Lý thuyết Điều hòa biểu hiện gene (Sinh 12 Cánh diều Bài 3)

Với tóm tắt lý thuyết Sinh 12 Bài 3: Điều hòa biểu hiện gene hay nhất, ngắn gọn sẽ giúp học sinh lớp 12 nắm vững kiến thức trọng tâm, ôn luyện để học tốt môn Sinh học 12.

Lý thuyết Điều hòa biểu hiện gene (Sinh 12 Cánh diều Bài 3)

TRẮC NGHIỆM ONLINE

- Điều hòa biểu hiện gene là sự điều chỉnh lượng sản phẩm của gene trong tế bào.

- Thực chất của điều hòa biểu hiện gene là kiểm soát gene có được phiên mã và dịch mã hay không.

- Điều hòa biểu hiện gene có thể xảy ra ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình biểu hiện gene ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

I. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA OPERON LAC Ở VI  KHUẨN E.coli

1. Thí nghiệm

- Trong những năm 1960, hai nhà khoa học Francois Jacob và Jacques Monod cùng các cộng sự đã phát hiện ra cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon Lac ở vi khuẩn E. coli.

- Vi khuẩn E. coli có 3 loại enzyme tham gia chuyển hóa đường lactose, được mã hóa bởi 3 gene khác nhau gồm lacZ, lacY, lacA.

- Hai nhà khoa học đã tiến hành thí nghiệm trong hai môi trường khác nhau và theo dõi số lượng enzyme trong tế bào:

Đặc điểm môi trường	Hàm lượng 3 loại enzyme
Không chứa lactose	Rất thấp.
Có lactose	Tăng lên 1000 lần.

- Giả thuyết:

+ Lactose chính là tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện đồng loạt của một cụm nhiều gene mã hóa các enzyme phân giải đường này.

+ Đồng thời, các gene mã hóa các enzyme phân giải lactose có chung một trình tự điều hòa phiên mã, được phiên mã tạo thành một mRNA (mRNA polycistronic) và dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide.

- Hai nhà khoa học Francois Jacob và Jacques Monod cùng các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm chứng minh với nhiều chủng E. coli khác nhau để làm sáng tỏ cơ chế phiên mã của operon lac.

2. Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac

a. Cấu trúc operon Lac

- Khái niệm: Operon là cụm các gene cấu trúc có chung một trình tự điều hòa phiên mã và được phiên mã tạo thành một mRNA.

- Đặc điểm:

+ Các gene trong một operon thường mã hóa protein là các enzyme xúc tác trong một con đường chuyển hóa hoặc cùng tham gia cấu trúc tế bào.

+ Chỉ có ở hệ gene của sinh vật nhân sơ.

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

Sơ đồ operon lac và gene điều hòa

Thành phần	Chức năng
Vùng promoter (Plac)	Trình tự khởi động phiên mã các gene cấu trúc - Vị trí enzyme RNA polymerase bám vào phiên mã nhóm gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA.
Vùng operator (O)	Trình tự vận hành - Vị trí liên kết với protein ức chế.
Nhóm gene cấu trúc lacZ, lacY, lac A	Mã hoá cho các enzyme giúp vi khuẩn chuyển hoá và sử dụng đường lactose: Gene lacZ quy định enzyme β-galactosidase (phân giải lactose), lacY quy định enzyme permease (vận chuyển lactose vào tế bào) và lacA quy định enzyme transacetylase (khử các chất độc).

- 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 ức chế 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 promoter (P) nhưng không di chuyển được → Các gene cấu trúc không được phiên mã (operon bị ức chế) dẫn đến không tổng hợp được enzyme phân giải 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 ức chế → Protein ức chế 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

II. Ý NGHĨA CỦA SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

- Điều hòa biểu hiện gene giúp tế bào tổng hợp sản phẩm của gene đúng thời điểm với hàm lượng phù hợp với nhu cầu, nhờ đó, sinh vật có thể tối ưu các hoạt động sống và thích nghi được với sự thay đổi thường xuyên của môi trường. 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

- Điều hòa biểu hiện gene giúp tế bào tránh lãng phí năng lượng, không bị gây độc, tăng khả năng sống sót và cạnh tranh của sinh vật khi nguồn sống bị hạn chế.

