Một số Chuyên đề sinh học lớp 12 - Chuyên đề: gen và sự điều hòa biểu hiện gen

MỘT SỐ CHUYÊN ĐỀ SINH HỌC LỚP 12
Chuyên đề. GEN VÀ SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN
I. TỔNG QUAN VỀ SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN
	Ở mỗi loài sinh vật vào một thời điểm nhất định không phải tất cả các gen đều biểu hiện. Sự điều hòa hoạt động của gen có xu hướng giúp tế bào chỉ tổng hợp các protein và enzym cần thiết cho sự sống của chúng vào từng thời điểm, mà không tổng hợp các sản phẩm không có nhu cầu. Điều này đảm bảo cho hệ thống sống sử dụng năng lượng một cách có hiệu quả.
	Ở sinh vật bậc thấp đã có một khả năng thích ứng đặc biệt với các điều kiện của môi trường thường xuyên biến đổi. Sự thích ứng đó phụ thuộc vào khả năng “bật” và “tắt” và “sự điều chỉnh” sự biểu hiện của tập hợp các gen nhằm đáp ứng các thay đổi của môi trường.
	Ở sinh vật bậc cao sự điều hòa hoạt động của gen không chỉ là sự đáp ứng với sự thay đổi của các điều kiện môi trường mà còn gắn với nhiều hoạt động sống quan trọng khác như sự biệt hóa tế bào, sự phát triển của cơ thể. Sự biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực được điều khiển bởi nhiều mức độ khác nhau từ trước dịch mã, sau dịch mã và dịch mã. Nhưng nhìn chung kiểu điều hòa cơ bản nhất là ở sự khởi đầu phiên mã.
II. KHÁI NIỆM VỀ GEN CƠ ĐỊNH VÀ GEN CẢM ỨNG
	Gen mã hóa cho các sản phẩm: ARN, enzym, thường được biểu hiện thường xuyên và liên tục ở hầu hết các tế bào được gọi là gen cơ định. Việc hoạt động theo kiểu cơ định đối với các gen là rất lãng phí về năng lượng.
	Quá trình bật sự biểu hiện của các gen để đáp ứng lại sự có mặt của tín hiệu nào đó trong môi trường gọi là sự cảm ứng. Các gen được điều hòa theo kiểu này được gọi là các gen cảm ứng. Sản phẩm do gen như vật mã hóa gọi là enzym cảm ứng hoặc protein cảm ứng.
Ví dụ khi môi trường chỉ có Lactose là nguồn hydrat cacbon duy nhất. Các tế bào E.coli sẽ tiến hành tổng hợp β galactosidase và protein permease cần thiết cho việc sử dụng Lactose làm nguồn năng lượng.
Permease là protein vận chuyển giúp tế bào bơm Lactose vào bên trong, β galactosidase là enzym phân cắt Lactose thành Glucose và Galactose. Hai protein này hầu như không có vai trò gì khi E.coli được nuôi trong môi trường không có Lactose. Việc tổng hợp hai protein này cần tiêu tốn năng lượng. Vì vậy cơ chế điều hòa cho phép tế bào chỉ tổng hợp mạnh các sản phẩm cần thiết cho sự chuyển hóa lactose khi môi trường có Lactose đồng thời hạn chế sự biểu hiện của chúng khi môi trường không có Lactose.
III. ĐIỀU HÒA DƯƠNG TÍNH VÀ ĐIỀU HÒA ÂM TÍNH
	Sự điều hòa hoạt động của gen dù là cảm ứng hay ức chế thì đều thực hiện theo hai cơ chế điều hòa dương tính và điều hòa âm tính. Cả hai cơ chế này đều có sự tham gia của protein điều hòa. Các gen này mã hóa cho các sản phẩm trực tiếp điều hòa sự biểu hiện của các gen khác.
	Điều hòa dương tính: Sản phẩm của gen điều hòa có vai trò làm tăng sự biểu hiệnu của một hay một nhóm gen cấu trúc.
	Điều hòa âm tính: Sản phẩm của gen điều hòa ức chế hoặc làm tắt sự biểu hiện của gen cấu trúc.
	Sản phẩm của gen điều hòa gọi là các protein điều hòa xuất hiện dưới một trong hai dạng. Protein hoạt hóa trong các hệ thống điều hòa dương tính và protein ức chế trong các hệ thống điều hòa âm tính.
Việc protein điều hòa liên kết được vào vị trí liên kết protein điều hòa (RPBS) hay không phụ thuộc vào sự xuất hiện các phân tử có kích thước nhỏ, những phân tử này gọi là phân tử tín hiệu. Phân tử tín hiệu làm tăng cường sự biểu hiện của các gen gọi là phân tử kích ứng còn nếu hạn chế hoặc kìm hãm sự biểu hiện của các gen gọi là phân tử đồng ức chế. Các phân tử tín hiệu liên kết vào protein điều hòa và làm thay đổi cấu hình của chúng dẫn đến thay đổi chức năng hoặc hoạt tính của các protein gọi là biến đổi dị hình.
