Điều hòa hoạt động gen ở vi khuẩn

CHƯƠNG II ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Ở VI KHUẨN II 1 Khái quát cơ chế điều hòa hoạt động của của Operon đồng hóa, dị hóa ở vi khuẩn Bộ gen của vi khuẩn được tổ chức theo operon Một operon có một vùng điều.

CHƯƠNG II: ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Ở VI KHUẨN II.1 Khái quát chế điều hòa hoạt động của Operon đồng hóa, dị hóa vi khuẩn Bộ gen vi khuẩn tổ chức theo operon Một operon có vùng điều khiển vùng mã hóa Vùng điều khiển bao gồm gen điều hoà, promoter điểm điều hành (operator) Vùng mã hóa bao gồm số gen cấu trúc nằm kề nhau, gen cấu trúc mã hóa cho polypeptide Các prơtêin mã hóa operon thường có quan hệ mật thiết với q trình chuyển hóa sinh hóa tế bào Một operon có promoter, nhiên, operon có nhiều promoter lực promoter ARN-polymerase khác Operator trình tự ADN, nơi mà prôtêin ức chế (repressor prôtêin) gắn vào Khái niệm operon F Jacob cộng ông nêu năm 1961 nghiên cứu kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose E.coli Với khám phá chế điều hoà biểu gen, ông nhận giải thưởng Nobel 1965 Cơ chế điều hòa di truyền hệ thống lac (lac system) giải thích mơ hình operon Francois Jacob Jacque Monod (1960) Hệ thống sử dụng lactose gồm loại thành phần: gen cấu trúc mã hóa protein cần thiết cho vận chuyển chuyển hóa lactose yếu tố điều hịa (gen ức chế lacI, promotor lac P operator lacO) Sản phẩm gen cấu trúc mã hóa phân tử mRNA đa cistron (polycistronic) Gen Z mã hóa cho enzyme - galactosidase (thủy phân đường lactose thành galactose glucose), gen Y mã hóa cho enzyme permease (cần cho vận chuyển lactose qua màng), gen A mã hóa cho enzyme transacetylase (vai trị chuyển hóa lactose chưa rõ) Đột biến promotor (lacP-) làm khả tổng hợp mRNA Sản phẩm gen lacI chất ức chế, bám vào trình tự base DNA cấu tạo operator Chất ức chế bám vào operator, ngăn cản khởi đầu phiên mã mRNA nhờ RNA polymerase Chất cảm ứng (lactose) kích thích sinh tổng hợp mRNA cách kết hợp làm bất hoạt chất ức chế Sự có mặt chất cảm ứng làm chất ức chế không gắn vào operator, promotor cho phép khởi đầu tổng hợp mRNA Khi mơi trường có lactose, lactose chuyển vào tế bào nhờ permease Khi vào tế bào số lactose chuyển thành allolactose nhờ βgalactosidase Allolactose chất cảm ứng, gắn vào protein kìm hãm, gây biến đổi cấu hình tạo phức hợp allolactose-repressor Phức hợp khả gắn vào operator Lúc operon mở ra, RNA polymerase bắt đầu phiên mã từ gen cấu trúc Khi mơi trường khơng có lactose, protein ức chế có hoạt tính gắn vào operator, làm phiên mã tất gen cấu trúc operon lac bị dừng Sự điều hòa operon yêu cầu promotor nằm chồng lên phần kề sát bên promotor gen cấu trúc, gắn với chất ức chế ngăn cản phiên mã II.1.2 Điều hịa operon tham gia đường dị hóa vi khuẩn II.1.2.1 Điều hịa âm tính Operon lactose E.coli Vi khuẩn E.coli có khả sử dụng đường lactose nguồn cacbon để phát triển Lactose disacarit, nên có mặt lactose mơi trường, vi khuẩn sản sinh enzym β-galactosidase để thuỷ phân lactose, tạo thành phân tử monosacarit glucose galactose thuận lợi cho q trình chuyển hóa Ngồi β-galactosidase ra, tế bào vi khuẩn tổng hợp enzym permease làm nhiệm vụ vận chuyển lactose qua màng tế bào Khi nghiên cứu kiểm soát di truyền hấp thụ đường lactose, F Jacob phát chế tổng hợp enzym hấp thụ đường lactose Q trình thí nghiệm mơ tả sau Khi ni vi khuẩn E.coli