I - KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU HOÀ HOẠT ĐỘNG GEN
Điều hoà hoạt động gen chính là điều hoà lượng sản phẩm của gen được tạo ra. Trong mỗi tế bào của cơ thể, ví dụ tế bào người có khoảng 25000 gen, song ở mỗi thời điểm, để phù hợp với giai đoạn phát triển của cơ thể hay thích ứng với các điều kiện môi trường, chỉ có một số gen hoạt động còn phần lớn các gen ở trạng thái không hoạt động hoặc hoạt động rất yếu. Tế bào chỉ tổng hợp prôtêin cần thiết vào lúc thích hợp với một lượng cần thiết. Vậy làm thế nào tế bào có thể nhận biết được thời điểm nào thì cho gen nào hoạt động hay không hoạt động ?
Quá trình điều hoà hoạt động gen ở sinh vật rất phức tạp, có thể xảy ra ở nhiều mức độ khác nhau như điều hoà phiên mã (điều hoà số lượng mARN được tổng hợp trong tế bào), điều hoà dịch mã (điều hoà lượng prôtêin được tạo ra) và thậm chí điều hoà sau dịch mã (làm biến đổi prôtêin sau khi được tổng hợp để có thể thực hiện được chức năng nhất định). Tuy nhiên, điều hoà hoạt động gen ở tế bào nhân sơ xảy ra chủ yếu ở mức độ phiên mã nên SGK chỉ tập trung tìm hiểu cơ chế điều hoà phiên mã ở sinh vật nhân sơ.
II - ĐIỀU HOÀ HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ
Hai nhà khoa học Pháp là F. Jacôp và J. Mônô đã phát hiện ra cơ chế điều hoà qua opêron ở vi khuẩn đường ruột (E. coli) và đã nhận được giải thưởng Nôben về công trình này.
Để điều hoà được quá trình phiên mã thì mỗi gen ngoài vùng mã hoá luôn cần có các vùng điều hoà. Trong vùng điều hoà thường chứa một trật tự nuclêôtit đặc thù được gọi là vùng khởi động (promoter). Nhờ trình tự này mà enzim ARN pôlimeraza có thể nhận biết ra mạch nào là mạch mang mã gốc để tổng hợp mARN và quá trình phiên mã được bắt đầu từ đâu. Ngoài ra, trong vùng điều hoà còn có trình tự nuclêôtit đặc biệt được gọi là vùng vận hành (operator). Nhờ có trình tự nuclêôtit này mà prôtêin điều hoà có thể bám vào để ngăn cản quá trình phiên mã (hình 3.1).
1. Mô hình cấu trúc của opêron Lac
Trên phân tử ADN của vi khuẩn, các gen cấu trúc có liên quan về chức năng thường được phân bố liền nhau thành từng cụm có chung một cơ chế điều hoà được gọi là một opêron (hình 3.1).
Hình 3.1. Sơ đồ mô hình cấu trúc của opêron Lac ở vi khuẩn đường ruột (E. coli)
Opêron Lac bao gồm :
Z, Y, A : Các gen cấu trúc quy định tổng hợp các enzim tham gia vào các phản ứng phân giải đường lactôzơ có trong môi trường để cung cấp năng lượng cho tế bào.
O (operator) : Vùng vận hành là trình tự nuclêôtit đặc biệt, tại đó prôtêin ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã.
P (promoter) : Vùng khởi động, nơi mà ARN pôlimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã.
Một gen khác tuy không nằm trong thành phần của opêron, song đóng vai trò quan trọng trong điều hoà hoạt động các gen của opêron là gen điều hoà R.
Gen điều hoà R khi hoạt động sẽ tổng hợp nên prôtêin ức chế. Prôtêin này có khả năng liên kết với vùng vận hành dẫn đến ngăn cản quá trình phiên mã.
2. Sự điều hoà hoạt động của opêron Lac
– Khi môi trường không có lactôzơ :
Gen điều hoà quy định tổng hợp prôtêin ức chế. Prôtêin này liên kết với vùng vận hành ngăn cản quá trình phiên mã làm cho các gen cấu trúc không hoạt động.
Hình 3.2a. Sơ đồ hoạt động của các gen trong opêron Lac khi môi trường không có lactôzơ
– Khi môi trường có lactôzơ:
Hình 3.2b. Sơ đồ hoạt động của các gen trong opêron Lac khi môi trường có lactôzơ
Khi môi trường có lactôzơ, một số phân tử lactôzơ liên kết với prôtêin ức chế làm biến đổi cấu hình không gian ba chiều của nó làm cho prôtêin ức chế không thể liên kết được với vùng vận hành và do vậy ARN pôlimeraza có thể liên kết được với vùng khởi động để tiến hành phiên mã. Sau đó, các phân tử mARN của các gen cấu trúc Z, Y, A được dịch mã tạo ra các enzim phân giải đường lactôzơ. Khi đường lactôzơ bị phân giải hết thì prôtêin ức chế lại liên kết với vùng vận hành và quá trình phiên mã bị dừng lại.
| – Điều hoà hoạt động gen là quá trình điều hoà lượng sản phẩm của gen được tạo ra trong tế bào đảm bảo cho hoạt động sống của tế bào phù hợp với điều kiện môi trường cũng như với sự phát triển bình thường của cơ thể. – Gen có thể hoạt động được khi mỗi gen hoặc ít nhất một nhóm gen (opêron) phải có vùng điều hoà, tại đó các enzim ARN pôlimeraza và prôtêin điều hoà bám vào để tổng hợp hoặc ức chế tổng hợp mARN. – Điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ chủ yếu diễn ra ở giai đoạn phiên mã, dựa vào sự tương tác của prôtêin điều hoà với trình tự đặc biệt trong vùng điều hoà của gen. |
Câu hỏi và bài tập
1. Thế nào là điều hoà hoạt động gen ?
2. Opêron là gì ? Trình bày cấu trúc opêron Lac ở E. coli.
3. Giải thích cơ chế điều hoà hoạt động của opêron Lac.
4. Hãy chọn phương án trả lời đúng.
Trong cơ chế điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hoà là gì ?
A. Nơi tiếp xúc với enzim ARN pôlimeraza.
B. Mang thông tin quy định prôtêin điều hoà.
C. Mang thông tin quy định enzim ARN pôlimeraza.
D. Nơi liên kết với prôtêin điều hoà.
