REGULATION OF GENE ACTIVITIES

1. KHÁI NIỆM
   • Điều hòa hoạt động gen chính là điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra
     • Giải thích: do trong mỗi tế bào của cơ thể có rất nhiều gen (ở người có khoảng 25000 gen), tuy nhiên ở mỗi thời điểm chỉ có một số gen hoạt động để phù hợp với giai đoạn phát triển của cơ thể hay thích ứng với điều kiện môi trường → tế bào chỉ tổng hợp protein cần thiết vào lúc thích hợp → cần phải điều hòa hoạt động gen
     • Ví dụ: khi con người không ăn → tế bào không tổng hợp enzim tiêu hóa thức ăn → không tổng hợp protein → gen không hoạt động
     • Trong tế bào, khả năng hoạt động của các gen là khác nhau, sự khác nhau này là do sự hoạt động của các gen phụ thuộc vào giai đoạn phát triển của cá thể và theo nhu cầu hoạt động sống của tế bào
   • Điều hòa hoạt động gen ở nhân sơ chủ yếu ở mức độ phiên mã
     • Giải thích: do nhân của tế bào nhân sơ không có màng nhân bao bọc, vì vậy phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời. Điều này nghĩa là nếu cho phép tế bào phiên mã thì chắc chắn sẽ xảy ra dịch mã → chỉ cần điều hòa ở mức độ phiên mã
   • Điều hòa hoạt động gen ở nhân thực khá phức tạp, xảy ra ở nhiều mức độ khác nhau
     • Điều hòa phiên mã (điều hòa số lượng mARN được tổng hợp)
     • Điều hòa dịch mã (điều hòa lượng protein được tạo ra)
     • Điều hòa sau dịch mã (biến đổi cấu trúc protein để thực hiện chức năng)
   • Điều hoà hoạt động gen xảy ra ở tất cả mọi loài sinh vật
2. CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ
   • Hai nhà khoa học Pháp là F.Jacob và J.Monod đã phát hiện ra cơ chế điều hòa qua operon ở vi khuẩn đường ruột (E.coli)

1. Operon Lac:
   • Một operon là 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 hòa
   • Operon Lac là một loại operon có nhiều ở vi khuẩn E.coli và các vi khuẩn đường ruột khác, tham gia vào quá trình dị hóa đường lactozo

        Quá trình dị hóa đường lactozo là quá trình phân giải lactozo thành hai monosaccarit: glucozo và galactozo, cung cấp năng lượng hóa học cần thiết cho việc duy trì và tăng trưởng của các tế bào. Do vậy, operon lac tạo protein từ đó hình thành enzim phân giải đường lactozo

        * Operon Lac bao gồm: * Z,Y,A: Các gen cấu trúc quy định tổng hợp enzim vào các phản ứng phân giải lactozo * Gen cấu trúc Z quy định tổng hợp β-galactosidase - enzim phân giải đường lactozo (quan trong nhat) * Gen cấu trúc Y quy định tổng hợp β-galactoside permease - protein kênh tham gia vận chuyển lactose từ môi trường vào tế bào * Gen cấu trúc X quy định tổng hợp β-galactoside acetyltransferase - vai trò của gene này không quan trọng đối với quá trình dị hóa lactose * O (Operator): vùng vận hành, là vị trí liên kết với protein ức chế * P (Promoter): vùng khởi động, là nơi ARN Pol bám vào để khởi đầu phiên mã * Protein ức chế cho gen điều hòa R (lac I) tổng hợp

2. Sự điều hòa hoạt động của operon Lac:
   • Khi môi trường không có lactozo:

          * Gen điều hòa quy định tổng hợp protein ức chế. Protein ức chế liên kết với vùng vận hành ngăn cản quá trình phiên mã làm cho các gen cấu trúc không hoạt động * Khi môi trường có lactozo:

          * Khi môi trường có lactozo, một lượng nhỏ lactozo được chuyển vị thành một đồng phân khác là allolactozo. Allolactozo làm biến đổi cấu hình không gian ba chiều của protein ức chế, khiến protein này bị bất hoạt, không gắn được vào vùng vận hành

          Allolactose liên kết đặc hiệu với domain tương ứng của protein ức chế. Allolactose là một chất điều hòa dị lập thể nên khi liên kết vào miền điều khiển của protein ức chế sẽ gây ra sự biến đổi cấu hình không gian vùng liên kết với operator. Do đó, phức hệ allolactose-protein không thể liên kết vào operator. * ARN Pol liên kết được với vùng khởi động để tiến hành phiên mã * Các phân tử mARN của các gen cấu trúc Z,Y,A được dịch mã tạo ra các enzim phân giải đường lactozo * Chuỗi mARN được tổng hợp thuộc loại mARN đa nang (mRNA polycistronic). mRNA polycistronic được phiên mã từ nhiều hơn một gen (cistron) và có nhiều codon khởi đầu và kết thúc. Và nó cũng mã hóa cho nhiều hơn một protein. Đặc biệt là trong mRNA đa nang, một mRNA đơn lẻ được phiên mã từ một nhóm các gen liền kề. * Khi môi trường không còn lactozo thì protein ức chế liên kết với vùng vận hành, quá trình phiên mã dừng lại

3. Những trường hợp đột biến:
   • Đột biến gen điều hòa:

          * Gen điều hòa bị đột biến, vì vậy tạo ra protein ức chế cũng bị đột biến. Do đó, protein ức chế không thể gắn được vào vùng vận hành → quá trình tạo enzim phân giải đường lactozo diễn ra liên tục ngay cả khi trong môi trường không có lactozo * Vi khuẩn bị đột biến gen điều hòa thường bị mất năng lượng, suy nhược và chết * Đột biến vùng vận hành:

          * Vùng vận hành bị biến đổi cấu trúc làm protein ức chế không thể nhận biết và bám vào → quá trình tạo enzim phân giải đường lactozo diễn ra liên tục ngay cả khi trong môi trường không có lactozo * Vi khuẩn bị mất năng lượng, suy nhược và chết * Đột biến gen điều hòa:

          * Protein ức chế sau khi gắn vào vùng vận hành không thể tương tác với allolactose, do vậy không thể tạo enzim phân giải ngay cả khi môi trường có lactozo * Vi khuẩn không thể tiêu thụ được đường lactozo, thiếu năng lượng