Ở vi khuẩn và phage, hoạt tính đóng mở gene thường được điều khiển qua phiên mã tổng hợp các mRNA xảy ra khi sản phẩm của gene được cần
đến.
Cơ chế phân tử cho mỗi mô hình điều hòa hoàn toàn khác nhau, nhưng thường theo một trong hai kiểu chính: điều hòa âm tính và điều hòa
dương tính (Hình 7.1). Trong hệ thống điều hòa âm tính (Hình 7.1A) một protein ức chế có mặt trong tế bào, ngăn cản sự phiên mã. Trong hệ thống cảm ứng được điều hòa âm tính, protein ức chế hoạt động làm ngăn cản phiên mã. Nhân tố cảm ứng kìm hãm chất ức chế, cho phép bắt đầu phiên mã. Trong hệ thống ức chế, protein aporepressor gắn với co-repressor tạo ra chất ức chế có hoạt tính, làm ngăn cản phiên mã. Ngược lại trong hệ
thống điều hòa dương tính (Hình 7.1B), sự tổng hợp mRNA xảy ra nều protein điều hòa gắn vào một vùng của gene làm hoạt hóa phiên mã. Những protein này được xem là những nhân tố hoạt hóa phiên mã. Điều hòa âm tính và dương tính không loại trừ lẫn nhau. Một vài hệ thống là cả điều hòa âm tính và dương tính, sử dụng cả 2 hệ thống điều hòa để phản
ứng với các điều kiện khác nhau trong tế bào. Điều hòa âm tính là phổ
biến cho prokaryote, trong khi điều hòa dương tính lại phổ biến cho eukaryote.
1. Cấu trúc của operon
Mô hình operon của điều hòa phiên mã
Cơ chế điều hòa di truyền của hệ thống lac (lac system) được giải thích bằng mô hình operon của Francois Jacob và Jacque Monod (1960) (Hình 7.2).
Hệ thống sử dụng lactose gồm 2 loại thành phần: gene cấu trúc mã hóa protein cần thiết cho sự vận chuyển và chuyển hóa lactose và các yếu tốđiều hòa (gene ức chế lacI, promotor lac P và operator lacO).
Sản phẩm gene cấu trúc được mã hóa bởi một phân tử mRNA đa cistron (polycistronic). Gene Z mã hóa cho enzyme β- galactosidase (thủy phân đường lactose thành galactose và glucose), gene Y mã hóa cho enzyme permease (cần cho vận chuyển lactose qua màng), gene A mã hóa cho enzyme transacetylase (vai trò chuyển hóa lactose chưa rõ).
Đột biến promotor (lacP-) làm mất khả năng tổng hợp mRNA.
Sản phẩm của gene lacI là chất ức chế, nó bám vào trình tự các base của DNA cấu tạo operator. Chất ức chế bám vào operator, ngăn cản sự
khởi đầu phiên mã mRNA nhờ RNA polymerase. Chất cảm ứng (lactose) kích thích sự sinh tổng hợp mRNA bằng cách kết hợp và làm bất hoạt chất
ức chế. Sự có mặt của chất cảm ứng làm chất ức chế không gắn vào operator, promotor cho phép khởi đầu tổng hợp mRNA.
Khi môi trường có lactose, lactose được chuyển vào tế bào nhờ
permease. Khi vào trong tế bào một số lactose (liên kết β -1,4) được chuyển thành allolactose (liên kết β-1,6) nhờ β-galactosidase. Allolactose là chất cảm ứng, nó gắn vào protein kìm hãm, gây biến đổi cấu hình tạo
phức hợp allolactose-repressor. Phức hợp này mất khả năng gắn vào operator. Lúc này operon mở ra, RNA polymerase bắt đầu phiên mã từ
gene cấu trúc.
Hình 7.2 A Bản đồ của operon lac;
Repressor gắn vào operator, ngăn cản phiên mã Trực tiếp phiên mã
Phức hợp chất cảm ứng-chất ức chế không thể gắn vào operator Khi không lactose, RNA polymerase bắt
đầu phiên mã tổng hợp protein z, y và a [A] [B] [C] mARN Repress or protein Inducer Lac mARN β- galactosidase Permeas e Transacety lase Nhóm gene cấu trúc Các yếu tốđiều hoà
B. Sơđồ của operon lac ở trạng thái bị kìm hãm C. Sơđồ của operon lac ở trạng thái được kích thích C. Sơđồ của operon lac ở trạng thái được kích thích
Khi môi trường không có lactose, protein ức chế có hoạt tính gắn vào operator, làm sự phiên mã của tất cả các gene cấu trúc của operon lac bị
dừng.
Sự điều hòa của operon yêu cầu promotor nằm chồng lên một phần hoặc kề sát bên promotor của gene cấu trúc, vì nó gắn với chất ức chế
ngăn cản phiên mã.
2. Điều hòa dương tính operon lactose
Chức năng của β-galactosidase trong chuyển hóa lactose để tạo ra glucose bằng cách cắt lactose (một sản phẩm cắt khác là galactose cũng có thểđược chuyển thành glucose nhờ enzyme của operon galactose). Nếu cả
glucose và lactose có mặt trong môi trường sinh trưởng, không cần hoạt
động của operon lac. Trong môi trường có glucose, enzyme β- galactosidase không được tạo thành cho đến khi glucose trong môi trường
được sử sụng hết. Sự có mặt của glucose làm mRNA không được tổng hợp, do đó không có sự tổng hợp β-galactosidase, vì sự thêm vào nhân tố
cảm ứng làm bất hoạt chất kìm hãm. Một yếu tố khác cần cho sự bắt đầu tổng hợp mRNA, hoạt tính của yếu tố này được điều hòa bởi nồng độ
glucose.
Glucose có ảnh hưởng ức chế gián tiếp lên sự biểu hiện của operon lac. Những phân tử nhỏ adenosine monophosphate vòng (cAMP) phân bố
rộng rãi trong mô động vật và trong các cơ thể eukaryote đa bào, có vai trò quan trọng làm chất trung gian hoạt động hormone. Chất này cũng có trong tế bào E. coli và nhiều tế bào vi khuẩn khác với chức năng khác nhau. cAMP được tổng hợp bởi enzyme adenyl cyclase, và nồng độ của cAMP được điều hòa gián tiếp qua trao đổi chất glucose. Khi vi khuẩn sinh trưởng ở môi trường chứa glucose, hàm lượng cAMP rất thấp. Trong môi trường chứa glycerol hoặc các nguồn carbon không thể đi vào con
đường hóa sinh được sử dụng để trao đổi chất glucose (con đường glycolytic) hoặc khi vi khuẩn bị đói nguồn năng lượng, nồng độ cAMP cao. Hàm lượng glucose giúp điều hòa nồng độ cAMP trong tế bào và cAMP lại điều hòa hoạt tính của operon
lac.
Hình 7.3 Cấu trúc của cAMP
E. coli chứa protein nhận cAMP hay CRP (cyclic AMP receptor protein) còn được gọi là protein hoạt hóa dị hóa CAP (catabolite activator protein), được mã hóa bởi gene crp. Đột biến ở gene
crp và gene adenyl cyclase làm ngăn cản sự tổng hợp của mRNA lac. Điều này cho thấy chức năng của CRP và cAMP cần thiết cho tổng hợp mRNA
lac. CRP và cAMP gắn vào một vị trí khác tạo phức hợp cAMP-CRP được biểu hiện. Phức hợp này là một yếu tốđiều hòa hoạt hóa ở hệ thống lac.