Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ

Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ Cơ chế điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật nhân sơ đã được F.Jacôp và J.Mono phát hiện lần đầu tiên ở vi khuẩn E.coli năm 1961. Hai tác giả này đưa ra mô hình opêrôn Lac, trong đó đề cập thành phần và vai trò của các gen điều hòa (regulator : R), gen vận hành (operator: O), vùng khởi động (promoter: P) và nhóm gen cấu trúc (structural genes). Nhóm gen cấu trúc ở đây khi được phiên mã tạo ra policistronic (đa cistron - đa gen), gồm 3 gen Z, Y, A trong đó gen Z mã hóa enzim β galactosidaza có vai trò thủy phân đường lactozơ thành galactozơ và glucozơ, đồng thời còn có vai trò chuyển hóa lactozơ thành allolactozơ là phân tử bất hoạt prôtêin ức chế. 1. Điều hòa âm tính (negetive control) Đối với operon Lac thì tín hiệu điều hòa ở đây là đường lactozơ. Khi không có lactozơ, gen Z không được biểu hiện, còn khi trong môi trường tế bào có lactozơ thì gen Z mới biểu hiện, nghĩa là được phiên mã để tổng hợp enzim cần cho sự phân hủy lactozơ. Sự điều hòa biểu hiện của gen diễn ra hoàn toàn ở mức độ phiên mã. Cơ chế điều hòa dựa vào tương tác của prôtêin điều hòa với gen O (vận hành). Prôtêin điều hòa được gọi là yếu tố kìm hãm hay ức chế (repressor) được gen điều hòa (R) tổng hợp. Mối tương tác giữa chất ức chế và gen O được thể hiện ở hai trường hợp: - Khi môi trườn không có lactozơ, chất ức chế gắn vào O, ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc, vì enzim phiên mã không hoạt động được. - Khi trong môi trường có lactozơ, được gọi là nhân tố cảm ứng của operon Lac, tác nhân này sẽ gắn vào chất ức chế làm thay đổi cấu hình không gian của chất ức chế, do đó nó không gắn vào gen O được. Nhờ đó enzim phiên mã mARN polimeraza mới thực hiện được quá trình phiên mã ở nhóm gen cấu trúc để tổng hợp enzim chuyển hóa lactozơ. Sự điều hòa biểu hiện của gen ở đây để tiết kiệm tối đa năng lượng. Thông thường tế bào sẽ sử dụng nguồn đường đơn, cần ít năng lượng để "tiêu hóa" trước như glucozơ, chỉ khi không có glucozơ, tế bào mới chuyển sang "tiêu hóa" lactozơ. Như vây, trong sự điều hòa âm tính sự phiên mã bị ức chế khi chất ức chế gắn vào gen O và lại diễn ra bình thường khi chất cảm ứng làm bất hoạt chất ức chế. 2. Điều hòa dương tính (positive) Sự điều hòa của operon lac còn phụ thuộc vào nồng độ của glucozơ trong môi trường nội bào. Nồng độ này có liên quan với hàm lượng AMP vòng (cyclic AMP - cAMP), là chất bắt nguồn từ ATP. Khi nguồn glucozơ cạn, tế bào phản ứng lại bằng cách tạo ra cAMP. Khi hàm lượng cAMP tăng cao được xem là tín hiệu của sự cạn kiệt glucozơ. Trong điều kiện này diễn ra sự kết hợp giữa cAMP với prôtêin thể nhận dị hóa (catabolite - CRP) tạo thành phức hợp CRP - cAMP. Phức hợp này sẽ gắn vào vị trí trước promoter, nhờ đó ARN polimeraza được kích động để bám vào promoter và thực hiện quá trình phiên mã. - Các thành phần tham gia điều hòa: - Khi môi trường chỉ có Glucozơ không có lactozơ: - Khi môi trường có cả Glucozơ và lactozơ: Như vậy, trong điều hòa dương tính sự phiên mã được diễn ra khi phức hợp CRP - cAMP gắn vào vị trí trước promoter.