Trình bày cơ chế điều hòa hoạt động gen ở vi khuẩn theo mô hình opêron Lac. Nêu ý nghĩa của sự điều hòa hoạt động gen.

Ở vi khuẩn như Escherichia coli, operon Lac là mô hình kinh điển cho cơ chế điều hòa hoạt động gen theo kiểu “cảm ứng” (induction). Cơ chế này giúp tế bào chỉ tổng hợp các enzyme phân giải lactose khi thực sự cần, qua đó tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu. 1. Cấu trúc operon Lac – Gen điều hoà (lacI): nằm riêng, mã hóa protein ức chế (repressor). – Vùng promoter (P): nơi ARN polymerase bám vào khởi đầu phiên mã. – Vùng operator (O): vị trí liên kết của repressor, nằm gần hoặc chồng lên promoter. – Cụm gen cấu trúc (lacZ, lacY, lacA): • lacZ mã hóa β-galactosidase (cắt lactose thành galactose + glucose) • lacY mã hóa permease (tạo kênh vận chuyển lactose vào trong tế bào) • lacA mã hóa transacetylase (vai trò hỗ trợ, ít liên quan trực tiếp) 2. Cơ chế điều hòa A. Trạng thái không có lactose (dư thừa glucose) – Protein repressor do lacI tổng hợp tự do liên kết với vùng operator. – Sự liên kết này ngăn ARN polymerase bám vào promoter hoặc tiến hành dịch chuyển, do đó cụm gen lacZYA không được phiên mã ⇒ không có enzyme phân giải lactose. B. Trạng thái có lactose (ít hoặc không có glucose) 1) Tác động của chất cảm ứng (inducer) – Lactose (thực tế là dạng chuyển hoá allolactose) liên kết với repressor. – Repressor biến hình, mất khả năng gắn vào operator. – ARN polymerase bám vào promoter và phiên mã liên tục lacZYA ⇒ tổng hợp β-galactosidase, permease, transacetylase. 2) Tác động của tín hiệu mức glucose (điều hoà bổ sung – catabolite repression) – Khi nồng độ glucose thấp, mức cAMP nội bào cao ⇒ cAMP kết hợp với protein CAP (catabolite activator protein). – Phức hợp CAP–cAMP bám vào vùng vận hành gần promoter, hỗ trợ ARN polymerase bám chắc hơn, tăng hiệu suất phiên mã. – Khi glucose cao, cAMP giảm, phức hợp CAP–cAMP không hình thành, dù lactose có mặt, mức phiên mã lac operon vẫn thấp. 3. Ý nghĩa của điều hoà hoạt động gen – Tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu: chỉ tổng hợp enzyme khi cơ chất cần thiết xuất hiện. – Tăng tính linh hoạt thích nghi: tế bào nhanh chóng đáp ứng thay đổi nguồn chất dinh dưỡng. – Điều hoà theo nhu cầu môi trường: ưu tiên dùng glucose (nguồn năng lượng “rẻ” hơn), chỉ khi hết mới chuyển sang lactose. – Nguyên tắc chung cho sinh vật nhân chuẩn: điều hoà gen mang tính không gian – thời gian, đảm bảo biểu hiện gen đúng lúc, đúng nơi, đúng mức độ.