BÀI 3. ĐIỀU HÒA
BIỂU HIỆN CỦA GENE

Như vậy, trong mỗi tế bào có hàng chục nghìn gene, nhưng tại
mỗi thời điểm chỉ một số gene hoạt động? Làm thế nào tế bào có
thể đóng/mở các gene nhất định đúng thời điểm, tạo ra đúng
lượng sản phẩm tế bào cần?

Yêu cầu cần đạt:
- Trình bày được thí nghiệm trên operon lac của E. coli.
- Phân tích được ý nghĩa của điều hoà biểu hiện gene trong tế bào
và trong quá trình phát triển cá thể.
- Nêu được ứng dụng của điều hoà biểu hiện gene.

I. Thí nghiệm phát hiện ra operon lac trên vi khuẩn E. coli
1. Thí nghiệm
Thí nghiệm
Lượng
enzyme
β–galactosidase
Permease

Đối chứng: Không
Thí nghiệm: Có
có lactose, có lactose, có amino
amino acid đánh
acid đánh dấu
dấu
Ít

Nhiều

Ít

Nhiều

Transacetylase
Ít
Nhiều
Kết luận: Lactose  Kích hoạt tổng hợp  β–galactosidase,
Permease và Transacetylase.

2. Cấu trúc và cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon
a. Cấu trúc của operon Lac:

* Operon Lac bao gồm: vùng điều hòa và 3 gene cấu trúc.
- Vùng điều hòa: gồm 2 vùng trình tự nu:
+ Trình tự P (Promoter): Là nơi enzyme RNA polymerase bám vào
và khởi động quá trình phiên mã của các gene cấu trúc.
+ Trình tự O (Operator): Là nơi liên kết với protein ức chế ngăn cản
quá trình phiên mã.

- 3 gene cấu trúc:
+ Gene lacZ quy định enzyme β-galatosidase (Có chức năng phân
giải lactose).
+ Gene lacY quy định enzyme Permease (Có chức năng vận chuyển
lactose vào tế bào).
+ Gene lacA quy định enzyme Transacetylase (Có chức năng khử
các chất độc vào tế bào).
 * Operon Lac được điều hòa bởi gene điều hòa lacI quy định tổng
hợp protein ức chế.

b. Cơ chế điều hòa biểu hiện của operon Lac:

* Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế (lacI) liên kết với
operator (O) làm cho enzyme RNA polymerase không thể liên kết
được với promoter (P) nên các gene cấu trúc không được phiên mã.

* Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành
đồng phân của lactose (allolactose) và liên kết với protein ức chế
khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với
operator (O), do vậy enzyme RNA polymerase có thể liên kết với
promoter (P) và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.

Nếu môi trường nuôi cấy vi khuẩn E. coli không có lactose nhưng
operon lac vẫn hoạt động thì có thể dự đoán vi khuẩn bị hỏng ở
bộ phận nào của operon lac? Giải thích.

- Vùng khởi động (promoter):
+ Vùng khởi động là nơi enzyme RNA polymerase liên kết và bắt đầu
phiên mã.
+ Nếu operon lac vẫn hoạt động khi không có lactose, có thể do vùng
khởi động đã bị đột biến, khiến enzyme RNA polymerase liên kết và
phiên mã bất kể có lactose hay không.

- Gene điều hoà (lacI):
+ Gene điều hoà mã hoá protein ức chế, có chức năng ngăn cản
phiên mã các gene cấu trúc trong operon lac khi không có lactose.
+ Khi gene điều hoà bị hỏng, protein ức chế không được tổng hợp,
dẫn đến operon lac luôn hoạt động bất kể có lactose hay không.

Kết
luận:
- Vùng
vận hành (operator):
xáclàđịnh
chính xác
operon
bị
+ Vùng vậnViệc
hành
nơi protein
ức bộ
chếphận
liên nào
kết của
và ngăn
cảnlac
phiên
mã
cáccần
gene
cấuhiện
trúc.các thí nghiệm và phân tích khoa học. Tuy
hỏng
thực
nhiên,
dựa vào
về chức
năng
các bộ thể
phận
+ Khi vùng
vận thông
hành bịtinhỏng,
protein
ức của
chế không
liêntrong
kết,
operon
ta cólacthểluôn
dự hoạt
đoánđộng
những
có khảhay
năng
bị hỏng
dẫn đếnlac,
operon
bấtbộ
kểphận
có lactose
không.
nếu operon lac vẫn hoạt động khi không có lactose.

II. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn của điều hoà biểu hiện gene
1. Ý nghĩa
– Tiết kiệm năng lượng tổng hợp và chuyển hoá các chất.
– Đảm bảo cho tế bào thích nghi được với sự thay đổi của môi
trường.
– Có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của các sinh vật
đa bào nhân thực, nhờ tín hiệu điều hoà khác nhau mà các tế bào
khác nhau đóng, mở các nhóm gene khác nhau, tạo nên các tế bào
chuyên hoá.

2. Ứng dụng thực tiễn:
– Trong ngành y dược: Có thể sản xuất ra các thuốc ức chế sản
phẩm của gene gây bệnh. Tế bào gốc ở người và 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.
– 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.
– Trong chăn nuôi: Người ta có thể sử dụng các hormone sinh dục
để điều khiển tỉ lệ giới tính ở động vật.

CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM
CỦNG CỐ

Câu 1. Trong cơ chế điều hoà hoạt động của operon lac ở vi
khuẩn E. coli, đột biến xảy ra ở vị trí nào sau đây của operon có
thể làm cho các gene cấu trúc Z, Y, A phiên mã ngay cả khi môi
trường không có lactose?
A. Gene cấu trúc A.
Đ Vùng vận hành.
B.
C. Gene cấu trúc Y.
D. Gene cấu trúc Z.

Câu 2. Trong cơ chế điều hoà hoạt động của operon lac, sự kiện
nào sau đây diễn ra cả khi môi trường có lactose và khi môi
trường không có lactose ?
A. Một số phân tử lactose liên kết với protein ức chế.
Đ
B. Gene điều hoà lacI tổng hợp protein ức chế.
C. Các gene cấu trúc Z, Y, A phiên mã tạo ra các phân tử RNA tương
ứng.
D. RNA polymerase liên kết với vùng khởi động của operon lac và
tiến hành phiên mã.

Câu 3. Vai trò của lactose trong sự điều hoà hoạt động gene ở tế
bào nhân sơ là
A. làm cho gene cấu trúc không hoạt động.
Đ
B. làm thay đổi cấu hình không gian của protein ức chế dẫn đến
protein này không gắn vào vùng O.
C. làm bất hoạt protein ức chế, nên protein này gắn vào vùng O.
D. làm cho gene điều hoà không hoạt động.

Câu 4. Một đột biến gene xảy ra trong gene quy định tổng hợp chất
ức chế làm cho sản phẩm của gene này không gắn được vào vùng
vận hành của operon lac ở vi khuẩn E. coli. Hậu quả của đột biến
này là
Đ các gene cấu trúc trong operon lac biểu hiện liên tục.
A.
B. các gene cấu trúc trong operon lac không biểu hiện.
C. các gene cấu trúc trong operon lac không biểu hiện hay biểu hiện
yếu đi.
D. các gene cấu trúc trong operon lac chỉ biểu hiện khi có lactose.

Câu 5. Trong cơ chế điều hoà hoạt động các gene của operon lac,
sự kiện nào sau đây chỉ diễn ra khi môi trường không có lactose?
A. Một phân tử lactose liên kết với protein ức chế làm biến đổi cấu
hình không gian ba chiều của nó.
B. RNA polymerase liên kết với vùng khởi động để tiến hành phiên
mã.
Đ Protein ức chế liên kết với vùng vận hành ngăn cản quá trình
C.
phiên mã của các gene cấu trúc.
D. Các phân tử mRNA của các gene cấu trúc Z, Y, A được dịch mã
tạo ra các enzyme phân giải đường lactose.