mơi trường khơng có lactose, ta thấy nồng độ enzym β-galactosidase permease vi khuẩn sinh thấp: đưa đường lactose vào môi trường ni nồng độ hai enzym tế bào vi khuẩn tăng lên nhiều Nhưng nuôi vi khuẩn mơi trường có đường glucose lactose đồng thời nồng độ hai enzym nêu tế bào thấp so với trường hợp có đường lactose Khi phân tích tổng nồng độ mARN có mặt tế bào trước sau đưa lactose vào mơi trường ni, thấy rằng: Khi khơng có mặt lactose mơi trường khơng xuất mARN mã hóa cho βgalactosidase permease Khi bổ sung lactose vào mơi trường ni tế bào xuất mARN mã hóa cho hai enzym nêu Từ kết thí nghiệm trên, với kết thu đột biến gen, F Jacob J Monod đưa mơ hình điều khiển operon lactose hình bên Cấu trúc operon lactose gồm: gen điều hoà (R), promoter (P), operator (O) ba gen cấu trúc lacZ mã hóa cho enzym β-galactosidase, lacY mã hóa cho enzym permease lacA mã hóa cho enzym transacetylase Khi khơng có mặt lactose mơi trường, gen điều hồ thường xun tổng hợp prơtêin ức chế Prơtêin ức chế có lực với điểm điều hành (operator) nên gắn vào điểm điều hành, ngăn cản khơng cho enzym ARN- polymerase thực phiên mã, mARN tổng hợp được, operon đóng Khi có mặt lactose mơi trường, nhờ enzym permease có sẵn màng tế bào chuyển lượng vào tế bào Khi vào tế bào, lactose chuyển thành allolactose (có chứa liên kết β-1,6) Allolactose chất cảm ứng, liên kết với prơtêin kìm hãm Phức hợp khơng có lực với operator, nên khơng gắn lên operator được, lúc này, operon mở ARN- polymerase thực phiên mã gen cấu trúc Mơ hình hoạt động operon lactose Phần lớn tổng hợp enzym hoạt động trình phân giải tế bào kiểm soát theo chế operon cảm II.1.2.2 Điều hịa dương tính operon lactose Chức β-galactosidase chuyển hóa lactose để tạo glucose cách cắt lactose (một sản phẩm cắt khác galactose chuyển thành glucose nhờ enzyme operon galactose) Nếu glucose lactose có mặt môi trường sinh trưởng, không cần hoạt động operon lac Trong mơi trường có glucose, enzyme - galactosidase không tạo thành glucose mơi trường sử sụng hết Sự có mặt glucose làm mRNA khơng tổng hợp, khơng có tổng hợp β-galactosidase, thêm vào nhân tố cảm ứng làm bất hoạt chất kìm hãm Một yếu tố khác cần cho bắt đầu tổng hợp mRNA, hoạt tính yếu tố điều hịa nồng độ glucose Glucose có ảnh hưởng ức chế gián tiếp lên biểu operon lac Những phân tử nhỏ adenosine monophosphate vòng (cAMP) phân bố rộng rãi mô động vật thể eukaryote đa bào, có vai trị quan trọng làm chất trung gian hoạt động hormone Chất có tế bào E coli nhiều tế bào vi khuẩn khác với chức khác cAMP tổng hợp enzyme adenyl cyclase, nồng độ cAMP điều hòa gián tiếp qua trao đổi chất glucose Khi vi khuẩn sinh trưởng môi trường chứa glucose, hàm lượng cAMP thấp Trong môi trường chứa glycerol nguồn carbon khơng thể vào đường hóa sinh sử dụng để trao đổi chất glucose (con đường glycolytic) vi khuẩn bị đói nguồn lượng, nồng độ cAMP cao Hàm lượng glucose giúp điều hòa nồng độ cAMP tế bào cAMP lại điều hịa hoạt tính operon lac E coli chứa protein nhận cAMP hay CRP (cyclic AMP receptor protein) gọi protein hoạt hóa dị hóa CAP (catabolite activator protein), mã hóa gen crp Đột biến gen crp gen adenyl cyclase làm ngăn cản tổng hợp mRNA lac Điều cho thấy chức CRP cAMP cần thiết cho tổng hợp mRNA lac CRP cAMP gắn vào vị trí khác tạo phức hợp cAMP-CRP biểu Phức hợp yếu tố điều hịa hoạt hóa hệ thống lac Tổng hợp mRNA không Repressor khơng