Bài học

Điều hoà biểu hiện gene

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được nguyên lí điều hoà biểu hiện gene qua mô hình operon Lac ở vi khuẩn E. coli trong hai trường hợp có và không có lactose, nêu được các mức điều hoà biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực, và giải thích được vì sao các tế bào cùng một cơ thể mang bộ gene giống hệt nhau nhưng lại biệt hoá thành nhiều loại tế bào khác nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Ba bài trước em đã học gene được phiên mã thành mRNA rồi dịch mã thành chuỗi polypeptide (same-grade bridge). Nhưng nếu MỌI gene trong bộ gene đều được phiên mã và dịch mã liên tục, tế bào sẽ lãng phí năng lượng tổng hợp những protein không cần dùng tới ở thời điểm đó. Bài này học cách tế bào kiểm soát: gene nào được biểu hiện, vào lúc nào, với mức độ ra sao.

Khởi động

Tế bào gan và tế bào thần kinh của cùng một người mang bộ gene giống hệt nhau — được sao chép từ cùng một hợp tử ban đầu. Vậy vì sao tế bào gan sản xuất được các enzyme chuyển hoá đường, còn tế bào thần kinh thì không, dù cả hai đều "sở hữu" đúng những gene giống nhau?

Kiến thức trọng tâm

Không phải mọi gene trong một tế bào đều được phiên mã và dịch mã cùng lúc — tế bào chỉ biểu hiện những gene cần thiết cho hoạt động và điều kiện môi trường tại thời điểm đó. Ở vi khuẩn, mô hình operon giải thích cơ chế này rõ nhất. Operon là một cụm gồm nhiều gene cấu trúc có liên quan chức năng, được điều khiển chung bởi một vùng khởi động (promoter) và một vùng vận hành (operator) duy nhất, cùng một gene điều hoà nằm riêng, mã hoá một protein ức chế.

Ở operon Lac của vi khuẩn E. coli, ba gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA mã hoá các enzyme cần để vi khuẩn phân giải đường lactose. Khi môi trường KHÔNG có lactose, gene điều hoà tổng hợp một protein ức chế; protein này gắn vào vùng vận hành, choán chỗ ngay trước các gene cấu trúc. RNA polymerase, dù đã gắn vào vùng khởi động, không thể trượt qua vùng vận hành đang bị choán chỗ, nên các gene cấu trúc không được phiên mã — operon ở trạng thái "tắt".

Khi môi trường CÓ lactose, một dạng của lactose gắn vào protein ức chế, làm biến đổi hình dạng không gian của protein này. Protein ức chế đã biến dạng không còn gắn vừa vào vùng vận hành nữa nên rời khỏi đó. Vùng vận hành trống, RNA polymerase trượt qua được, phiên mã ba gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA thành mRNA, rồi dịch mã thành các enzyme phân giải lactose — operon chuyển sang trạng thái "mở", đúng lúc tế bào thực sự cần những enzyme đó.

Lactose không tác động trực tiếp lên DNA, mà tác động lên protein ức chế — cơ chế gián tiếp là điểm cốt lõi của mô hình operon.

Ở sinh vật nhân thực, điều hoà biểu hiện gene phức tạp hơn nhiều so với mô hình operon ở vi khuẩn, và diễn ra ở nhiều mức khác nhau trong cùng một tế bào: mức trước phiên mã — mức độ đóng hay mở của nhiễm sắc chất quyết định gene có "sẵn sàng" được đọc hay không; mức phiên mã — các protein điều hoà gắn vào DNA, quyết định gene nào thực sự được phiên mã thành mRNA; mức sau phiên mã — mRNA sơ khai có thể được xử lí theo nhiều cách khác nhau, hoặc bị phân giải sớm; và mức dịch mã, sau dịch mã — kiểm soát mRNA có được dịch mã hay không, và protein tạo ra có được biến đổi tiếp để hoạt động hay không.

Xếp đúng sự kiện vào từng trạng thái giúp phân biệt nguyên nhân (có/không có lactose) với kết quả (operon mở/tắt).

Chính vì có nhiều mức điều hoà như vậy, các tế bào trong cùng một cơ thể — dù mang bộ gene giống hệt nhau vì cùng có nguồn gốc từ một hợp tử — có thể biểu hiện các tập hợp gene rất khác nhau. Tế bào gan biểu hiện mạnh các gene mã hoá enzyme chuyển hoá, trong khi những gene đó bị "khoá" ở tế bào thần kinh; ngược lại, tế bào thần kinh biểu hiện các gene liên quan tới dẫn truyền xung thần kinh mà tế bào gan không dùng tới. Kết quả là các loại tế bào chuyên hoá khác nhau, dù xuất phát từ cùng một bộ gene.