Câu 6. Khi nói về quá trình điều hoà hoat động của gene, phát biểu
nào sau đây sai?
A. Điều hoà hoạt động của gene ở sinh vật nhân sơ xảy ra chủ yếu ở
mức phiên mã.
B. Điều hoà hoạt động của gene chính là điều hoà lượng sản phẩm do
gene tạo ra.
Đ Khi môi trường có lactose, gene điều hoà không thực hiện phiên
C.
mã.
D. Quá trình điều hoà hoạt động gene ở sinh vật có thể xảy ra ở nhiều
mức độ khác nhau.

Câu 7. Khi quan sát hình (a) và (b) thể hiện
cơ chế hoạt động của operon lac dưới đây,
một học sinh đã đưa ra một số nhận định
sau. Các nhận định đó đúng hay sai?

I

P

O

Z

Y

A

I

P

O

Z

Y

A

Protein
ức chế
mRNA
Lactose

mRNA

Enzyme

S
a. Ở hình a, môi trường có lactose, protein ức chế thay đổi cấu hình nên không bám vào vùng
Enzyme

vận hành (O) làm tăng tốc độ hoạt động của nhóm gene cấu trúc Z, Y, A.
S
b. Ở hình b, môi trường không có lactose nhưng nhóm gene cấu trúc Z, Y, A vẫn hoạt động bình
thường do đã xảy ra đột biến làm thay đổi cấu trúc vùng vận hành (O), nên protein ức chế
không bám vào vùng vận hành (O).
Đ
c. Ở hình a, môi trường có lactose, lactose liên kết với protein ức chế làm thay đổi cấu hình của
protein khiến chúng không bám được vào vùng vận hành (O) dẫn đến nhóm gene cấu trúc Z, Y,
A không hoạt động.
Đ
d. Ở hình b, môi trường không có lactose nhưng nhóm gene cấu trúc Z, Y, A vẫn hoạt động bình
thường do xảy ra đột biến ở gene điều hoà đã làm thay đổi cấu trúc protein ức chế dẫn đến
chúng không bám được vào vùng vận hành (O).

Câu 8. Một operon lac ở E. coli, khi môi trường không có lactose
nhưng enzyme chuyển hoá lactose vẫn được tạo ra. Theo lí thuyết,
các giả thiết dưới đây giải thích cho hiện tượng trên đúng hay sai?
S
a. Do vùng khởi động (P) của operon bị bất hoạt.
Đ
b. Do gene điều hoà lacI bị đột biến nên không tạo được protein ức
chế.
Đ
c. Do vùng vận hành (O) bị đột biến nên không liên kết được với
protein ức chế.
S
d. Do vùng gene cấu trúc (Z, Y, A) bị đột biến làm tăng khả năng biểu
hiện của gene.

Câu 9. Khi nói về hoạt động của các operon lac ở vi khuẩn E. coli,
các phát biểu sau đây đúng hay sai?
Đ
a. Nếu đột biến xảy ra ở gene cấu trúc Y thì có thể làm cho protein
do gene này quy định bị bất hoạt.
Đ
b. Đột biến xảy ra ở gene điều hoà lacI có thể làm cho gene này
không được phiên mã dẫn đến các gene cấu trúc Z, Y, A phiên mã
liên tục.
Đ
c. Khi protein ức chế liên kết với vùng vận hành thì các gene cấu
trúc Z, Y, A không được phiên mã.
Đ
d. Nếu xảy ra đột biến mất 1 cặp nucleotite ở giữa gene điều hoà lacI
thì có thể làm cho các gene cấu trúc Z, Y, A phiên mã ngay cả khi
một trường không có lactose.

Câu 10. Khi môi trường không có lactose nhưng enzyme chuyển
hoá lactose vẫn được tạo ra. Theo lí thuyết, các giả thuyết đưa ra
sau đây để giải thích cho hiện tượng trên đúng hay sai?
S Do vùng khởi động (P) của operon bị bất hoạt.
a.
Đ Do gene điều hoà lacI bị đột biến nên không tạo ra được protein
b.
ức chế.
Đ Do vùng vận hành (O) bị đột biến nên không liên kết được với
c.
protein ức chế.
S Do gene cấu trúc Z, Y, A bị đột biến làm tăng khả năng biểu
d.
hiện gene.