Phức hợp cAMP-CRP Có Phiên mã khơng Hình 7.4 Bốn trạng thái điều hòa operon lac Nhu cầu cAMP-CRP phụ thuộc vào hệ thống ức chế lac, đột biến crp adenyl cyclase khơng thể tạo mRNA lac có mặt đột biến gen điều hòa (lacI-) gen huy (lacO-) Sở dĩ phức hợp cAMP-CRP phải gắn vào trình tự base DNA vùng promotor để xảy phiên mã (Hình 7.4) Khác với chất ức chế điều hịa âm tính, phức hợp cAMP-CRP chất điều hịa dương tính Các thí nghiệm điều kiện in vitro cho thấy: mRNA lac tổng hợp có cAMP vịng khơng có chất ức chế Khi vắng mặt phức hợp cAMP-CRP, RNA polymerase bám lỏng lẽo vào promotor Vì dẫn đến phiên mã khơng có tương tác RNA polymerase promotor Nhưng RNA polymerase kích thích gắn vào promotor cAMP-CRP gắn vào DNA Những kết giải thích chức lactose glucose tham gia điều hòa phiên mã operon lac Khi mơi trường có nhiều nguồn cácbon khác nhau, thông thường vi sinh vật sử dụng nguồn cácbon quen thuộc trước, sau cạn kiệt nguồn vi sinh vật chuyển dần sang sử dụng nguồn cácbon Ví dụ: Ở vi khuẩn E.coli mơi trường ni cấy có glucozơ lactozơ vi khuẩn sử dụng glucozơ trước, đến cạn dần glucozơ chuyển sang dùng nguồn cácbon cịn lại Như vậy, khẳng định vi sinh vật, gen định mã hóa enzym chuyển hóa nguồn cácbon mơi trường có nhiều nguồn cácbon chúng sử dụng nguồn cácbon trước, tế bào chúng ln có sẵn enzym Vậy cách mà vi khuẩn cảm nhận thay đổi nồng độ cácbon sử dụng? Đó nhờ phân tử AMP vịng ( CAMP), phân tử CAMP tích lũy dần nồng độ glucozơ giảm dần Mà prôtêin điều hịa hoạt hóa operon Lac prơtêin dạng tự khơng hoạt động Khi CAMP liên kết với prơtêin hoạt hóa trở thành dạng hoạt động (CAP), CAP liên kết vào vị trí điều hịa operon làm tăng lực promotor với ARN polimeraza, dẫn đến gen tăng biểu Khi tăng nồng độ glucozơ lượng AMP lại giảm Lượng phức hệ CAP giảm, lực promotor với ARN C polimeraza giảm, gen phiên mã giảm Do trình tự liên kết chất ức chế lacI operator phủ lên promotor lac phần, nên lacI liên kết vào operator, ngăn cản liên kết ARN polimeraza vào promotor Còn CAP, thiếu vắng prôtêin này, ARN polimeraza liên kết yếu vào promotor Bởi vì, promotor lac thiếu trình tự UP, đồng thời trình tự liên ứng khơng hồn chỉnh Ngược lại, prơtêin CAP liên kết vào operon lac lại có vai trị thúc đẩy operon hoạt động Tuy vậy, CAP liên kết mạnh mơi trường khơng có glucozơ cAMP phân tử kích ứng dị hình CAP Nghĩa là, cAMP liên kết với CAP, prơtêin có cấu hình phù hợp liên kết với ADN Khi CAP liên kết vào vị trí này, đồng thời huy động thúc đẩy ARN polimeraza đính kết vào promotor CAP hoạt hóa operon Lac việc huy động enzym ARN polimeraza đến promotor cAMP phân tử kích ứng dị hình CAP Nghĩa là, cAMP liên kết với CAP, prơtêin có cấu hình phù hợp liên kết với ADN II.1.3 Điều hịa Operon đồng hóa vi khuẩn II.1.3.1 Điều hịa Operon kìm hãm - Operon tryptophan E.coli Operon tryptophan có cấu trúc tương tự operon lactose, nghĩa là, bao gồm gen điều hoà (R), promoter (P), operator (O) gen cấu trúc Mỗi gen cấu trúc mã hóa cho enzym, xúc tác phản ứng tổng hợp tryptophan Trong tế bào, tryptophan tổng hợp chuỗi phản ứng, phản ứng xúc tác enzym mã hóa operon Năm gen cấu trúc mã hóa cho enzym, ký hiệu trpE, trpD, trpC, trpB trpA Gen trpE nằm sau vùng điều hoà, phiên mã Mơ hình hoạt động operon tryptophan Hoạt động operon tryptophan khác với operon lactose chỗ prơtêin kìm hãm, thân khơng có lực với operator nên đứng riêng mình, khơng