Ở prokaryote, điển hình là E.coli, các tín hiệu điều hòa là các yếu tố dinh dưỡng hay hoá lý môi trường. Để đáp ứng với sự biến động của các yếu tố trên, tế bào thay đổi biểu hiện các gen: Gen có thể tăng cường, giảm hay thậm chí ngừng hẳn hoạt động. Sự điều hòa biểu hiện của gen phần lớn xảy ra ở giai đoạn phiên mã. Cơ chế điều hòa của chúng chủ yếu thông qua các operon, được Francois Jacob và Jacques Monod đưa ra lần đầu tiên vào năm 1961. Mỗi operon bao gồm:
Hình 3.1. Cấu trúc điển hình của operon
- Một số gen cấu trúc nằm gần nhau (Structural gene, SGs) liên quan về mặt chức năng, xếp cạnh nhau và được điều hoà chung. Khi cụm gen này phiên mã sẽ tạo thành một mARN đa cistron và dịch mã thành các enzyme tham gia sự chuyển hoá của một chất nhất định.
- Một yếu tố chỉ huy, hay còn gọi là vùng điều hành (operator, O), là trình tự ADN nằm kế trước nhóm gen cấu trúc, là vị trí tương tác với chất ức chế.
- Một vùng khởi động (promoter, P) là trình tự ADN nằm trước yếu tố chỉ huy và có thể trùm lên một phần hoặc toàn bộ vùng này, là vị trí bám của ARN polymerase.
- Một gen điều hoà hay còn gọi là gen ức chế (Regulatory/inhibitory gene, R/I): gen này có promoter riêng nhưng không có operator nên sản xuất protein điều hoà kiểu cơ định
để điều hoà hoạt động O (qua tương tác với O). Protein điều hoà còn gọi là chất ức chế (repressor) vì khi bám vào O sẽ ức chế hoạt động của operon.
Tóm lại, operon là một đơn vị tổ chức và hoạt động chức năng đặc trưng của các bộ
gen Prokaryote. Mỗi operon là một cụm liên kết giữa vùng khởi động với yếu tố chỉ huy và nhóm gen cấu trúc do yếu tố này trực tiếp kiểm soát mà sự hoạt động của nó được điều hoà bởi một gen điều hoà.
Sự sao mã bắt đầu ở một phần xác định trên phân tử ADN để đảm bảo rằng gen được sao chép chính xác sang mARN và thứ tự đúng đó được sử dụng để giải mã protein hoặc tạo ra phân tử ARN với chức năng của riêng chúng. Tuy nhiên, điều đặc biệt quan trọng là gen chỉ được sao mã khi được tế bào hay cơ thể yêu cầu.
I.1. Operon Lactose
Bao gồm ba gen cần thiết để chuyển từ quá trình trao đổi chất sử dụng glucose sang sử dụng lactose:
+ Lac Z: Mã hóa galactosidase, được dùng để chuyển hóa lactose thành galactose và glucose sau đó sử dụng trong quá trình trao đổi chất của tế bào; và cũng dùng để chuyển hóa lactose thành allolactose.
+ Lac Y: Mã hóa galactoside perase, được sử dụng để vận chuyển lactose vào trong tế bào.
+ Lac A: Mã hóa galactosidase transacetylase với chức năng chuyển nhóm acetyl từ acetyl-CoA vào galactose.
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc operon lactose
Ba gen này nằm kế tiếp nhau trên ADN và do đó được dịch mã cùng lúc, sử dụng cùng một promoter là nhân tố điều khiển.
Trên mô hình operon này còn có một loại gen khác là Lac I mã hóa cho phân tử protein gọi là lac repressor (protein ức chế lactose) là một tetramer có những tiểu phần 37 kDa, trong đó mỗi tiểu phần có một đầu gắn với chất cảm ứng và có một trục đối xứng.
Phần cuối cùng trong operon lactose là vùng điều khiển, bao gồm một vùng khởi động (promoter) là nơi gắn của polymerase và một vùng điều hành (operator) là nơi gắn của protein ức chế.
I.1.1. Điều hoà âm tính
Về cơ chế điều hoà, trong trường hợp không có lactose và có mặt của một cơ chất khác như glucose, khi đó trong tế bào không có chất cảm ứng lactose.
Protein ức chế sẽ được tổng hợp do sự hoạt động của gen lac I và protein này sẽ bám vào vùng điều hoà (operator) của operon lactose. Ngăn cản hoạt động của polymerase và do đó, sự sao mã không được thực hiện. Chất ức chế xuất hiện không phải là để ngăn cản polymerase gắn vào phân tử ADN mà là ngăn cản sự hình thành của một phức hệ khởi động mở (an open promoter complex) và do đó ngăn cản quá trình sao mã. Tuy nhiên, khi có sự hiện diện của lactose với vai trò là nguồn cacbon duy nhất, tế bào sẽ có protein cảm ứng lactose. Protein cảm ứng này sẽ gắn vào vùng gắn ở một đầu (đã được xác định) trên protein ức chế và do đó làm thay đổi cấu trúc. Lúc này, protein ức chế không thể gắn vào operator và cản trở sự sao mã nữa. Như vậy, khi có mặt lactose, các gen sẽ có khả năng biểu hiện, sản xuất ra những protein cần thiết cho sự “tiêu hoá” lactose.
Sự điều hoà ở operon lactose miêu tả ở trên có thể được coi là một kiểu điều hoà âm (nagative control). Trong mô hình này, khi không có lactose, operon không hoạt động.
I.2. Operon tryptophan
Operon tryptophan là một ví dụ cho operon với trình tự dẫn đầu chứa các gen mã hoá cho các enzym cần thiết cho sinh tổng hợp trptophan. Cũng giống như các operon khác, operon Trp bao gồm các repressor, promoter, operator và các gen cấu trúc. Operon Trp là một hệ liên tục ngược (repressible), nghĩa là việc liên kết của phân tử co-repressor với repressor làm tăng nhanh chóng ái lực của repressor sẽ liên kết và ngăn chặn sự phiên mã. Do đó, đối với operon Trp, việc bổ sung Tryptophan (một co-repressor) với môi trường nuôi cấy E. Coli
sẽ ngăn chặn quá trình phiên mã vì repressor sẽ liên kết với operator.
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc của operon Trp