Điều hòa biểu hiện gene SVIP

I. Thí nghiệm xác định cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon Lac

1. Thí nghiệm trên operon Lac của E. coli

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:

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.

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.

2. Giải thích kết quả thí nghiệm

• 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 điều hòa 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 điều hòa biểu hiện gene

• Sản xuất ra các thuốc ức chế sản phẩm của gene gây bệnh. Ví dụ: Thuốc tamoxifen ức chế đặc hiệu thụ thể estrogen alpha (ERα) để chữa ung thư vú do gene ERα biểu hiện quá mức.
• Biệt hoá thành các loại tế bào khác nhau từ tế bào gốc để dùng cho mục đích chữa bệnh hoặc thử tác động của thuốc.
• Tạo sản phẩm của gene để chữa bệnh. Ví dụ: Điều trị bệnh lùn bẩm sinh do gene không tạo đủ hormone sinh trưởng.
• Chủ động đóng mở gene nhất định để phù hợp với nhu cầu sản xuất. Ví dụ: Sử dụng ánh sáng điều khiển các gene để cây ra hoa vào mùa thích hợp; sử dụng các hormone sinh dục để điều khiển tỉ lệ giới tính ở vật nuôi.

1. Operon lac gồm vùng điều hòa promoter, operator và ba gene cấu trúc quy định các enzyme vận chuyển, phân giải lactose. Khi môi trường không có lactose, protein ức chế do gene điều hòa tạo ra liên kết vào vùng operator nên phiên mã không thể xảy ra. Khi môi trường có lactose, đồng phân của lactose liên kết với protein ức chế khiến protein không liên kết được với operatoe. Khi đó enzyme RNA polymerase liên kết được với promotor và quá trình phiên mã xảy ra.

2. Điều hòa hoạt động gene đảm bảo cho tế bào không bị lãng phí năng lượng. Ở sinh vật đa bào, điều hòa hoạt động gene khiến các tế bào trong cùng cơ thể được biệt hóa thực hiện các chức năng khác nhau trong quá trình phát triển cá thể.

3. Điều hòa hoạt động gene có thể được ứng dụng để sản xuất một số loại thuốc chữa bệnh hoặc điều khiển sự sinh trưởng, phát triển của vật nuôi, cây trồng, đem lại hiệu quả kinh tế cao.