thể gắn vào điểm điều hành, nên operon mở Ngược lại, prơtêin kìm hãm kết hợp với chất đồng kìm hãm (corepressor), có lực với operator nên dễ dàng gắn vào đó, làm operon đóng Hoạt động operon mơ tả hình Như vậy, lượng tryptophan dư, operon đóng, cịn thiếu tryptophan operon mở Nhìn chung, cách điều hoà biểu gen sinh vật procaryote chủ yếu thực giai đoạn phiên mã Operon tryptophan (trp) E.coli chứa gen cấu trúc mã hóa cho enzyme tổng hợp amino acid tryptophan Operon điều hịa theo cách sau: tryptophan có mặt đầy đủ môi trường sinh trưởng, phiên mã operon bị ức chế Khi cung cấp tryptophan bị thiếu, phiên mã xảy Sự điều hòa operon lactose tương tự với operon lactose, tổng hợp mRNA điều hịa âm tính nhờ chất ức chế Tuy nhiên, khác với điều hòa operon lac, tryptophan hoạt động chất đồng kìm hãm, kích thích chất ức chế gắn vào operator ngừng tổng hợp Operon tryptophan hoạt động theo kiểu ức chế, điều hịa âm tính Tryptophan tổng hợp qua giai đoạn phức tạp, giai đoạn có xúc tác enzyme đặc biệt Các gen mã hóa cho enzyme nằm kề nhiễm sắc thể E.coli Đó gen trpE, trpD, trpC, trpB, trpA Các enzyme dịch mã từ phân tử mRNA đa cistron Vùng mã hóa gen E dịch mã trước tiên Phía trước trpE đầu 5' có promotor, operator vùng xếp leader (trpL) đoạn kìm hãm phiên mã attenuator (trpa, trpA) Gen ức chế trpR nằm xa operon, tổng hợp protein aporepressor, chất kìm hãm mà riêng khơng có hoạt tính Khi tryptophan dư thừa, kết hợp với aporepressor tạo chất kìm hãm có hoạt tính, gắn vào operator operon tryptophan làm dừng phiên mã gen cấu trúc Khi nồng độ tryptophan thấp, tách khỏi phức hợp kìm hãm aporepressor hoạt tính Lúc operator mở ra, RNA polymerase dịch mã gen cấu trúc để tổng hợp enzyme tham gia tổng hợp tryptophan II.1.3.2 Điều hòa Operon phiên mã dở (Attenuation) Operon tryptophan E.coli Kiểu điều hòa thứ hai phát operon tryptophan gọi attenuation Nó dùng sử dịch mã để điều khiển phiên mã Khi có mặt tryptophan nội bào, với nồng độ thấp, dịch mã phần vùng leader mRNA vừa tổng hợp, kết làm dừng phiên mã trước gen cấu trúc operon chép [A [B Kết thúc phiên mã (A) Sơ đồ phiên mã leader trp; (B) Chi tiết cấu trúc codon trp vòng 1-2 Phiên mã dở (attenuation) kết tương tác trình tự DNA vùng leader phiên mã trp Ở tế bào kiểu dại, phiên mã operon trp thường bắt đầu Tuy nhiên có mắt lượng nhỏ tryptophan, hầu hết phân tử mRNA kết thúc vùng 28 base đặc biệt trình tự leader Kết kết thúc sớm tạo phân tử mRNA chứa 140 nucleotide chấm dứt đoạn ngắn gen mã hóa cho enzyme trp Vùng 28 base xảy kết thúc phiên mã sớm gọi attenuator Trình tự base vùng thường có tính chất điểm kết thúc, gồm dạng đoạn vòng (stem-loop) mRNA theo sau trình tự uridine Trình tự leader có đặc điểm: - Một vùng có codon AUG phía sau codon kết thúc UGA, mã hóa cho polypeptide chứa 14 amino acid gọi leader polypeptide - Hai codon tryptophan vị trí 10 11 mRNA leader polypeptide Trình tự lặp lại ngắn có ý nghĩa trọng điều hịa - Bốn đoạn RNA leader vùng 1, 2, tạo thành khả kết cặp base với Các base vùng kết cặp với vùng 2, vùng kết cặp với vùng Khi kết cặp xảy dạng này, phiên mã kết thúc đoạn qua uridine phía trước nucleotide 140 Kiểu kết cặp xảy mRNA leader tinh - Một kiểu kết cặp biến đổi xảy ra, base vùng kết cặp với vùng nhờ cặp base vùng gần bổ sung Qua mơ hình kết cặp base biến đổi (3-4 2-3), tổ chức trình tự mRNA điều hòa phiên mã qua dịch mã leader