Điều hòa hoạt động gene ở prokaryote

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.

Trong hệ thống điều hòa âm tính  một protei 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 11.1B), 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)

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  tố điều 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 gene (polycistronic).  Gene  Z  mã  hóa  cho  enzyme  b-  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 lacIlà 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 b -1,4) được chuyển thành  allolactose  (liên  kết  b-1,6)  nhờ  b-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.

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.

A   Bản đồ của operon lac

B. Sơ đồ của operon lac ở trạng thái bị kìm hãm
C. Sơ đồ của operon lac ở trạng thái được kích thích

Nguồn: thuviensinhhoc.com