Trình bày cơ chế điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ. Lấy ví dụ minh họa bằng operon Lac ở vi khuẩn E. coli.

Ở sinh vật nhân sơ (điển hình là vi khuẩn E. coli), phần lớn gen được tổ chức thành các cụm operon, dưới sự điều hòa chặt chẽ của các yếu tố tại vùng khởi động (promoter), vùng vận hành (operator) và các protein điều hòa (repressor/activator). Cơ chế chung như sau: 1. Thành phần của một operon a. Gen điều hòa (regulator gene): mã hóa protein điều hòa (thường là repressor hoặc activator). b. Vùng promoter (P): nơi ARN polymerase bám để khởi động phiên mã. c. Vùng operator (O): nơi protein điều hòa (repressor) gắn lên, chặn hoặc cho phép ARN polymerase tiếp cận promoter. d. Các gen cấu trúc (structural genes): mã hóa enzyme hay protein cùng tham gia một con đường chuyển hóa; phiên mã tạo ra mRNA đa cistron. 2. Hai kiểu điều hòa chính – Điều hòa âm tính (negative regulation): protein ức chế (repressor) gắn lên operator, ngăn cản ARN polymerase phiên mã gen cấu trúc. Khi có chất cảm ứng (inducer) nó liên kết repressor, làm mất khả năng gắn operator, giải phóng operon cho phiên mã. – Điều hòa dương tính (positive regulation): protein cảm ứng (activator, ví dụ CAP) phải liên kết ligand (cAMP) để thay đổi cấu hình, gắn vào trình tự đặc hiệu gần promoter, tương tác với ARN polymerase tăng cường khởi động phiên mã. 3. Ví dụ minh họa: Operon Lac ở E. coli a. Cấu trúc và các thành phần chính – gen lacI (ngoại vị trí operon): mã hóa Repressor LacI, luôn được phiên mã ở mức nền. – promoter (P), operator (O) của lac-operon. – ba gen cấu trúc: lacZ (β-galactosidase), lacY (permease), lacA (transacetylase). – vùng gắn CAP (CAP-binding site) nằm ngay phía trước promoter. b. Cơ chế điều hòa Lac-operon 1) Môi trường không có lactose – Repressor (LacI) gắn chặt lên operator → chặn ARN polymerase → không có phiên mã lacZYA. – Dù cAMP:CABP (CAP) có gắn, ARN polymerase vẫn không thể vượt repressor. 2) Môi trường có lactose nhưng glucose cao – Một phần lactose được chuyển hoá thành allolactose (inducer). – Allolactose gắn vào Repressor → làm thay đổi cấu hình → Repressor không liên kết được operator → ARN polymerase phiên mã lacZA Y. – Tuy nhiên, khi glucose còn nhiều, nồng độ cAMP thấp → CAP không liên kết được cAMP → CAP không kích thích thêm phiên mã → mức phiên mã trung bình. 3) Môi trường có lactose và glucose thấp – Allolactose ngăn Repressor bám O → ARN polymerase được phép khởi động. – Thiếu glucose → cAMP tăng cao, liên kết CAP → CAP–cAMP gắn vào vùng đặc hiệu cạnh promoter → thu hút ARN polymerase → tăng mạnh phiên mã lacZYA. c. Kết quả – Chỉ khi nào E. coli cần sử dụng lactose làm nguồn carbon (tức có lactose và ít glucose) thì operon Lac mới được bật tối đa, tiết kiệm năng lượng cho tế bào. Tóm lại, operon Lac là một ví dụ kinh điển cho cơ chế điều hòa âm tính kết hợp điều hòa dương tính, cho phép vi khuẩn đáp ứng linh hoạt với biến động môi trường về nguồn đường.