polypeptide Khi vùng leader phiên mã, dịch mã leader polypeptid bắt đầu Vì có codon tryptophan trình tự mã hóa, nên dịch mã nhạy cảm với số lượng tRNA trp đưa vào Nếu môi trường cung cấp đầy đủ tryptophan, ribosome trượt qua codon tryptophan vào vùng 7.1 Sự có mặt ribosome loại bỏ khả kết cặp vùng khoảng 10 base phía codon dịch mã Sự có mặt ribosome vùng ngăn cản kết cặp với vùng Trong trường hợp vùng kết cặp với vùng 4, tạo điểm kết thúc phiên mã Sự phiên mã kết thúc qua uridine nằm phía sau vùng Khi số lượng tRNAtrp không đủ, dịch mã leader polypeptide bị dừng lại đột ngột codon tryptophan Sự dùng lại ngăn cản ribosome tiến vào vùng 2, vùng tự kết cặp với vùng làm cản trở hình thành cấu trúc kết thúc Vì phân tử trp mRNA hồn chỉnh tạo thành, chứa trình tự mã hóa cho gen cấu trúc Tóm lại, attenuation chế điều hịa tinh tế sở điều hịa âm tính: Khi tRNAtrp đến đủ cung cấp cho dịch mã leader polypeptide, phiên mã bị dừng, trp enzyme không tổng hợp Khi nồng độ tRNA trp thấp, phiên mã xảy hết, trp enzyme tạo nên Nhiều operon chịu trách nhiệm tổng hợp amino acid khác (như operon leucine, isoleucine, phenylalanine, histidine) điều hòa nhờ attenuator với chức tạo vùng kết cặp biến đổi bảnphiên mã Ở operon histidine vùng mã hóa leader polypeptide chứa codon histidine kế Ở operon phenylalanine vùng mã hóa cho leader polypeptide chứa codon phenylalanin chia nhóm Điều hịa kiểu attenuation khơng thể xảy eukaryote eukaryote phiên mã dịch mã không xảy đồng thời Sự phiên mã xảy nhân, dịch mã xảy tế bào chất Điều hòa operon lac operon trp ví dụ số chế quan trọng điều hòa hoạt động gen mức phiên mã prokaryote II.2 Câu hỏi tập điều hịa hoạt động Operon đồng hóa, dị hóa vi khuẩn Câu (Đề thi chọn đội tuyển quốc gia vòng dự thi Olympic Sinh học quốc tế năm 2014) So sánh hoạt động operon Lac (lactose) operon Trp (tryptophan) điều hồ âm tính E coli? Gợi ý trả lời: - Giống nhau: + Sự điều hoà hai operon Lac Trp liên quan đến chế điều hoà gene kiểu âm tính: Nghĩa là, operon “tắt” prơtêin điều hồ tương ứng chúng (đều prơtêin ức chế gene điều hồ tổng hợp) + Sự điều hoà hai operon Lac Tryptophan tạo cho tế bào tiết kiệm lượng vật chất hoạt động sống - Khác nhau: + Trong operon Lac, enzyme tham gia vào đường chuyển hố lactose cịn gọi enzyme cảm ứng trình sinh tổng hợp chúng gây cảm ứng tín hiệu hố học (trong trường hợp allolactose) Theo nguyên tắc tương tự, operon Trp enzym operon Trp mã hoá gọi enzyme ức chế + Trong operon Tryptophan, Tryptophan có sẵn mơi trường lượng tích luỹ tế bào chúng đủ axit amin kết hợp với prơtêin điều hồ tạo thành phức hợp đồng ức chế liên kết vào trình tự O (operator) làm dừng trình phiên mã Ngược lại operon Lac, allolactose làm bất hoạt protein điều hồ làm cho protein khơng liên kết vào trình tự O, nhờ q trình phiên mã diễn Câu Operon gì? Các thành phần cấu trúc operon Lac có vai trị gì? Gợi ý trả lời: Operon gene cấu trúc prokaryote có liên quan chức năng, chịu điều khiển chung chế điều hoà phân bố liền thành cụm ADN Thơng thường, gene tham gia vào đường chuyển hóa Một operon đơn vị phiên mã đơn bao gồm chuỗi gene cấu trúc, promoter operator Các gene cấu trúc operon phiên mã khơng phiên mã chúng điều khiển operator (O) promoter (P) Các thành phần cấu trúc operon Lac có vai trị: - Một nhóm gen cấu trúc liên quan chức gồm gene cấu trúc (Z, Y, A) kiểm soát tổng hợp protein Z, Y, A, enzym