Lý thuyết Sinh học 12 Bài 3: Điều hoà biểu hiện gene

- Người đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu điều hoà hoạt động gene là Monod và Jacob. Vào những năm 1950, họ đã nghiên cứu phát hiện ra cơ chế điều hoà 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-galactosidase 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 các 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 ở lô đối chứng.

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

- 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 hoà 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

- Trên phân tử DNA của vi khuẩn, các gene cấu trúc có liên quan về chức năng thường được phân bố liền nhau thành cụm có chung một cơ chế điều hòa được gọi là một operon.

- Mô hình cấu trúc của operon lac: Cấu trúc operon lac gồm 03 thành phần:

Sơ đồ operon lac và gene điều hòa

- Operon lac được kiểm soát bởi gene điều hoà lacI nằm trước operon (không thuộc operon lac). Gene lacI mã hóa cho một loại protein điều hòa có khả năng liên kết với vùng vận hành O để điều hòa hoạt động của operon lac.

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

- Khi môi trường không có lactose: Gene điều hoà lacI tổng hợp protein ức chế → Protein ức chế bám vào vùng operator (O) → Enzyme RNA polymerase có thể liên kết với vùng promoter (P) nhưng không trượt qua được → Các gene cấu trúc không được phiên mã dẫn đến không tổng hợp được enzyme chuyển hóa lactose.

Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon Lac khi môi trường không có đường lactose

- Khi môi trường có lactose: Gene điều hoà lacI tổng hợp protein ức chế → Một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose) liên kết với protein ức chế → Protein ức chế bị biến đổi cấu hình không gian dẫn đến bị bất hoạt và không gắn được vào vùng operator (O) → Enzyme RNA polymerase liên kết với vùng promoter (P), trượt qua vùng O đến vị trí các gene cấu trúc để tiến hành phiên mã → Các gene cấu trúc phiên mã đến đâu được dịch mã đến đó tạo ra các loại enzyme tham gia vào quá trình chuyển hóa lactose trong môi trường.

+ Khi đường lactose được sử dụng hết, gene điều hoà lacI tổng hợp protein điều hoà → Protein điều hoà bám vào vùng operator (O) → Enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter (P) nhưng không trượt qua được → Các gene cấu trúc không được phiên mã dẫn đến không tổng hợp được enzyme phân giải lactose.

Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon Lac khi môi trường có đường lactose

1. Ý nghĩa

- Đảm bảo cho tế bào không bị lãng phí năng lượng: 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.

Ví dụ:

+ Khi môi trường có tryptophan, vi khuẩn E.coli sẽ ngừng sản xuất các enzyme xúc tác cho quá trình tổng hợp tryptophan.

Điều hòa tổng hợp enzyme ở operon Trp của E.coli

+ 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.

- Có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của các sinh vật nhân thực đa bào:

+ Giúp mỗi tế bào đi vào con đường biệt hoá đặc trưng hình thành nên các mô, cơ quan và hệ cơ quan chuyên hoá, cuối cùng hình thành nên cơ thể hoàn chỉnh: Từ hợp tử tạo ra được cơ thể sinh vật hoàn chỉnh với các tế bào và các mô chuyên hoá khác nhau là nhờ có sự điều hoà biểu hiện 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 tín hiệu điều hoà khác nhau từ tế bào chất của hợp tử và trong quá trình phát triển lại nhận tín hiệu điều hoà 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 hoá.

Biệt hoá tế bào ở người

+ Giúp đảm bảo cho sự phát triển bình thường của cơ thể bằng cách điều khiển sự biểu hiện hoặc không biểu hiện của các gene nhất định trong mỗi giai đoạn phát triển: Nếu cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong quá trình phát triển của sinh vật đa bào bị rối loạn trong giai đoạn phôi thai, các tế bào phôi sẽ không thể đi vào con đường biệt hóa một cách chính xác dẫn đến phôi thai có thể bị chết hoặc cá thể sinh ra sẽ bị dị dạng. Nếu cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong quá trình phát triển của sinh vật đa bào bị rối loạn trong giai đoạn trưởng, sự tạo ra không đủ hay quá mức một lượng sản phẩm của một gene nào đó sẽ gây ra những rối loạn cho quá trình sinh lí, sinh hóa trong tế bào dẫn đến cơ thể không hoạt động bình thường. Ví dụ: Ở người, gene proto-oncogene hoạt động quá mức sẽ 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.

Proto-oncogene

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 (ERα), (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 ERα để chữa trị cho những bệnh nhân bị ung thư vú do gene ERα biểu hiện quá mức.

+ Tế bào gốc ở động vật cũng được nuôi cấy và xử lí để biệt hoá 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.

+ Kích hoạt và làm tăng gene CX3CR1 là một liệu pháp đang được nghiên cứu nhằm điều trị Alzheimer trong tương lai.

+ Tạo ra thuốc kích hoạt gene MC4R, loại gene có tác dụng ngăn chặn sự thèm ăn, bảo vệ khỏi bệnh béo phì, tiểu đường loại 2 và bệnh tim.

+ Sử dụng chất 3,3’-diindolylmethane (DIM) giúp ức chế hình thành màng sinh học ở vi khuẩn gây sâu răng S. mutans.

+ Tạo chủng vi khuẩn S. gordonii chuyển gene và mang trình tự điều hòa giúp tăng cường biểu hiện kháng thể và kháng nguyên, cung cấp nguyên liệu sản xuất vaccine đường uống.

- 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.

Sử dụng hormone với tỉ lệ thích hợp để điều khiển sự phân hóa của mô sẹo

+ Để cải tiến khả năng chịu hạn của lúa Oryza sativa, các nhà khoa học Việt Nam đã thiết kế vector chuyển gene mã hóa protein điều hòa và promoter vào giống lúa Chành Trụi giúp tăng cường biểu hiện các gene liên quan với đáp ứng hạn ở cây lúa chuyển gene;…

- 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 có thể cho ra 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.

+ Ứng dụng hormone Altrenogest (Progesterone nhân tạo) gây lên giống đồng loạt được sử dụng trong lợn nái để gây động dục đồng thời và rụng trứng đồng thời giúp tăng tỉ lệ rụng trứng và tăng tỉ lệ mang thai nhưng không ảnh hưởng đến tỉ lệ sống của lợn.