- Ý nghĩa của sự điều hoà biểu hiện gene đối với sự phát triển cá thể ở sinh vật đa bào là:

+ 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.

+ 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. Ví dụ: Ở người, gene tham gia quy định hình thái của cơ thể chỉ biểu hiện ở giai đoạn phôi, sau đó dừng hẳn; trong quá trình biến thái ở bướm, các gene biểu hiện khác nhau ở giai đoạn sâu bướm và bướm trưởng thành.

Điều hoà biểu hiện gene trong quá trình phát triển cá thể ở sinh vật đa bào

III. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

Con người đã ứng dụng những hiểu biết về điều hoà hoạt động gene trong nhiều lĩnh vực nhằm tạo nhiều sản phẩm có giá trị phục vụ cho đời sống của con người.

1. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ

- Sự điều hoà biểu hiện gene liên quan tới khả năng đáp ứng của vi khuẩn với môi trường sống được ứng dụng trong kiểm soát mật độ tế bào vi khuẩn, phát triển thuốc điều trị các bệnh nhiễm khuẩn, xử lí vi khuẩn gây ô nhiễm môi trường,...

- Điều hoà biểu hiện các protein cần cho sự phân bào là một hướng ứng dụng để kiểm soát tốc độ phân chia tế bào, điều hòa hoạt tính enzyme, từ đó ức chế vi khuẩn gây hại hoặc kích thích sự sinh trưởng của vi khuẩn có lợi. Ví dụ: Nghiên cứu xác định các chất là phân tử tín hiệu ảnh hưởng tới sự điều hòa cảm ứng mật độ ở vi khuẩn Streptococcus mutans - vi khuẩn gây bệnh sâu răng ở người giúp phát triển thuốc điều trị bệnh do vi khuẩn này gây nên. 3,3’-diindolylmethane (DIM) được xác định là chất có khả năng ức chế hình thành màng sinh học ở vi khuẩn gây sâu răng S. mutans.

2. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực

- Chủ động điều chỉnh sự biểu hiện gene ở cây trồng và vật nuôi. Ví dụ: Xử lí cá rô phi bằng hormone 17-α methyltestosterone ở giai đoạn cá bột, cá sẽ có biểu hiện kiểu hình là con đực; 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; 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;…

- Ứng dụng để cải tiến hiệu quả sản xuất protein tái tổ hợp. Để thực hiện điều đó, điều hòa biểu hiện gene theo các hướng: tạo vector tái tổ hợp mang các trình tự điều hòa được biến đổi để tăng cường phiên mã, dịch mã; tổng hợp lại gene chứa các bộ ba mã hóa được dịch mã hiệu quả trong tế bào nhận; chuyển gene mã hoá tRNA vận chuyển amino acid phù hợp tế bào nhận. Ví dụ: Tạo được 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.

TRẮC NGHIỆM ONLINE

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Sinh học lớp 12 Cánh diều hay khác:

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 2: Sự biểu hiện thông tin di truyền

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 4: Đột biến gene

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 5: Nhiễm sắc thể và cơ chế di truyền nhiễm sắc thể

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 6: Đột biến nhiễm sắc thể

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 7: Di truyền học Mendel và mở rộng học thuyết Mendel

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 8: Di truyền liên kết giới tính, liên kết gene và hoán vị gene

Xem thêm các tài liệu học tốt lớp 12 hay khác:

• Giải sgk Sinh học 12 Cánh diều
• Giải Chuyên đề Sinh 12 Cánh diều
• Giải SBT Sinh học 12 Cánh diều
• Giải lớp 12 Cánh diều (các môn học)
• Giải lớp 12 Kết nối tri thức (các môn học)
• Giải lớp 12 Chân trời sáng tạo (các môn học)

---