tham gia phản ứng phân giải đường lactozơ: + Gene Lac Z quy định tổng hợp enzim β- galactozidase có chức phân giải đường lactose thành glucose galactose, đồng thời cịn có vai trị chuyển hóa phần lactose (liên kết β 1,4D glycoside ) thành đồng phân allolactose (liên kết β 1,6D glycoside) phân tử bất hoạt protein ức chế + Gene Lac Y quy định loại protein permeaza nằm xuyên màng tế bào vi khuẩn làm nhiệm vụ vận chuyển chủ động đường lactose vào tế bào vi khuẩn + Gene A quy định tổng hợp enzyme thiogalactoside transacetylase có vai trị giải độc tế bào hợp chất thiogalactoside đồng vận chuyển vào tế bào permease hoạt động chuyển nhóm acetyl từ acetyl-coA tới β- galactozidase Tất gene cấu trúc phiên mã lúc tạo thành phân tử mARN - Vùng vận hành (O) trình tự nuclêơtit đặc biệt để protein ức chế dị hình liên kết ngăn cản phiên mã - Vùng khởi động (P) nằm gần đầu 5, gene Lac Z, nơi ARN polimezaza bám vào khởi đầu phiên mã đồng thời ba gene Lac Z, Lac Y, Lac A Câu So sánh chế điều hịa âm tính điều hịa dương tính opêron Lac Trả lời * Giống nhau: - Đều để thích ứng với điều kiện môi trường biến động, đồng thời để tiết kiệm lượng vật chất tế bào - Đều liên quan đến tham gia gen điều hịa Các gen mã hóa cho sản phẩm trực tiếp (prơtêin điều hịa) điều hòa biểu gen cấu trúc Đều có hệ thống điều hịa cảm ứng ức chế thông qua tương tác tác nhân môi trường (vai trị làm tín hiệu điều hịa) với prơtêin điều hòa * Khác nhau: - Trong chế điều hịa dương tính, prơtêin điều hịa có vai trị làm tăng biểu gen cấu trúc Cịn điều hịa âm tính, prơtêin điều hịa có vai trị ức chế biểu gen cấu trúc - Trong chế điều hòa dương tính sản sinh prơtêin điều hịa liên kết với trình tự phần đầu vùng P (promoter), điều hịa âm tính, prơtêin điều hịa liên kết với vùng O (operater) Câu So sánh hoạt động operon lac (lactozơ) operon trp (tryptophan) điều hoà âm tính E.coli Trả lời Giống nhau: - Sự điều hoà hai operon lac trp liên quan đến chế điều hoà gen kiểu âm tính: Nghĩa là, operon “tắt” prơtêin điều hồ tương ứng chúng (đều prơtêin ức chế gen điều hồ tổng hợp) - Sự điều hoà hai operon lac trp tạo cho tế bào tiết kiệm lượng vật chất hoạt động sống Khác nhau: operon Lac ln tắt, mở có chất cảm ứng operon ức chế Luôn hoạt động, tắt có chất pr ức chế hình thành dạng Pr ức chế tổng hợp dạng b hoạt động ngay, liên kết vào O hoạt hóa có chất ức chế phiên mã Enzim cảm ứng thường hoạt động đồng ức chế Enzim ức chế thường hoạt động tron đường dị hóa đường đồng hóa - Trong operon lac, enzim tham gia vào đường chuyển hố lactozơ cịn gọi enzim cảm ứng trình sinh tổng hợp chúng gây cảm ứng tín hiệu hoá học (trong trường hợp allolactozơ) Theo nguyên tắc tương tự, operon trp enzim operon trp mã hoá gọi enzim ức chế - Trong operon trp, tryptophan có sẵn mơi trường lượng tích luỹ tế bào chúng đủ axit amin kết hợp với prơtêin điều hồ tạo thành phức hợp đồng ức chế liên kết vào trình tự O (operator) làm dừng trình phiên mã Ngược lại open lac, allolactose làm bất hoạt prơtêin điều hồ làm cho prơtêin khơng liên kết vào trình tự O, nhờ trình phiên mã diễn Câu Hình thức tổ chức gen theo kiểu Operon đem lại lợi ích cho SV? Cho ví dụ Trả lời Ý nghĩa việc tổ chức gen theo kiểu Operon: - Tiết kiệm vật chất di truyền, làm cấu trúc hệ gen gọn nhẹ (cách tổ chức nhiều gen TB nhân sơ) - Tạo sản phẩm gen nhanh chóng, sản phẩm gen thường liên quan đến chức nên lúc