I. Điều hòa biểu hiện gene của operon lac ở vi khuẩn E. coli
1. Thí nghiệm
- Monod và Jacob đã tiến hành thí nghiệm tìm hiểu cơ chế lactose gây cảm ứng tổng hợp các enzyme phân giải lactose ở tế bào.
- Phương pháp: Sử dụng các dòng đột biến gene ở vi khuẩn E. coli, nuôi cấy trong môi trường có lactose và không có lactose. Sau đó, xác định lượng 3 loại enzyme tham gia phân giải lactose (enzyme β-galatosidase, permease và transacetylase).
- Tiến hành:
| Nuôi E. coli | Môi trường (chứa các amino acid đánh dấu phóng xạ) | Ghi nhận hàm lượng 3 loại enzyme |
| Lô đối chứng | Không có lactose. | Không được tổng hợp hoặc có lượng không đáng kể. |
| Lô thí nghiệm | Có lactose. | Tăng lên gấp hàng nghìn lần. |
- Kết luận: Lactose đã kích hoạt tổng hợp đồng thời cả ba enzyme β-galatosidase, permease và transacetylase.
- Tiếp tục thí nghiệm với các dòng vi khuẩn E. coli đột biến khác → xác định được trình tự ba gene quy định 3 enzyme trên nằm liền nhau trên phân tử DNA → đề xuất thuyết operon giải thích cơ chế điều hòa biểu hiện gene.
2. Cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở operon lac
- Cấu trúc operon lac: Gồm vùng điều hòa và ba gene cấu trúc.
+ Vùng điều hòa: gồm trình tự P (promoter) - nơi enzyme RNA polymerase liên kết để khởi động quá trình phiên mã và trình tự O (operator) - nơi liên kết với protein ức chế phiên mã.
+ Ba gene cấu trúc: lacZ mã hóa enzyme β-galatosidase, lacY mã hóa enzyme permease, lacA mã hóa enzyme transacetylase.
+ Operon lac được điều hòa bởi lacI - gene mã hóa protein ức chế.
- Cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon lac:
+ Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế liên kết với operator → enzyme RNA polymerase không thể liên kết được với promoter → các gene cấu trúc không được phiên mã.
+ Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose), liên kết với protein ức chế → protein bị thay đổi cấu hình → không liên kết được với operator → enzyme RNA polymerase liên kết với promoter → gene cấu trúc được phiên mã.
II. Ý nghĩa của sự điều hoà biểu hiện gene
- Là cơ chế giúp tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm của gene với lượng phù hợp khi cần thiết → tiết kiệm năng lượng cho tế bào.
- Giúp tế bào thích nghi được với sự thay đổi của môi trường hay khi gặp điều kiện bất lợi. Ví dụ: Các tế bào miễn dịch chỉ kích hoạt các gene tổng hợp kháng thể khi tiếp xúc với các tác nhân gây bệnh.
- Ở sinh vật đa bào nhân thực: Điều hoà hoạt động gene giúp chuyên hóa các loại tế bào thành các mô, cơ quan khác nhau từ tế bào hợp tử. Ví dụ: Ở người, các gene proto-oncogene tạo ra sản phẩm vừa đủ. Nhưng nếu quá trình điều hòa hoạt động gene bị trục trặc → gene hoạt động quá mức → trở thành gene gây ung thư (oncogene).
III. Ứng dụng của điều hòa biểu hiện gene
1. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ
- Ứng dụng kiểm soát mật độ tế bào vi khuẩn: thuốc điều trị nhiễm khuẩn, xử lý ô nhiễm môi trường,...
+ Điều hòa biểu hiện các protein phân bào → kiểm soát tốc độ phân chia tế bào → ức chế vi khuẩn gây hại/ kích thích vi khuẩn có lợi.
+ Ví dụ: Chất DIM có khả năng ức chế hình thành màng sinh học ở vi khuẩn S. mutans gây sâu răng → dùng làm thuốc điều trị.
2. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực
- Ứng dụng để chủ động điều chỉnh sự biểu hiện gene ở cây trồng và sản xuất protein tái tổ hợp.
+ Chuyển gene mã hóa protein điều hòa và promoter vào giống lúa Oryza sativa giúp tăng cường biểu hiện gene đáp ứng chịu hạn.
+ Tạo chủng vi khuẩn S. gordonii chuyển gene và mang điều hòa tăng cường biểu hiện hiện kháng thể và kháng nguyên để sản xuất vaccine đường uống.
Zalo 
Messenger 
Youtube