone sinh dục để điều khiển tỉ lệ giới tính ở động vật. Ví dụ: Sử dụng hormone sinh dục đực (testosterone) xử lí trứng cá rô phi đã thụ tinh, hormone này đi vào các hợp tử và hoạt hoá các gene làm cho các hợp tử phát triển thành 100% cá đực, đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với nuôi cá cái vì cá đực cho nhiều thịt và lớn nhanh hơn.

——————————————

(*) Nguồn: Campbell Biology 12e (2011).

(Trang 22)