tế bào cần lượng tương đương VD: Operon Lac E.coli tạo protein chuyển hóa lactozo, gen rARN (ở nhân sơ nhân thực) tạo lượng lớn, đồng thời đáp ứng yêu cầu TB Câu a So sánh chế điều hịa âm tính điều hịa dương tính opêron Lac b Tại điều hòa hoạt động gen sinh vật nhân thực thể khác giai đoạn phát triển khác cá thể? Gợi ý trả lời: a)* Giống nhau: ← Đều để thích ứng với điều kiện mơi trường biến động, đồng thời để tiết kiệm lượng vật chất tế bào ← Đều liên quan đến tham gia gen điều hòa Các gen mã hóa cho sản phẩm trực tiếp (prơtêin điều hịa) điều hòa biểu gen cấu trúc Đều có hệ thống điều hịa cảm ứng ức chế thông qua tương tác tác nhân mơi trường (vai trị làm tín hiệu điều hịa) với prơtêin điều hịa ← Khác nhau: Trong chế điều hịa dương tính, prơtêin điều hịa có vai trị làm tăng biểu gene cấu trúc Cịn điều hịa âm tính, prơtêin điều hịa có vai trị ức chế biểu gene cấu trúc ← Trong chế điều hòa dương tính sản sinh protein điều hịa liên kết với trình tự phần đầu vùng P (promoter), điều hịa âm tính, protein điều hịa liên kết với vùng O (operater) * Sự điều hòa hoạt động gene sinh vật nhân thực thể khác giai đoạn phát triển khác cá thể, vì: ← Sinh vật nhân thực thường có cấu tạo thể phức tạp, bao gồm mô quan chuyên hóa khác phát sinh từ tế bào (hợp tử) Vì thế, điều hòa biểu nhiều gene vào giai đoạn khác cần nhiều chế điều hòa tinh tế đảm bảo cho thể phát triển sinh trưởng bình thường ← Trong phát sinh cá thể, tùy giai đoạn, tùy loại mô mà có số gene tế bào hoạt động Điều diễn nhờ chế điều hịa hoạt động gene Câu Trong mơ hình điều hòa hoạt động operon Lac, nêu chức trình tự ADN sau: (1) Trình tự huy (Regulator), (2) Trình tự khởi đầu phiên mã (Promoter), (3) Trình tự điều hoà (Operator), Gene cấu trúc Z (4), Y (5), A(6) Đột biến gene xảy trình tự gây hậu gì? Gợi ý trả lời: * Chức trình tự ADN mơ hình điều hịa hoạt động operon Lac: (1): kiểm sốt q trình phiên mã tổng hợp protein ức chế (repsessor) (2): chứa trình tự nu đặc hiệu thực trình khởi động phiên mã gene cấu trúc Z, Y, A operon Lac (3): mang trình tự đặc hiệu có lực cao với protein ức chế (repressor) Khi protein ức chế gắn vào vị trí q trình phiên mã operon Lac khơng diễn (4): mã hố cho enzym -galactosidase xúc tác cho phản ứng thủy phân lactôzơ thành glucơzơ galactose, đồng thời enzim -galactoside cịn có tác dụng chuyển hố phần lactơzơ thành đồng phân alolactozo chất kích ứng protein ức chế (5): mã hoá cho permease (protein vận chuyển) làm nhiệm vụ vận chuyển lactose vào tế bào (6): mã hoá cho enzim thiogalactoside transacetylase chuyển nhóm acetyl từ acetyl-coA vào số hợp chất gây độc với tế bào đồng thời vận chuyển permease (chức giải độc tế bào) + Đột biến gene mã hóa protein ức chế dẫn đến hậu sau: ← Có thể xảy đột biến câm, trường hợp: đột biến nucleotit gene không làm thay đổi trình tự axit amin protein ức chế, đột biến thay đổi axit amin chuỗi polypeptit protein ức chế không làm thay đổi khả liên kết protein ức chế với trình tự huy (O) Hậu cuối dạng đột biến operon Lac hoạt động bình thường khơng có thay đổi liên quan đến biểu gene cấu trúc Z Y ← Xảy đột biến làm giảm khả liên kết protein ức chế vào trình tự huy biểu gene cấu trúc Z Y tăng lên ← Làm hoàn toàn khả liên kết protein ức chế protein ức chế không tạo gene cấu trúc Z Y biểu liên tục ← Xảy đột biến làm tăng khả liên kết protein ức chế vào trình tự huy biểu gene cấu trúc