Giải thích cơ chế điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ thông qua mô hình operon Lac.

Ở vi khuẩn như Escherichia coli, operon Lac (lactose operon) là mô hình kinh điển nhất để minh họa cơ chế điều hòa hoạt động gen theo nguyên lý “bật–tắt” (on–off) ở sinh vật nhân sơ. Dưới đây là các thành phần chính và cách chúng phối hợp để điều khiển sự phiên mã của các gen chuyển hóa lactose: 1. Các thành phần của operon Lac a. Gen điều hòa (lacI): - Nằm ngoài cụm cấu trúc. - Mã hóa protein cảm ứng (repressor). b. Vùng vận hành (operator, O): - Nằm giữa vùng khởi động (promoter) và nhóm gen cấu trúc. - Nơi repressor bám vào để ngăn cản RNA polymerase. c. Vùng khởi động (promoter, P): - Nơi RNA polymerase gắn để khởi động phiên mã. d. Các gen cấu trúc (lacZ, lacY, lacA): - lacZ: mã hóa β-galactosidase, thủy phân lactose thành glucose + galactose. - lacY: mã hóa permease, vận chuyển lactose vào tế bào. - lacA: mã hóa transacetylase, vai trò hỗ trợ không quan trọng bằng hai gen kia. 2. Trạng thái “tắt” (No lactose) - Trong tế bào không có lactose, một lượng allolactose (chất dẫn xuất tự nhiên của lactose) rất thấp, repressor được tổng hợp từ gen lacI ở dạng hoạt động. - Repressor gắn chặt vào operator (O), chắn đường đi của RNA polymerase, nhờ đó ngăn chặn phiên mã các gen lacZYA. - Kết quả: hầu như không có β-galactosidase và permease được sinh ra, tiết kiệm năng lượng cho tế bào. 3. Trạng thái “bật” (Có lactose) - Khi lactose (và allolactose) xuất hiện trong môi trường, allolactose gắn vào repressor, làm thay đổi cấu hình không gian của repressor. - Repressor bị bất hoạt, rời khỏi operator. - RNA polymerase bây giờ có thể gắn vào promoter và tiến hành phiên mã lacZYA. - Enzyme β-galactosidase và permease được sản xuất, giúp tế bào tiêu hóa và hấp thu lactose. 4. Điều hòa theo đường phân glucose (cơ chế ức chế đồng phân, catabolite repression) - Khi glucose dư thừa, nồng độ cAMP nội bào thấp, phức hợp CAP–cAMP (catabolite activator protein) không hình thành, làm giảm ái lực của RNA polymerase đối với promoter Lac. - Dù lactose có mặt, phiên mã operon Lac vẫn ở mức rất thấp. - Khi hết glucose, cAMP tăng lên, phức hợp CAP–cAMP gắn vào vùng tiền promoter, giúp RNA polymerase bám chắc hơn, làm tăng mạnh tốc độ phiên mã lacZYA. 5. Ưu điểm của mô hình điều hòa operon Lac - Tiết kiệm năng lượng: chỉ sản xuất enzyme phân giải lactose khi thực sự cần. - Linh hoạt, phản ứng nhanh với thay đổi môi trường (có/không có lactose, nhiều/ít glucose). Tóm lại, operon Lac là một hệ điều hòa gen “đóng/mở” dựa trên sự tương tác giữa repressor, operator, RNA polymerase và các tín hiệu hóa học (allolactose, cAMP), cho phép vi khuẩn điều chỉnh chính xác hoạt động phiên mã tùy theo điều kiện dinh dưỡng.