“Tại sao trứng ếch lại nở ra nòng nọc và nòng
nọc lại phát triển thành ếch được” ?

Phát hiện cơ chế điều hòa hoạt động gen ở vi khuẩn E.Coli
Mônô và Jaccôp – Pháp

I. Khái niệm
THÍ NGHIỆM
- Jacques Monod và François Jacob đã nghiên cứu sự biểu hiện của
các gene liên quan đến chuyển hóa lactose ở vi khuẩn E.coli:
(1) Thí nghiệm 1: Nuôi cấy E.Coli trong môi trường không có
lactose  Thấy Nồng độ permease và β-galactosidase trong tế bào
rất thấp.
(2) Thí nghiệm 2: Nuôi cấy E.Coli trong môi trường có lactose 
Thấy Nồng độ permease và β-galactosidase tăng lên 1000 lần.
 Giả thuyết: tồn tại một tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện
đồng thời một cụm nhiều gene mã hóa các enzyme tham gia
chuyển hóa lactose.
+ Các gene này được phiên mã thành một mRNA (mRNA
polycistronic).
+ Dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide.

2. Khái niệm
- Điều hoà biểu hiện gene là sự điều hòa loại sản phẩm và lượng
sản phẩm của gen đảm bảo cho tế bào tổng hợp các loại Pr cần
thiết phù hợp với các giai đoạn phát triển của cơ thể
-   Cơ chế điều hoà sinh tổng hợp prôtêin của gen rất phức tạp, có
sự khác biệt rõ rệt giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

II. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA OPERON LAC Ở VI KHUẨN E.COLI

1. Cấu trúc operon lac
- Operon là cụm các gene cấu trúc có chung trình tự điều hòa phiên
mã và được phiên mã tạo thành một mRNA.
- Operon chỉ có ở hệ gene của sinh vật nhân sơ.

Opêron
Gen điều hoà

ADN

P

I

Vùng vận
hành

P O

Các gen cấu trúc (Z, Y, A)
có liên quan về chức năng

Z

Y

A

Vùng khởi động

- Cấu trúc một operon lac gồm 3 thành phần:
+ Trình tự khởi động-P: Liên kết với RNA-polymerase- khởi động
phiên mã.
+ Trình tự vận hành-O: Liên kết với protein ức chế- ngăn cản phiên
mã.
+ Cụm gene cấu trúc: tổng hợp các enzyme
Z: tổng hợp β-galactosidase (phân giải lactose)
Y: tổng hợp permease (vận chuyển lactose vào tế bào)
A: tổng hợp transacetylase (khử các chất độc).
- Operon lac được kiểm soát bởi gene điều hòa I , mã hóa protein
ức chế.

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

- Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế liên kết với O
enzyme RNA polymerase không liên kết được với vùng Plac
 các gene cấu trúc không được phiên mã
 không dịch mã
 không tạo Enzyme.

- Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành
allolactose liên kết với protein ức chế
Protein ức chế bị thay đổi cấu trúcKhông liên kết với vùng O
Enzyme RNA polymerase liên kết với vùng Plac
 Các gene cấu trúc phiên mã
 dịch mã
 tạo Enzyme: phân giải lactose
- Khi lactôzơ bị phân giải hết prôtêin ức chế liên kết vào vùng vận
hành quá trình phiên mã bị dừng lại.

Khi môi trường không có lactose

Khi môi trường có lactose

Một lượng nhỏ lactose chuyển
thành allolactose liên kết với
protein ức chế, protein bị thay đổi
cấu trúc.
Protein ức chế liên kết với O
 Protein ức chế không liên kết
với O
enzyme RNA polymerase
enzyme RNA polymerase liên
không liên kết được với vùng P kết được với vùng P
các gene cấu trúc không
các gene cấu trúc được phiên
được phiên mã
mã
 không dịch mã
dịch mã
 không tạo Enzyme.
 tạo Enzyme

 3. Cơ chế điều hoà ở sinh vật nhân thực
- Cơ chế điều hòa ở SV nhân thực diễn ra ở nhiều cấp độ: trước
phiên mã, phiên mã, dịch mã, sau DM.
- Cơ chế điều hoà hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực phức
tạp hơn vì do tổ chức phức tạp của DNA trong NST. DNA trong tế
bào có khối lượng rất lớn, nhưng chỉ một phần nhỏ mã hoá các
thông tin di truyền, đại bộ phận đóng vai trò điều hoà.
- DNA tồn tại trên NST được xoắn lại rất phức tạp, vì vậy trước khi
phiên mã NST phải tháo xoắn rồi các phân tử enzim phiên mã
tương tác với prôtêin điều hoà bám vào vùng khởi động xúc tiến
quá trình tổng hợp RNA .
- Tuỳ nhu cầu của tế bào, tuỳ từng mô, từng giai đoạn sinh trưởng,
phát triển mà mỗi tế bào có nhu cầu tổng hợp các loại prôtêin
không giống nhau.
- Trong cùng một loại tế bào, các loại mRNA có tuổi thọ khác
nhau. Các prôtêin được tổng hợp vẫn thường xuyên chịu cơ chế
kiểm soát để lúc không cần thiết các prôtêin đó lập tức bị enzim
phân giải.

II. Ý NGHĨA CỦA SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE
- Là Cơ chế góp phần làm cho sản phẩm của các gene được tạo
thành đúng thời điểm, có lượng phù hợp với tế bào và cơ thể.
→ Sinh vật có thể tối ưu các hoạt động sống và thích ứng với môi
trường thay đổi thường xuyên của môi trường.
- 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.
- Quyết định tính đặc thù của mô, cơ quan và các giai đoạn phát
triển của cơ thể (ở sinh vật đa bào).

III. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE
1. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ
- 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,...
+ Sử dụng chất 3,3'-diindolylmethane (DIM) giúp ức chế hình
thành màng sinh học ở vi khuẩn gây sâu răng S. mutans.
+ Tạo 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.

2. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực
- Ứng dụng trong sản xuất thuốc ức chế sản phẩm của gene.
- Ứng dụng trong công nghệ chuyển gene: Điều hòa biểu hiện gene được
ứng dụng trong sản xuất protein tái tổ hợp. 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 trong nuôi cấy mô thực vật và tế bào gốc động vật.
- Chủ động đóng mở một số gene nhất định phù hợp với nhu cầu sản xuất.
- Trong nông nghiệp:
+ 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.
- Trong y học:
+ Kích hoạt và làm tăng gene CX3CR1 là một liệu pháp đang được nghiên
cứu nhằm điều trị Alzheimer trong tương lai.
+ Tạo ra thuốc kích hoạt gene MC4R, loại gene có tác dụng ngăn chặn sự
thèm ăn, bảo vệ khỏi bệnh béo phì, tiểu đường loại 2 và bệnh tim.