Z Y giảm (thực tế trường hợp xảy ra) Câu Trong hoạt động operon Lac vi khuẩn E coli, đột biến xảy gene điều hòa R (còn gọi lac I) dẫn đến hậu liên quan đến biểu gene cấu trúc? Gợi ý trả lời: - Operon Lac gồm phần sau: gene điều hịa R mã hóa cho protein ức chế R, trình tự khởi động P, trình tự huy (O), gen cấu trúc Z, Y A - Nếu đột biến xảy gene R dẫn đến hậu sau: Xảy đột biến câm, trường hợp: Đột biến nucleotit gen khơng làm thay đổi trình tự axit amin prôtein ức chế, Đột biến thay đổi axit amin chuỗi polypeptit prôtein ức chế không làm thay đổi khả liên kết prôtein ức chế với trình tự huy (O) Hậu cuối dạng đột biến ôperon Lac hoạt động bình thường khơng có thay đổi liên quan đến biểu gen cấu trúc a) Xảy đột biến làm giảm khả liên kết protein ức chế vào trình tự huy biểu gen cấu trúc tăng lên b) Làm hoàn toàn khả liên kết protein ức chế protein ức chế không tạo gen cấu trúc biểu liên tục c) Xảy đột biến làm tăng khả liên kết protein ức chế vào trình tự huy biểu gen cấu trúc giảm * Kết luận: Đột biến xảy gene điều hòa R dẫn đến hậu khác biểu gen cấu trúc Câu Bình thường người ta thấy lồi vi sinh vật không sản xuất enzim D, đưa thêm vào môi trường nuôi cấy chúng chất dinh dưỡng E sau 15 phút người ta thấy enzim D xuất Hãy giải thích tượng mặt chế di truyền Trả lời * Dữ kiện đề cho ta nhận định điều hoà tổng hợp enzim D VSV xảy theo chế điều hoà hoạt động gen vi khuẩn F.Jacôp J.mônô - Trong tế bào VSV, gen cấu trúc có liên quan chức phân bố liền thành cụm có chung chế điều hồ gọi opêron - Opêrôn gồm thành phần sau: +1 nhóm gen cấu trúc có liên quan chức + Vùng vận hành (O): nơi protêin ức chế liên kết làm ngăn cản phiên mã, khơng có prơtêin ức chế vùng vận hành hoạt động + Vùng khởi động: Nơi ARN polimeraza bám vào khởi đầu phiên mã Sự hoạt động Opêrôn phụ thuộc váo điều khiển gen điều hồ Opêrơn (R), gen điều hồ khơng nằm thành phần Opêrôn mà nằm trước Opêrôn Bình thường gen điều hồ tổng hợp prơtêin ức chế liên kết với vùng vận hành ngăn cản trình phiên mã (không cho Opêrôn hoạt động) * Trong đề thấy bình thường gen điều hồ phiên mã tạo mARN, tổng hợp prôtêin ức chế, chất ức chế bám vào vùng vận hành, gen cấu trúc không phiên mã nên enzim D không tổng hợp - Khi đưa thêm chất dinh dưỡng E vào mơi trường ni cấy VSV chất với vai trị chất cảm ứng gắn với prơtêin ức chế nên khơng gắn vàp vùng vận hành nữa, vùng vậnh tự điều khiển trình phiên mã Opêrơn, mARN gen cấu trúc tổng hợp trình dịch mã xảy enzim D tổng hợp A B C Hình 7.7 Phiên mã dở (attenuation) operon trp E coli A Ở mRNA tự có kết cặp base 1-2 3-4 B Ở nồng độ cao tryptophan, ribosome tiến đến vùng kết cặp 3-4 làm kết thúc phiên mã C Ở nồng độ tryptophan thấp, ribosome vùng codon trp cho phép kết cặp 2- phiên mã không bị kết thúc sau qua vùng ... điều kiện mơi trường biến động, đồng thời để tiết kiệm lượng vật chất tế bào - Đều liên quan đến tham gia gen điều hòa Các gen mã hóa cho sản phẩm trực tiếp (prơtêin điều hòa) điều hòa biểu gen. .. điều kiện mơi trường biến động, đồng thời để tiết kiệm lượng vật chất tế bào ← Đều liên quan đến tham gia gen điều hòa Các gen mã hóa cho sản phẩm trực tiếp (prơtêin điều hòa) điều hòa biểu gen. .. gene tế bào hoạt động Điều diễn nhờ chế điều hịa hoạt động gene Câu Trong mơ hình điều hịa hoạt động operon Lac, nêu chức trình tự ADN sau: (1) Trình tự huy (Regulator), (2) Trình tự khởi đầu phiên