IV. SỰ ĐIỀU HÒA KHỞI ĐẦU PHIÊN MÃ Ở VI KHUẨN
	Operon Lac được điều khiển đồng thời bởi các protein hoạt hóa và ức chế. Operon Lac là một cụm gen trong hệ gen của E.coli gồm 3 gen cấu trúc (lac Z, lac Y và lac A) nằm liền kề nhau. Gọi là Operon vì sự phiên mã của 3 gen cấu trúc này diễn ra đồng thời do dùng chung một Promoter. Promoter cuar Operon Lac (promoter Lac) nằm ở đầu 5’ của lac Z điều khiển sự phiên mã tổng hợp một phân tử mARN duy nhất. Nhưng phân tử mARN này chứa thông tin mã hóa nhiều hơn một gen nên được gọi là mARN đa cistron. Phân tử mARN này sau này dịch mã cho ra 3 loại protein là
lac Z => β – galactosidase thủy phân Lactose thành Glucose và Galactose. Ngoài ra β – galactosidase còn xúc tác phản ứng chuyển hóa Lactose thành Allolactose.
lac Y => protein Permease là protein vận chuyển bơm Lactose vào bên trong tế bào
lac A => enzym thiogalactoside transacetylase có vai trò giải độc tế bào đối với các hợp chất thiogalactoside cũng được vận chuyển vào trong tế bào khi Permease hoạt động.
Có hai loại protein điều hòa tham gia điều khiển hoạt động của Operon Lac là protein hoạt hóa CAP và protien ức chế Lac I. Lac I được mã hóa bởi gen lac I nằm gần Operon Lac về phía đầu 5’ và là một gen cơ định. CAP do gen mã hóa nằm xa Operon Lac. Cả hai protein CAP và Lac I đều là các protein liên kết ADN với vị trí liên kết tương ứng nằm ở đầu 5’ (CAP) và đầu 3’ (Lac I) vị trí này được gọi là trình tự điều hành hay Operator của Opreon Lac.
Mỗi protein điều hòa ‘tiếp nhận’ một tín hiệu khác nhau từ môi trường và truyền tín hiệu tới Operon Lac. CAP truyền tín hiệu về việc môi trường không có Glucose. Lac I truyền tín hiệu về việc môi trường có Lactose. Lac I chỉ liên kết mạnh với Operator và ức chế Operon Lac khi môi trường không có Lactose. Khi môi trường có Lactose thì Lac I bị bất hoạt và Operon Lac được giải nén. CAP khi liên kết vào Operon Lac lại có vai trò thúc đẩy Operon này hoạt động. Tuy vậy CAP chỉ liên kết mạnh khi môi trường không có Glucose. Vì vậy sự phối hợp của hai loại protein điều hòa CAP và Lac I sẽ đảm bảo cho Operon Lac chỉ biểu hiện mạnh khi môi trường có Lactose mà không có Glucose.
Khi Lactose được Permease vận chuyển vào trong tế bào nó được β – galactosidase chuyển hóa thành Allolactose. Chính Allolactose điều hòa hoạt động của Lac I. Vậy β – galactosidase ở đâu mà có khi dường như Operon Lac chưa được hoạt hóa.
Câu trả lời là : Sự điều hòa ức chế Operon Lac có kẽ hở. Ngay cả khi Operon Lac ở trạng thái bị ức chế thì vận luôn có một ít phân tử mARN của các gen cấu trúc được phiên mã. Sở dĩ như vậy là do sự liên kết của ARN pol cũng như của các protein điều hòa khác là các liên kết yếu, nghĩa là chúng được hình thành và phá vỡ ở mức cân bằng. Do đó, luôn có một lượng nhỏ ARN pol có thể liên kết vào Promoter và tiến hành phiên mã gen cấu trúc. Kẽ hở này giúp tế bào luôn có một lượng β – galactosidase và permease ngay cả khi môi trường không có Lactose, lactose có thể vận chuyển ngay vào bên trong tế bào và chuyển hóa thành Allolactose để kích ứng hoạt động của Operon Lac.
Allolactose liên kết vào Lac I thay đổi cấu hình protein ức chế này (nguyên tắc dị hình) dẫn đến liên kết lỏng lẻo giữa Lac I với Operator và Lac I rời khỏi Promoter. Các phân tử Lac I tự do khi đã liên kết với Allolactose thì hầu như không có ái lực gì với ADN. Lúc này các gen cấu trúc được giải nén.