Ví dụ

Theo dõi operon Lac khi lactose xuất hiện rồi biến mất

1
Một quần thể vi khuẩn E. coli đang nuôi cấy trong môi trường không có lactose. Mô tả trạng thái operon Lac. Sau đó, lactose được bổ sung vào môi trường; mô tả điều gì xảy ra tiếp theo. Cuối cùng, toàn bộ lactose trong môi trường bị phân giải hết; điều gì xảy ra với operon Lac lúc này?
2
Không có lactose, protein ức chế do gene điều hoà tổng hợp gắn vào vùng vận hành, RNA polymerase không phiên mã được gene cấu trúc — operon Lac ở trạng thái tắt, vi khuẩn không tổng hợp các enzyme phân giải lactose, vốn không cần dùng tới khi không có lactose.
3
Lactose gắn vào protein ức chế, làm biến đổi hình dạng protein này, khiến nó rời khỏi vùng vận hành. RNA polymerase trượt qua được, phiên mã ba gene cấu trúc, vi khuẩn tổng hợp enzyme phân giải lactose — operon chuyển sang trạng thái mở.
4
Không còn lactose để gắn vào protein ức chế, protein ức chế trở lại hình dạng ban đầu và gắn lại vào vùng vận hành, chặn RNA polymerase — operon Lac trở về trạng thái tắt.
5
Vậy operon Lac hoạt động như một công tắc tự động, phản ứng trực tiếp với sự có mặt của lactose: mở khi cần phân giải lactose, tắt ngay khi không còn lactose để phân giải — tránh lãng phí năng lượng tổng hợp enzyme không cần dùng.

Ví dụ

Giải thích sự biệt hoá tế bào bằng điều hoà biểu hiện gene (dạng đề kiểm tra)

1
Tế bào gan và tế bào tuyến tụy của cùng một người đều chứa gene mã hoá insulin. Tuy nhiên chỉ tế bào tuyến tụy — cụ thể là tế bào beta của đảo tụy — tổng hợp và tiết ra insulin, còn tế bào gan thì không. Giải thích hiện tượng này bằng khái niệm điều hoà biểu hiện gene.
2
Vì tế bào gan và tế bào tuyến tụy đều có nguồn gốc từ cùng một hợp tử ban đầu qua nguyên phân, cả hai loại tế bào đều mang bộ gene giống hệt nhau, bao gồm cả gene mã hoá insulin.
3
Sự khác biệt không nằm ở việc tế bào nào "có" gene insulin — cả hai đều có — mà nằm ở việc gene đó có được BIỂU HIỆN hay không. Ở tế bào tuyến tụy, các mức điều hoà — nhiễm sắc chất mở, có đủ protein điều hoà phù hợp gắn vào vùng điều khiển gene insulin — cho phép gene insulin được phiên mã và dịch mã.
4
Ở tế bào gan, cùng gene insulin đó bị "khoá" ở một hoặc nhiều mức điều hoà, ví dụ nhiễm sắc chất đóng chặt tại vùng gene này, hoặc thiếu các protein điều hoà cần thiết, nên gene insulin không được phiên mã, tế bào gan không bao giờ tổng hợp insulin dù vẫn mang gene đó trong bộ gene của mình.
5
Vậy sự khác biệt giữa các loại tế bào chuyên hoá trong cùng một cơ thể không đến từ việc chúng mang bộ gene khác nhau, mà đến từ việc mỗi loại tế bào điều hoà biểu hiện MỘT TẬP HỢP GENE KHÁC NHAU trong cùng một bộ gene chung.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến là nghĩ operon Lac "mở" nghĩa là gene điều hoà ngừng hoạt động — thực ra gene điều hoà luôn tổng hợp protein ức chế bất kể có lactose hay không; điều thay đổi là protein ức chế đó có GẮN ĐƯỢC vào vùng vận hành hay không, tuỳ vào có lactose làm biến đổi hình dạng nó hay chưa. Nhầm lẫn khác là nghĩ các tế bào chuyên hoá khác nhau vì chúng có bộ gene khác nhau — thực ra chúng có bộ gene giống hệt nhau, chỉ khác nhau ở việc gene nào đang được biểu hiện.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Operon Lac: không có lactose → protein ức chế gắn vùng vận hành → operon tắt; có lactose → protein ức chế đổi hình dạng, rời vùng vận hành → operon mở. Ở sinh vật nhân thực, điều hoà diễn ra ở nhiều mức — trước phiên mã, phiên mã, sau phiên mã, dịch mã, sau dịch mã — đây là lí do các tế bào cùng bộ gene lại biệt hoá thành nhiều loại khác nhau.

Khoá học tiếp theo rời khỏi cơ chế bình thường của gene để nhìn vào điều xảy ra khi thông tin di truyền bị biến đổi — đột biến gene và đột biến nhiễm sắc thể.