- Mó di truyền là mó bộ ba (triplet code) Cỏc bộ ba cuả mARN gọi là codon (mó) và bộ ba
2. Điều hoà biểu hiện gen ở prokaryote
2.3. Điều hoà hoạt động của Operon tryptophan (trp operon)
Đại diện cho tất cả cỏc operon của cỏc loại axit amin và cỏc vitamin là operon tryptophan (trp
operon). Để cho tiện ta viết: operon Trp.
2.3.1. Cấu trỳc của trp operon
Operon tryptophan của E. coli cú chứa năm gen cấu trỳc (trpE, trpD, trpC, trpB và trpA) mó
hoỏ cho cỏc enzyme tham gia vào quỏ trỡnh tổng hợp axit amin tryptophan. Ngoài ra, nú cú một số đặc điểm khỏc như: trỡnh tự operator nằm lọt trong promoter, cũn gen điều hoà nằm cỏch xa operon về phớa trước, bỡnh thường chất ức chế (trp repressor hay aporepressor) của operon tự nú khụng bỏm được vựng vận hành O. Operon Trp cũng chịu sựđiều hoà õm tớnh như operon Lac; nú chỉ hoạt động khi mụi trường nội bào thiếu hụt tryptophan và khụng hoạt động khi dư thừa tryptophan, sản phẩm cuối của con đường sinh tổng hợp. Vỡ vậy operon Trp được gọi là operon
Hỡnh 6.8. (a) Cấu trỳc của operon tryptophan. (b) Ký hiệu cỏc vựng điều hũa của operon Trp. (c)
Đại cương về trạng thỏi hoạt động và bất hoạt của operon.
2.3.2. Cơ chếđiều hoà õm tớnh của trp operon
Khi trong tế bào E. coli dư thừa axit amin tryptophan (sản phẩm cuối cựng của con đường chuyển hoỏ) thỡ trp operon ngừng hoạt động và do đú cỏc enzyme tổng hợp chỳng khụng được tạo ra. Sự kiện này được giải thớch như sau: Bỡnh thường chất ức chế của operon này (trp repressor) tồn tại ở trạng thỏi bất hoạt, khụng cú ỏi lực đối với yếu tố vận hành (trp operator). Nhưng khi cỏc axit amin này dư thừa sẽ kết hợp vào chất ức chế và tạo ra phức hợp cú cú ỏi lực với yếu tố vận hành. Tryptophan vỡ vậy được gọi là chất đồng ức chế (co-repressor). Phức hợp này bỏm vào yếu tố vận hành làm kỡm hóm sự phiờn mó của trp operon.
Ngược lại, khi trong tế bào vắng mặt hay thiếu hụt axit amin này, vỡ chất ức chế vốn ở trạng thỏi bất hoạt khụng bỏm được vào yếu tố O, dẫn đến ARN polymerase bỏm promoter và tiến hành phiờn mó cỏc gen. Kết quả là cỏc enzyme tham gia tổng hợp tryptophan được sinh ra. Một khi hàm lượng axit amin này được tổng hợp ở mức dư thừa sẽ tỏc động ngược trở lại, kỡm hóm hoạt động của operon Trp.
Túm lại, nhờ cú cỏc cơ chếđiều hũa hoạt động gen theo kiểu phản hồi như thế mà bộ gen vi khuẩn cú thể hoạt động một cỏch nhịp nhàng hợp lý, từđú vi khuẩn cú thể thớch nghi và phỏt triển trước cỏc điều kiện mụi trường khụng ngừng thay đổi.
2.3.3. Sự kết thỳc phiờn mó sớm ở trp operon
Phiờn mó dở (attenuation) là một cơ chế điều hoà gõy ra sự kết thỳc phiờn mó sớm dưới những điều kiện nhất định; bằng cỏch đú nú ngăn cản sự biểu hiện sản phẩm của mARN. Sự phiờn mó dở tạo ra mARN uốn gập một cỏch điển hỡnh thành cỏc cấu trỳc bậc hai xen kẻ, một trong sốđú là yếu tố kết thỳc độc lập ρ (Rho-independent terminator).
Đối với operon tryptophan, đú là việc sử dụng dịch mó đểđiều khiển sự phiờn mó. Khi cú mặt tryptophan trong mụi trường nội bào, thậm chớ ở nồng độ thấp, sẽ xảy ra sự dịch mó một phần ở đoạn dẫn dầu (leader) của mARN đang được tổng hợp. Kết quả là làm dừng sự phiờn mó trước khi gen cấu trỳc đầu tiờn (trpE) của operon được phiờn mó.
Sự kết thỳc phiờn mó sớm ở operon tryptophan là kết quả của sự tương tỏc bổ sung nội phõn tử giữa cỏc trỡnh tự ADN bờn trong vựng leader của bản sao ARN. Hệ quả của sự kết thỳc phiờn mó sớm này tạo ra một mARN chứa 140 bazơ. Tại vựng đầu mỳt 3' của nú xảy ra sự tự bổ sung ởđoạn giàu GC tạo thành một cấu trỳc hỡnh vũng trờn thõn ARN và gõy ra sự kết thỳc phiờn mó sớm. Vựng này được gọi là đoạn phiờn mó dở (trp attenuator) và ở phần đuụi của mARN này cũng cú 8 bazơ
uridine. Kiểu cấu trỳc “kẹp túc” này là tớn hiệu kiểm soỏt kết thỳc phiờn mó ở prokaryote núi chung.
Hỡnh 6.10. (a) Cấu trỳc đoạn dẫn đầu - TrpL của trp operon. (b) Khi mức tryptophan cao, xảy ra sự
kết thỳc phiờn mó sớm tại trp attenuator với một cỏi đuụi 3' gồm 8 uridine. (c) Khi mức tryptophan thấp, sự phiờn mó tiếp diễn.
Với kiểu cấu trỳc đặc thự ởđoạn dẫn đầu của operon Trp làm cho nú cú ý nghĩa quan trọng trong điều hoà phiờn mó dở, ở chỗ: (i) tổng hợp một peptide dẫn đầu chứa 14 axit amin; (ii) trờn mARN của đoạn peptide này chứa hai codon của Trp ở cỏc vị trớ 10 và 11; (iii) ở bốn vựng được
đỏnh số 1–4 xảy ra sự tự bổ sung giữa cỏc vựng 1 và 2, và giữa 3 và 4; ở một số trường hợp cú thể
Do trong trỡnh tự mó húa của đoạn dẫn đầu trpL cú hai codon Trp, nờn sự dịch mó đoạn này tỏ
ra nhạy cảm với số lượng tARNtrp đưa vào. Nếu mụi trường cung cấp đầy đủ Trp, ribosome trượt qua cỏc codon Trp đểđi vào vựng 2. Và sự cú mặt của ribosome ở vựng 2 ngăn cản vựng này kết cặp với vựng 3. Khi đú vựng 3 sẽ cặp với vựng 4 và tạo ra điểm kết thỳc phiờn mó sớm (xảy ra sau khi tổng hợp xong 8 uridine ở ngay sau vựng 4). Khi số lượng tARNTrp đưa vào khụng đầy đủ, sự
dịch mó đoạn dẫn đầu dừng lại đột ngột ở cỏc codon Trp của nú. Điều này ngăn cản ribosome tiến vào vựng 2, do đú vựng này sẽ cặp với vựng 3 gõy cản trở việc tạo thành cấu trỳc phiờn mó dở (trp
attenuator). Kết quả là phõn tử mARN đa cistron của operon Trp được tạo thành một cỏch đầy đủ.