Bài 3. Điều hòa biểu hiện gene
Tìm hiểu cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ và nhân thực.
Điều hòa biểu hiện gene
1. Khái niệm điều hòa biểu hiện gene
a) Tại sao cần điều hòa
- Không phải mọi gene đều biểu hiện liên tục.
- Điều hòa giúp tế bào tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu.
- Điều hòa giúp tế bào thích ứng với điều kiện môi trường.
b) Mức độ điều hòa
- Điều hòa phiên mã (quan trọng nhất).
- Điều hòa sau phiên mã.
- Điều hòa dịch mã.
- Điều hòa sau dịch mã.
2. Điều hòa gene ở sinh vật nhân sơ
a) Mô hình operon của Jacob và Monod
- Operon là đơn vị điều hòa gồm nhóm gene cùng hoạt động dưới sự kiểm soát của một vùng điều hòa chung.
- Cấu trúc operon: Vùng khởi động (P), vùng vận hành (O), các gene cấu trúc (lacZ, lacY, lacA).
b) Điều hòa operon lac
- Khi không có lactose: Protein ức chế gắn vào vùng O, ngăn cản RNA polymerase → các gene không biểu hiện.
- Khi có lactose: Lactose gắn vào protein ức chế → protein giảm ái lực với O, rời khỏi → gene biểu hiện.
c) Điều hòa operon tryptophan (operon khử)
- Khi tryptophan đủ: Protein ức chế hoạt động gắn vào O → gene không biểu hiện.
- Khi tryptophan thiếu: Protein ức chế không hoạt động, rời khỏi O → gene biểu hiện.
3. Điều hòa gene ở sinh vật nhân thực
a) Đặc điểm
- Phức tạp hơn nhiều so với sinh vật nhân sơ.
- DNA nằm trong nhân tế bào cùng với histone tạo thành nucleosome.
- Nhiều mức điều hòa đa dạng.
b) Các cơ chế điều hòa
- Biến đổi cấu trúc chromatin: Methyl hóa DNA, histone acetylation ảnh hưởng đến sự biểu hiện gene.
- Điều hòa phiên mã: Yếu tố phiên mã gắn vào vùng điều hòa kích hoạt hoặc ức chế phiên mã.
- Điều hòa sau phiên mã: Cắt nối RNA, RNA editing.
- Điều hòa dịch mã: Kiểm soát quá trình dịch mã tại ribosome.
c) Điều hòa theo phát triển
- Các gene được kích hoạt theo trình tự trong quá trình phát triển phôi.
- Ví dụ: Gene Hox quy định trục cơ thể và phân đoạn.
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Xác định trạng thái biểu hiện của operon
Phương pháp giải:
Phương pháp giải
- Xác định loại operon (lac hay trp).
- Xác định chất nền/cảm ứng có mặt hay vắng.
- Xác định trạng thái protein ức chế (hoạt động/không hoạt động).
- Kết luận: Gene biểu hiện hay không biểu hiện.
Ví dụ:
Giải:
Khi không có lactose, protein ức chế (repressor) ở trạng thái hoạt động.
Protein ức chế gắn vào vùng vận hành (O), ngăn cản RNA polymerase tiến hành phiên mã.
Kết luận: Các gene cấu trúc không biểu hiện.
Giải:
Operon tryptophan là operon khử (repressible operon).
Khi tryptophan thiếu, protein ức chế ở trạng thái không hoạt động.
Protein ức chế rời khỏi vùng vận hành, RNA polymerase tiến hành phiên mã.
Kết luận: Gene biểu hiện khi tryptophan thiếu.
Dạng 2: Dạng 2: Phân biệt các mức điều hòa
Phương pháp giải:
Phương pháp giải
- Nhớ các mức điều hòa: phiên mã, sau phiên mã, dịch mã, sau dịch mã.
- Xác định quá trình xảy ra ở đâu:
- Phiên mã: trong nhân, DNA → mRNA
- Sau phiên mã: trong nhân, xử lý mRNA
- Dịch mã: trong tế bào chất, mRNA → protein
- Sau dịch mã: sau khi protein được tạo
Ví dụ:
Giải:
Histone acetylation là biến đổi cấu trúc chromatin.
Đây là quá trình làm thay đổi khả năng tiếp cận của RNA polymerase với DNA.
Vì vậy, histone acetylation diễn ra ở mức điều hòa phiên mã.
Giải:
Cắt nối intron (RNA splicing) là quá trình xử lý mRNA sau khi phiên mã.Diễn ra trong nhân tế bào.
Đây là mức điều hòa sau phiên mã.